基于Virtual Lab的汽車進氣系統(tǒng)NVH性能優(yōu)化

楊德銀　吳孟兵　麻金賀　張利　何延剛

摘 要：文章針對某MPV汽車車內(nèi)噪聲大的問題，通過屏蔽法識別進氣噪聲為主要噪聲源，為降低車內(nèi)噪聲提高汽車NVH性能，運用三維軟件LMS Virtual Lab對進氣系統(tǒng)進行仿真分析，找出問題原因，提出改進措施，通過結(jié)構(gòu)改進有效地降低了進氣噪聲，改善了整車NVH性能。關(guān)鍵詞：傳遞損失;赫爾姆茲消聲器;內(nèi)插管;Virtual Lab中圖分類號：U464.136? 文獻標識碼：B? 文章編號：1671-7988（2020）01-105-04

Abstract： This paper aims at the problem of high interior noise of a MPV vehicle， the intake noise was identified as the main noise source by shielding method， then 3d software LMS Virtual Lab was used to simulate and analyze the intake system， cause of the problem were discovered， and then modification measures were proposed.Through structure optimization， the intake noise was reduced effectively， and thus the overall NVH performance of the vehicle was improved.Keywords： Transmission Loss; Helmholtz muffler; Internal intubation; Virtual LabCLC NO.： U464.136 ?Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）01-105-04

引言

隨著經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，人們對汽車產(chǎn)品的要求也不只是代步工具那么簡單，對于汽車的品質(zhì)要求越來越高，對于汽車的振動噪聲性能（NVH）性能提出了更高、更新的要求。汽車的NVH性能的優(yōu)劣以及聲品質(zhì)是否滿足消費者的需求，現(xiàn)已成為決定消費者是否購買某車型的重要因素。進氣系統(tǒng)噪聲是汽車的主要噪聲源之一，對汽車的 NVH性能會產(chǎn)生重要影響，因此，進氣系統(tǒng)噪聲優(yōu)化對改善汽車車內(nèi)噪聲品質(zhì)、提高乘坐舒適性意義重大。本文針對某汽車進氣口噪聲大的問題，運用Virtual lab仿真分析軟件對進氣系統(tǒng)氣噪聲進行仿真分析，對進氣系統(tǒng)提出改進意見，然后進行整車試驗驗證其可行性。

1 進氣系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生機理[1]

發(fā)動機進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其噪聲產(chǎn)生的機理及組成也較復(fù)雜，主要有四類：（1）周期性壓力脈動噪聲，即由進氣門開閉引起的進氣管道中空氣壓力、速度及密度的波動而產(chǎn)生的周期性壓力脈動噪聲;（2）渦流噪聲，即高速氣流流入氣缸過程中遇到毛刺、尖角等障礙物形成渦流繼而產(chǎn)生的渦流噪聲;（3）汽缸的赫姆霍茲共振噪聲，即氣缸內(nèi)產(chǎn)生赫姆霍茲共振所激發(fā)的輻射噪聲;（4）進氣管的氣柱共振噪聲，即當(dāng)發(fā)動機進氣閥門關(guān)閉后，進氣管可以認為形成了氣柱共振系統(tǒng)，被與其固有頻率接近的周期性進氣噪聲激勵后產(chǎn)生的聲能量較大的輻射噪聲。

2 問題提出

某2.0NA SMPV車在進行整車NVH測試時發(fā)現(xiàn)，3檔WOT工況車內(nèi)可明顯聽到進氣噪聲，嚴重影響了整車乘坐舒適性。

為驗證進氣噪聲對車內(nèi)噪聲的影響，在進氣口加裝大消聲器對進氣噪聲進行屏蔽，如圖1所示，監(jiān)測3檔WOT工況進氣噪聲屏蔽前后車內(nèi)噪聲的變化。

圖2為3檔WOT工況進氣噪聲屏蔽前后車內(nèi)駕駛員右耳的測試結(jié)果對比，圖3為3檔WOT工況進氣噪聲屏蔽前后車內(nèi)后排的測試結(jié)果對比，測試數(shù)據(jù)顯示屏蔽進氣噪聲后，車內(nèi)前后排在2000rpm-3800rpm總噪聲曲線明顯下降，整體平均降低約4dB（A），階次噪聲分析發(fā)現(xiàn)，2000rpm-3300rpm常用轉(zhuǎn)速區(qū)間二階次噪聲明顯下降，整體平均降低約8dB（A），因此需要對進氣系統(tǒng)2000rpm-3200rpm 2階次噪聲進行優(yōu)化。

3 階次噪聲頻率與發(fā)動機轉(zhuǎn)速關(guān)系[2]如下

其中，f為頻率，τ為沖程常數(shù)，4沖程選2，2沖程選1，i為發(fā)動機缸數(shù)，n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

經(jīng)上式計算得出進氣系統(tǒng)需衰減頻率段為66Hz-110Hz。

4 模型建立、分析及優(yōu)化

4.1 聲學(xué)模型的建立及分析

前面的數(shù)據(jù)測試及分析結(jié)果表明，要改善車內(nèi)噪聲水平，即需要提升進氣系統(tǒng)在60Hz-110Hz的降噪能力。消聲元件和系統(tǒng)的消聲性能通常有四個衡量指標：傳遞損失 TL、插入損失IL、聲壓級差和聲壓級。本文采用傳遞損失進行評價。

其中，TL為傳遞損失;Win、Wout分別為進、出氣口聲功率;pin、pout分別為進、出口處的聲壓;Sin、Sout分別為進、出氣口的截面積。

近年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元法越來越多被用到進氣系統(tǒng)聲學(xué)分析中，其分析結(jié)果與實際聲場符合性較好。Virtual lab Acoustics軟件是專門用于聲學(xué)仿真計算的CAE軟件，具有強大的計算分析能力，能夠計算各種各樣的聲學(xué)數(shù)據(jù)[3-5]。本文運用Virtual lab Acoustics軟件進行進氣系統(tǒng)傳遞損失分析，采用的是聲學(xué)有限元法在頻域內(nèi)進行計算。聲學(xué)有限元用于計算封閉腔體內(nèi)的聲場，要求把所計算的聲場離散成實體網(wǎng)格。本文采用的是在Altair Hypermesh里根據(jù)原進氣系統(tǒng)模型建立有限元體網(wǎng)格，然后將體網(wǎng)格輸入到Virtual lab里進行分析計算。

原進氣系統(tǒng)由進氣導(dǎo)流管、空氣濾清器及空濾器出氣管組成，無其它聲學(xué)消音元件;圖4為該車型原進氣系統(tǒng)的幾何模型，圖5為該進氣系統(tǒng)的聲學(xué)分析有限元模型，圖6為Virtual lab軟件分析得到的傳遞損失結(jié)果。

由分析結(jié)果可知，在110Hz以內(nèi)進氣系統(tǒng)傳遞損失較低，在10dB（A）以下，說明進氣系統(tǒng)在該頻率段消聲能力很弱，從而造成車內(nèi)噪聲大，影響了乘坐舒適性。需要對進氣系統(tǒng)進行改進，提升傳遞損失。

4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對該車型的進氣系統(tǒng)噪聲頻率特性，要提升60Hz- 110Hz的消聲量，可從以下四個方面考慮進行改進：

4.2.1 增加空濾器容積

原狀態(tài)空氣濾清器為典型單節(jié)擴張式消聲器，圖7為典型單節(jié)擴張式消聲器的結(jié)構(gòu)簡圖[6]：

圖中S0為連接管截面積，S1為擴張室的截面積，L1為擴張室的長度。擴張室與連接管截面面積之比稱為膨脹比m，一般來說膨脹比m越大，則擴張式消聲器的最大消聲量越大，消聲效果越好。但該車型現(xiàn)階段由于發(fā)動機艙布置已結(jié)束，整車其它部件已完成工裝件開發(fā)，不能增大空濾器容積，因此該參數(shù)不能改進。

4.2.2 增加進氣臟管長度

增加進氣臟管長度對消減中低頻噪聲有效果[7]，但同樣受制于發(fā)動機艙布置空間，無法將進氣導(dǎo)流管長度增加。

4.2.3 增加內(nèi)插管

可以通過將連接管插入到擴張室中來改變典型單節(jié)擴張式消聲器的傳遞損失，并且插入管會大大地提高傳遞損失[8]。優(yōu)化方案在空濾器下殼體進氣口增加內(nèi)插管結(jié)構(gòu)，見圖8。

4.2.4 增加諧振腔

原空氣濾清器容積為8L，容積偏小，考慮原進氣系統(tǒng)110Hz以下傳遞損失太低，而該車對應(yīng)該頻段需要的衰減的聲能量較大，為進一步改善低頻段的消聲性能，通過增加一中心頻率在70Hz的諧振腔進行輔助消聲，圖9為該車型最終優(yōu)化后進氣系統(tǒng)的幾何模型。

4.3 優(yōu)化分析

綜上分析，最終通過增加內(nèi)插管及諧振腔來改進進氣系統(tǒng)的低頻消聲性能。圖10為優(yōu)化后進氣系統(tǒng)的聲學(xué)分析有限元模型，圖11為Virtual lab軟件分析得到的優(yōu)化前、后的傳遞損失對比結(jié)果。改進后進氣系統(tǒng)傳遞損失在250Hz以內(nèi)均有明顯提升，在66Hz-110Hz頻率段傳遞損失平均增量在10dB（A），明顯優(yōu)于改進前。

5 試驗驗證

根據(jù)改進方案制作樣件，再次進行試驗驗證，測試工況3檔WOT，測點位置為車內(nèi)前排駕駛員右耳位置、車內(nèi)后排右側(cè)座位，試驗對比結(jié)果如圖12、圖13所示，從試驗數(shù)據(jù)可以看出：

（1）前排駕駛員右耳位置，車內(nèi)噪聲總聲壓級在4000 rpm以內(nèi)明顯降低，最大達到5dB（A）;在1800rpm- 3100 rpm，2階次噪聲有大幅度下降，基本達到12dB（A）;主觀感受車內(nèi)噪聲明顯得到改善。

（2）后排右側(cè)座位，車內(nèi)噪聲總聲壓級在1600rpm-3400 rpm以內(nèi)均有降低，最大達到3.5dB（A）;在1700rpm-3100rpm，2階次噪聲有明顯下降，最大達到20dB（A）。

綜合以上，進氣系統(tǒng)改進效果良好，車內(nèi)噪聲得到明顯改善，解決了該車型出現(xiàn)的問題。

6 結(jié)論

進氣系統(tǒng)噪聲是汽車噪聲的最主要的噪聲源之一，對車內(nèi)噪聲貢獻非常大。本文通過對某SMPV車加速過程中車內(nèi)噪聲大的問題進行分析，運用屏蔽法識別出噪聲源來自于進氣系統(tǒng)（進氣系統(tǒng)對車內(nèi)噪聲的貢獻量）。在進氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計過程中，利用Virtual lab仿真軟件分析原狀態(tài)傳遞損失，找出問題原因，為性能優(yōu)化提供方向，通過增加內(nèi)插管及諧振腔來提高進氣系統(tǒng)傳遞損失，經(jīng)試驗驗證優(yōu)化方案有效地降低了進氣口噪聲，車內(nèi)噪聲明顯改善。實踐證明，應(yīng)用 Virtual lab 軟件可以對汽車發(fā)動機的進氣系統(tǒng)噪聲進行控制研究，能夠方便地進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，節(jié)省大量的試驗和樣件制作工作，縮短產(chǎn)品優(yōu)化周期，減少研發(fā)費用的投入。

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