某MPV排氣系統(tǒng)對(duì)車內(nèi)轟鳴聲貢獻(xiàn)度驗(yàn)證及優(yōu)化

堯?yàn)t雪，曾憲民，韋土珍，盧 寧

（1.佛吉亞（柳州）排氣控制技術(shù)有限公司，廣西 柳州545000；2.柳州五菱汽車工業(yè)技術(shù)有限公司，廣西 柳州545000）

0 引言

汽車駕駛艙封閉時(shí)構(gòu)成一個(gè)完整的密閉腔體，腔體中的空氣作為彈性體會(huì)形成許多振動(dòng)模態(tài)和聲腔模態(tài)，當(dāng)外界具有一定能量及頻率的聲波傳入后，激勵(lì)該腔體發(fā)生共振，會(huì)產(chǎn)生轟鳴聲。轟鳴聲是中低頻噪聲的一種，具有較大能量，形成的壓力脈動(dòng)會(huì)對(duì)駕乘人員耳膜產(chǎn)生強(qiáng)烈壓迫感，長(zhǎng)時(shí)間后可能引起頭痛、惡心、焦躁不安等不良反應(yīng)，因此轟鳴聲會(huì)較大程度降低汽車的駕乘感受體驗(yàn)。能引起駕駛艙內(nèi)轟鳴聲的主要激勵(lì)源除排氣系統(tǒng)外，還包括發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)軸系及不規(guī)則路面激勵(lì)等[1]，因此在排氣系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中若出現(xiàn)轟鳴聲問(wèn)題，首先需要分析驗(yàn)證排氣系統(tǒng)對(duì)其貢獻(xiàn)程度，通過(guò)試驗(yàn)確認(rèn)引起問(wèn)題的頻率，再針對(duì)該頻率設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。本文將以某MPV車內(nèi)轟鳴聲為案例，對(duì)如何開(kāi)展排氣系統(tǒng)對(duì)車內(nèi)轟鳴聲貢獻(xiàn)度驗(yàn)證及優(yōu)化方案設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

1 問(wèn)題描述

某MPV排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，主觀評(píng)價(jià)時(shí)發(fā)現(xiàn)三檔全油門(mén)加速工況發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 200 r/min、1 600 r/min附近時(shí)，車內(nèi)后排座位區(qū)域存在明顯轟鳴聲并壓迫耳膜。開(kāi)發(fā)小組通過(guò)道路試驗(yàn)采集原方案三檔全油門(mén)加速工況車內(nèi)后排座位噪聲及排氣系統(tǒng)尾管輻射噪聲，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2（下文統(tǒng)稱為第一輪測(cè)試）。

從圖1車內(nèi)后排座位噪聲結(jié)果可見(jiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 230 r/min、1 600 r/min時(shí)，Overall曲線存在明顯峰值最大差值約8dB（A），結(jié)合階次切片及彩圖等數(shù)據(jù)分析，確認(rèn)其主要貢獻(xiàn)來(lái)源于二階，對(duì)應(yīng)頻率為41 Hz及53.3 Hz，此頻率聲波易給人耳帶來(lái)轟鳴聲的主觀感受[2]，測(cè)試結(jié)果與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相符。從圖2原方案尾管輻射噪聲測(cè)試結(jié)果看，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 230 r/min時(shí)二階不存在明顯波峰，但發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時(shí)存在差值約為2.5 dB（A）較緩波峰且聲壓級(jí)較高，但不足以判斷其對(duì)車內(nèi)轟鳴聲貢獻(xiàn)度，因此需要進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1 原方案3-WOT車內(nèi)后排座位噪聲

圖2 原方案3-WOT尾管輻射噪聲

2 排氣系統(tǒng)貢獻(xiàn)度驗(yàn)證

在汽車NVH問(wèn)題分析研究中，常將汽車簡(jiǎn)化為“激勵(lì)源→傳遞路徑→響應(yīng)點(diǎn)”的噪聲振動(dòng)基本物理模型[3]。因此本次排氣系統(tǒng)對(duì)車內(nèi)轟鳴聲貢獻(xiàn)度驗(yàn)證將從激勵(lì)源及傳遞路徑兩個(gè)方向入手，首先考慮優(yōu)化該問(wèn)題傳遞路徑特性，以達(dá)到在傳遞過(guò)程中衰減到達(dá)響應(yīng)點(diǎn)能量的目的，再者是降低激勵(lì)源的輻射能量，并分別比較響應(yīng)點(diǎn)聲壓級(jí)變化。

2.1 傳遞路徑驗(yàn)證

排氣系統(tǒng)噪聲傳遞到車內(nèi)需要經(jīng)過(guò)車身，本次在車廂尾部（主要是后排座椅周圍）鋪裝消音棉、粘貼阻尼板，以增強(qiáng)車身對(duì)排氣系統(tǒng)輻射噪聲的隔音效果，通過(guò)道路試驗(yàn)采集該狀態(tài)下3檔全油門(mén)加速工況車內(nèi)后排座位噪聲，測(cè)試對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖3（下文統(tǒng)稱為第二輪測(cè)試）。

圖3 傳遞路徑優(yōu)化前后3-WOT車內(nèi)后排座位噪聲

將第一輪、第二輪車內(nèi)后排座位測(cè)試數(shù)據(jù)做對(duì)比，可見(jiàn)對(duì)車內(nèi)進(jìn)行隔音優(yōu)化后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 230 r/min附近時(shí)車內(nèi)后排總聲壓值變化不明顯，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 600 r/min附近時(shí)車內(nèi)后排總聲壓值降低約2 dB（A）。對(duì)隔音優(yōu)化前后車輛進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 200 r/min附近時(shí)轟鳴聲及壓耳膜感受變化不明顯，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 600 r/min附近時(shí)轟鳴聲及壓耳膜感受有明顯改善，與測(cè)試結(jié)果較吻合。

綜合測(cè)試及主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，初步判斷發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 600 r/min附近時(shí)排氣系統(tǒng)輻射噪聲對(duì)車內(nèi)后排位置轟鳴聲有一定貢獻(xiàn)度，但發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 230 r/min附近時(shí)車內(nèi)后排轟鳴聲的激勵(lì)源更大可能性在車輛前部，但無(wú)法完全排除排氣系統(tǒng)影響，需進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.2 激勵(lì)源驗(yàn)證

在排氣系統(tǒng)尾管出口處增加安裝絕對(duì)消聲器，提高排氣系統(tǒng)消聲能力，以降低尾管輻射噪聲的能量（下文統(tǒng)稱為第三輪測(cè)試）。為驗(yàn)證該排氣系統(tǒng)加裝絕對(duì)消聲器后尾管輻射噪聲的二階能量降低程度是否滿足試驗(yàn)要求，分別在原尾管出口位置及絕對(duì)消聲器出氣口位置安裝麥克風(fēng)，并測(cè)試其3擋全油門(mén)加速工況噪聲輻射情況，測(cè)試對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖4。對(duì)圖4所示測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知加裝絕對(duì)消聲器后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 230 r/min和1 600 r/min時(shí)，原尾管出口位置麥克風(fēng)測(cè)到的二階聲壓級(jí)約為51 dB（A）和55 dB（A），較未加裝絕對(duì)消聲器降低約 18 dB（A）和20 dB（A），絕對(duì)消聲器出口位置麥克風(fēng)測(cè)到二階聲壓級(jí)約為56 dB（A）和58 dB（A），較未加裝絕對(duì)消聲器降低約13 dB（A）和17 dB（A）。由此可見(jiàn)絕對(duì)消聲器消聲效果明顯，加裝絕對(duì)消聲器達(dá)到降低輻射能量目的。

圖4 消聲器前后3-WOT尾管輻射噪聲

在車內(nèi)后排座位布置麥克風(fēng)，進(jìn)行道路試驗(yàn)采集3擋全油門(mén)加速工況車內(nèi)噪聲情況。將三輪測(cè)試得到的車內(nèi)數(shù)據(jù)做對(duì)比分析（車內(nèi)后排座位OA值對(duì)比見(jiàn)圖5）。由測(cè)試結(jié)果可知：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 230 r/min附近時(shí)三輪測(cè)試得到的聲壓級(jí)均無(wú)明顯差異；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 600 r/min附近時(shí)，加裝絕對(duì)消聲器后波峰消失。對(duì)加裝絕對(duì)消聲器的試驗(yàn)車進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 200 r/min附近后排座位轟鳴聲情況無(wú)明顯變化，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 600 r/min附近轟鳴聲消失，這與測(cè)試結(jié)果相吻合。

圖5 三輪測(cè)試3-WOT車內(nèi)后排座位噪聲

綜合三次試驗(yàn)結(jié)果分析，可得出結(jié)論：排氣系統(tǒng)輻射噪聲對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 230 r/min附近時(shí)車內(nèi)的轟鳴聲幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)，主要激勵(lì)源有可能在車輛前部，優(yōu)化排氣系統(tǒng)方案對(duì)解決該問(wèn)題意義不大；排氣系統(tǒng)輻射噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 600 r/min附近時(shí)時(shí)車內(nèi)轟鳴聲主要激勵(lì)源，具有很大貢獻(xiàn)度，需要進(jìn)一步優(yōu)化方案，消除該轟鳴聲。

3 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)及效果驗(yàn)證

由以上三輪試驗(yàn)可以確定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 600 r/min附近時(shí)車內(nèi)的轟鳴聲由排氣尾管輻射噪聲激勵(lì)引起，其對(duì)應(yīng)頻率為53.3 Hz。通過(guò)GT-POWER仿真分析可知該排氣系統(tǒng)前后消在該頻率段附近消聲量較小，需進(jìn)一步開(kāi)展方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于前消容積僅有3 L，消除低頻噪聲能力有限，優(yōu)先通過(guò)優(yōu)化后消結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)降噪。分析排氣系統(tǒng)原方案壓降情況，系統(tǒng)壓降與目標(biāo)值之間仍有5 kPa富余，結(jié)合制造工藝及成本考慮通過(guò)調(diào)整后消隔板及內(nèi)部管路的開(kāi)孔數(shù)量、大小及位置來(lái)增加后消筒體在53.3 Hz附近消聲量。新方案仿真結(jié)果顯示在53.3 Hz附近消聲量增加約7 dB（A），并制作樣件進(jìn)行道路測(cè)試驗(yàn)證（下文統(tǒng)稱為第四輪試驗(yàn)）。

將新方案三檔全油門(mén)加速工況車內(nèi)噪聲結(jié)果與第一輪測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖6。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 600 r/min附近時(shí)車內(nèi)OA值下降約2.5 dB（A），波峰削減，聲壓級(jí)上升平緩。該方案主觀感受也得到優(yōu)化，原發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 600 r/min時(shí)車內(nèi)后排座位的轟鳴聲消失。綜上，可判斷優(yōu)化方案達(dá)到預(yù)期效果。

圖6 原方案、新方案3-WOT車內(nèi)后排座位噪聲

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文案例，為驗(yàn)證排氣系統(tǒng)對(duì)汽車噪聲問(wèn)題貢獻(xiàn)度分析提供一種思路方法，即從汽車噪聲振動(dòng)的物理模型入手，改變激勵(lì)源及傳遞路徑，以確認(rèn)排氣系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)問(wèn)題的貢獻(xiàn)度。

在消聲容積等條件不變的情況下，排氣系統(tǒng)背壓與低頻段消聲效果是互相權(quán)衡制約的設(shè)計(jì)過(guò)程，可適當(dāng)犧牲排氣系統(tǒng)背壓提升低頻段消聲量。