輕卡進(jìn)氣管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其聲學(xué)性能

王 棟 張清奎 魏舒婷 董 偉 汪祥支

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，各類(lèi)汽車(chē)越來(lái)越普及，而這也相應(yīng)地帶來(lái)了越來(lái)越嚴(yán)重的噪聲污染問(wèn)題。交通噪聲會(huì)通過(guò)汽車(chē)的進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞到駕駛室，駕駛員長(zhǎng)期處于這種噪聲環(huán)境中，容易產(chǎn)生疲勞感，引發(fā)各種頭昏腦脹的癥狀，增加了發(fā)生交通事故的可能性。

卡車(chē)等車(chē)型噪聲值很大，嚴(yán)重的噪聲環(huán)境會(huì)直接影響人的心血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等[1?3]。因此，必須對(duì)噪聲污染進(jìn)行重點(diǎn)防治，然而，對(duì)于汽車(chē)這種移動(dòng)的噪聲聲源，治理也將更為困難[4]。汽車(chē)的噪聲主要是通過(guò)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)入到駕駛室，因此，如果能夠設(shè)計(jì)出合理的消聲器，并將其加裝在汽車(chē)的進(jìn)氣管，就可以有效減少進(jìn)入到駕駛室內(nèi)的噪聲，從而提升駕車(chē)環(huán)境的舒適性，一定程度上也可以降低事故的發(fā)生率。

許多學(xué)者都針對(duì)汽車(chē)的降噪消聲器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，排氣噪聲已經(jīng)得到了一定的控制[5?7]。事實(shí)上，除排氣系統(tǒng)外，進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲在汽車(chē)整體噪聲中所占比重也很大，越來(lái)越受到人們的重視[8]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者開(kāi)始將研究的方向和重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了進(jìn)氣系統(tǒng)的降噪。Siano 等[9]以某發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用有限元法進(jìn)行三維數(shù)值模擬和噪聲傳遞損失的計(jì)算，然后通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行分析和驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明模擬計(jì)算具有很好的準(zhǔn)確性。Li 等[10]利用LES-FEM 耦合方法進(jìn)行數(shù)值模擬，深入分析了汽車(chē)進(jìn)氣系統(tǒng)的氣動(dòng)噪聲特性，之后進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比，結(jié)果表明：模擬所得靜態(tài)壓力損失與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。袁磊等[11]對(duì)幾種典型消聲器的消聲原理進(jìn)行了簡(jiǎn)介，并使用Virtual.Lab聲學(xué)分析軟件對(duì)某渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行了聲學(xué)性能的研究，最后選擇了合適的消聲器進(jìn)行降噪處理，模擬研究結(jié)果表明：增加消聲器后，進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲能力得到大幅提高。

本文以一款輕卡的進(jìn)氣管系統(tǒng)為研究對(duì)象，首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出進(jìn)氣口在不同工況下的噪聲值，并與聲壓級(jí)限值進(jìn)行比較，得出該系統(tǒng)噪聲的主要貢獻(xiàn)頻率，以此為依據(jù)，結(jié)合進(jìn)氣系統(tǒng)管道的實(shí)際布置情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)了相應(yīng)的消聲器，最后對(duì)優(yōu)化前后進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)性能進(jìn)行了模擬研究，并對(duì)噪聲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，進(jìn)而定量得出該自行設(shè)計(jì)的消聲器具備的降噪效果。

1 聲學(xué)度量和噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)

一般可用噪聲的插入損失或傳遞損失來(lái)評(píng)價(jià)消聲器的效果。插入損失是指裝消聲器前后出口處聲壓級(jí)之差，其主要用于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量評(píng)價(jià)，與聲源和出口端的聲學(xué)特性有關(guān)；傳遞損失是指聲波傳播過(guò)程中聲音的能量通過(guò)消聲器的衰減量。由于傳遞損失出口端為全吸聲條件，傳遞損失僅與消聲器自身結(jié)構(gòu)有關(guān)，與聲源無(wú)關(guān)，因此本文采用傳遞損失來(lái)評(píng)價(jià)聲學(xué)元件的聲學(xué)性能。

采用頻譜分析法來(lái)進(jìn)行噪聲測(cè)試時(shí)，僅能分析處理穩(wěn)態(tài)信號(hào)。而發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，變化的轉(zhuǎn)速導(dǎo)致了噪聲頻率成分不恒定。若采用頻譜分析法進(jìn)行處理信號(hào)，會(huì)產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象，對(duì)測(cè)試結(jié)果造成誤差。為便于處理非穩(wěn)態(tài)信號(hào)，本文選擇階次分析方法對(duì)進(jìn)氣口噪聲進(jìn)行測(cè)試和分析。

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管進(jìn)氣口的聲壓級(jí)限值沒(méi)有國(guó)標(biāo)，一般由廠家依據(jù)自身實(shí)際情況自行制定。本文所研究進(jìn)氣管進(jìn)氣口的聲壓級(jí)限制標(biāo)準(zhǔn)如下：在怠速工況下，空調(diào)處于關(guān)閉狀態(tài)(AC-off)時(shí)，噪聲總值低于60 dB；在怠速工況下，空調(diào)處于開(kāi)啟狀態(tài)(AC-on)時(shí)，噪聲總值低于66 dB；在加速工況下，噪聲總值保持在61～95 dB 之間，階次噪聲值保持在48～80 dB之間。

2 進(jìn)氣管聲學(xué)性能的研究

2.1 原始進(jìn)氣管噪聲實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

對(duì)所研究輕卡的進(jìn)氣口噪聲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分為兩種工況：怠速工況和加速工況。實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用LMS 噪聲頻譜分析儀對(duì)進(jìn)氣管進(jìn)氣口的噪聲值進(jìn)行測(cè)量，搭載的數(shù)據(jù)采集器可對(duì)測(cè)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集和處理。圖1為怠速工況下，空調(diào)開(kāi)啟/關(guān)閉時(shí)進(jìn)氣口的噪聲頻譜曲線(xiàn)。加速工況下，采集了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在750～5800 r/min 范圍內(nèi)的時(shí)域信號(hào)數(shù)據(jù)。圖2為加速工況下，噪聲限值曲線(xiàn)及采用階次分析法所得到的噪聲曲線(xiàn)。由圖1可知，在怠速工況下，空調(diào)處于關(guān)閉狀態(tài)(AC-off)或者開(kāi)啟2 檔狀態(tài)(AC-on 2)，進(jìn)氣口噪聲值滿(mǎn)足要求的限值；在空調(diào)開(kāi)啟1檔(AC-on 1)時(shí)，進(jìn)氣口的噪聲值總值為66.69 dB(限值為66 dB)，基本滿(mǎn)足限值要求。

圖1 怠速工況下原始進(jìn)氣管的噪聲頻譜曲線(xiàn)Fig.1 Noise spectrum curve of original intake tube under idle condition

從圖2可知：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2125 r/min時(shí)，進(jìn)氣管口總噪聲值超標(biāo)3 dB；轉(zhuǎn)速為3490 r/min時(shí)，8 階噪聲超出聲壓級(jí)指標(biāo)限值8 dB；轉(zhuǎn)速為3830 r/min 時(shí)，2 階噪聲超出聲壓級(jí)指標(biāo)限值6.5 dB；轉(zhuǎn)速為4700 r/min 時(shí)，6 階噪聲超出聲壓級(jí)指標(biāo)限值5.5 dB；轉(zhuǎn)速為5430 r/min 時(shí)，2 階噪聲超出聲壓級(jí)指標(biāo)限值7.5 dB。通過(guò)式(1)可計(jì)算出階次噪聲共振頻率，也即噪聲的主要貢獻(xiàn)頻率，計(jì)算結(jié)果分別為125 Hz、180 Hz、465 Hz、640 Hz。

圖2 加速工況下原始進(jìn)氣管的噪聲總值及階次噪聲曲線(xiàn)Fig.2 The total noise value and order noise curve of the original intake pipe under accelerating condition

式(1)中：R為轉(zhuǎn)速，r/min；N為階次。

2.2 諧振腔的設(shè)計(jì)

由上述計(jì)算結(jié)果可知，所研究輕卡的進(jìn)氣口噪聲均處于較低頻率，進(jìn)行降低噪聲處理時(shí)，應(yīng)該設(shè)計(jì)或選用抗性消聲器。本文依據(jù)實(shí)際情況，自行設(shè)計(jì)了一種膨脹性消聲器-諧振腔。其共振頻率可通過(guò)式(2)進(jìn)行計(jì)算：

式(2)中：f1為諧振腔共振頻率，Hz；c為聲速，m/s；Lc為連接兩者(諧振腔與進(jìn)氣管)的管道長(zhǎng)度，m；V為諧振腔的容積，m3；Sc為連接兩者的管道截面積，m2。

針對(duì)125 Hz 頻率的噪聲，設(shè)計(jì)合理的諧振腔。連接管的長(zhǎng)度與直徑分別為85 mm、35 mm，由式(2)計(jì)算可得，諧振腔的容積為2.121 L，將其命名為諧振腔1；同理針對(duì)180 Hz、465 Hz、640 Hz 頻率的噪聲消除分別設(shè)計(jì)諧振腔2、3、4。

結(jié)合實(shí)際空間情況，綜合考慮安裝的方便性和美觀性，設(shè)計(jì)出如下的諧振腔，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 諧振腔結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Cavity structure drawing

2.3 進(jìn)氣管聲學(xué)性能數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.3.1 模型的建立

(1)幾何模型的建立

圖4及圖5分別為聲場(chǎng)模擬時(shí)，增加諧振腔前后的進(jìn)氣管幾何模型圖及聲學(xué)仿真模型。在實(shí)際的氣流進(jìn)氣口，存在著格柵，其對(duì)聲場(chǎng)的影響較小，考慮到研究的方便性，模擬時(shí)將其忽略。

圖4 增加諧振腔前后的進(jìn)氣管幾何模型圖Fig.4 Geometric model diagram of inlet pipe before and after the cavity was added

圖5 增加諧振腔前后的進(jìn)氣管聲學(xué)仿真模型Fig.5 Acoustic simulation model of inlet pipe before and after resonator cavity was added

(2)網(wǎng)格的劃分

聲學(xué)網(wǎng)格尺寸需滿(mǎn)足式(3)：

式(3)中：l為網(wǎng)格尺寸，mm；λmin為計(jì)算頻率最短波長(zhǎng)，m；c為當(dāng)?shù)芈曀?，?40 m/s；fmax為最大的計(jì)算頻率，Hz，此處取1000 Hz。

通過(guò)式(3)進(jìn)行計(jì)算，可得出最大的網(wǎng)格劃分長(zhǎng)度為56 mm，考慮到計(jì)算機(jī)的計(jì)算負(fù)荷和運(yùn)行速度，網(wǎng)格尺寸也不宜太小，最終，本文的聲學(xué)網(wǎng)格長(zhǎng)度取16 mm，劃分網(wǎng)格后，得到如圖5所示的聲學(xué)仿真模型。

(3)邊界條件的設(shè)置

對(duì)于進(jìn)氣管的兩端，發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)定義為輸入端，大氣側(cè)定義為輸出端。聲音在空氣中進(jìn)行傳播，其速度定義為340 m/s，空氣密度定義為1.225 kg/m3。

輸入端(進(jìn)氣口)設(shè)置單位振動(dòng)速度邊界條件，采用實(shí)體網(wǎng)格進(jìn)行模擬，由于壁面采取剛性邊界條件，到達(dá)輸出端后，聲音會(huì)全部反射，所以將輸出端定義為無(wú)反射聲壓(全吸聲)邊界條件。吸聲屬性一般可以通過(guò)聲阻抗來(lái)定義，當(dāng)聲阻抗為416.5 kg/(m2·s)時(shí)就為全吸聲的邊界。

2.3.2 優(yōu)化前后的進(jìn)氣管聲學(xué)性能模擬結(jié)果分析

在噪聲貢獻(xiàn)頻率下，優(yōu)化前后進(jìn)氣管的聲壓云圖如圖6所示。由圖6可知，進(jìn)氣管加裝諧振腔后，整體聲壓水平明顯降低，在4個(gè)不同的噪聲貢獻(xiàn)頻率下，進(jìn)氣口的聲壓均得到了不同程度的降低。此外，對(duì)于優(yōu)化后的進(jìn)氣管，噪聲的頻率越高，聲壓越低。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，諧振腔內(nèi)部空氣振動(dòng)，當(dāng)其頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率相同時(shí)就會(huì)引發(fā)共振，聲能量在管道內(nèi)不斷反射，最終會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能而被消耗，因此，諧振腔內(nèi)部的聲壓就會(huì)比其他部分的聲壓稍大，圖3中的諧振腔1 就出現(xiàn)了這種情況，聲壓云圖如圖6所示。

圖6 噪聲貢獻(xiàn)頻率下優(yōu)化前后進(jìn)氣管的聲壓云圖Fig.6 Sound pressure nephogram of inlet pipe before and after optimization under noise contribution frequency

圖7為優(yōu)化前后進(jìn)氣管聲壓級(jí)頻率響應(yīng)函數(shù)曲線(xiàn)圖。聲波在傳遞過(guò)程中分為兩個(gè)部分：透射部分和反射部分。反射使得聲壓產(chǎn)生衰減，模擬時(shí)，輸出端定義為全吸聲邊界條件，因此，聲音到達(dá)輸出端時(shí)，只計(jì)算了透射部分的聲波，其總體低于傳遞開(kāi)始時(shí)的聲波聲壓級(jí)，所以，輸出端的頻率響應(yīng)函數(shù)曲線(xiàn)應(yīng)該在輸入端的下方，如圖7所示。此外，在不大于700 Hz 的噪聲頻率下，加裝諧振腔進(jìn)行優(yōu)化的進(jìn)氣管具有更小的出口聲壓級(jí)。

圖7 進(jìn)氣管聲壓級(jí)頻率響應(yīng)函數(shù)曲線(xiàn)對(duì)比圖Fig.7 Comparison diagram of inlet pipe sound pressure level frequency response function curve

優(yōu)化前后進(jìn)氣管的傳遞損失對(duì)比如圖8所示。由圖8可得：在125 Hz、180 Hz、465 Hz、640 Hz 這4 個(gè)噪聲頻率下，未加裝諧振腔的進(jìn)氣管傳遞損失較小。該模擬計(jì)算所得噪聲貢獻(xiàn)頻率與前文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，這表明該模擬具有可行性。進(jìn)氣管在加裝諧振腔后，在4 個(gè)噪聲貢獻(xiàn)頻率下，傳遞損失均有效增加，分別達(dá)到了19.79 dB、22.91 dB、18.06 dB和43.62 dB。從圖8還可以看出，設(shè)計(jì)的諧振腔不僅僅對(duì)于上述4 個(gè)頻率有效，在100～695 Hz 之間，傳遞損失都有不同程度的增加，這也充分說(shuō)明利用所設(shè)計(jì)的諧振腔來(lái)降低這類(lèi)低頻噪聲非常有效。當(dāng)然，由圖8也可以看出，在高頻噪聲部分，諧振腔未能達(dá)到增加傳遞損失的效果，但是由于本文研究的輕卡發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲主要貢獻(xiàn)頻率為125 Hz、180 Hz、465 Hz、640 Hz，所以，設(shè)計(jì)的諧振腔能夠達(dá)到很好的降噪效果。

圖8 進(jìn)氣管的傳遞損失曲線(xiàn)圖Fig.8 Diagram of transfer loss of intake pipe

2.4 優(yōu)化后的進(jìn)氣管噪聲實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

優(yōu)化后的進(jìn)氣管噪聲實(shí)驗(yàn)步驟與之前實(shí)驗(yàn)一致，也分為怠速工況和加速工況兩種情況進(jìn)行，圖9為優(yōu)化后的進(jìn)氣管進(jìn)氣口噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖9 優(yōu)化后進(jìn)氣管進(jìn)氣口的噪聲測(cè)試圖Fig.9 Noise test diagram of the intake port of the optimized intake pipe

圖10為怠速工況下進(jìn)氣口測(cè)點(diǎn)的噪聲值曲線(xiàn)。在怠速工況下，空調(diào)處于關(guān)閉狀態(tài)(AC-off)、開(kāi)啟1檔(AC-on 1)、開(kāi)啟2 檔(AC-on 2)三種狀態(tài)時(shí)，進(jìn)氣口的噪聲值總值分別為52.08 dB、61.38 dB 和61.44 dB，均滿(mǎn)足噪聲限值要求。對(duì)比原始進(jìn)氣管的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：增加諧振腔后，噪聲總值在3 種狀態(tài)下降幅分別達(dá)到了5.02 dB、5.31 dB、4.07 dB，降噪效果明顯。

圖11為加速工況下進(jìn)氣口測(cè)點(diǎn)的噪聲值曲線(xiàn)。由圖11可得出：發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在不高于5500 r/min時(shí)，階次噪聲與噪聲總值均低于聲壓值限值，滿(mǎn)足要求。對(duì)照原始進(jìn)氣管的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，增加諧振腔后能達(dá)到降噪的作用。

圖10 怠速工況下，空調(diào)開(kāi)閉時(shí)進(jìn)氣口測(cè)點(diǎn)的噪聲曲線(xiàn)Fig.10 The noise curve of the air inlet measuring point when the air conditioner is on and offat idle speed

圖11 加速工況下，進(jìn)氣口測(cè)點(diǎn)的噪聲總值及階次噪聲曲線(xiàn)Fig.11 The total noise value and order noise curve of the intake point under acceleration condition

3 結(jié)論

本文首先進(jìn)行所需研究輕卡的進(jìn)氣口噪聲實(shí)驗(yàn)，依據(jù)測(cè)試結(jié)果，計(jì)算得出噪聲的主要貢獻(xiàn)頻率，之后設(shè)計(jì)消聲器(諧振腔)；通過(guò)LMS Virtual.Lab專(zhuān)業(yè)聲學(xué)分析軟件對(duì)加裝諧振腔前后的進(jìn)氣管聲學(xué)性能進(jìn)行模擬計(jì)算，最后進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合分析出所設(shè)計(jì)的諧振腔降噪效果。所得主要研究結(jié)論如下：

(1)對(duì)于未加裝諧振腔的進(jìn)氣管：怠速工況下，進(jìn)氣口噪聲總值滿(mǎn)足要求；加速工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2125 r/min 時(shí)，進(jìn)氣口噪聲總值超標(biāo)；在其他轉(zhuǎn)速時(shí)，2、6、8 階噪聲均在某一轉(zhuǎn)速條件下有超出限值的部分。

(2)進(jìn)氣管進(jìn)氣口的噪聲主要貢獻(xiàn)頻率分別為125 Hz、180 Hz、465 Hz和640 Hz。

(3)添加諧振腔能有效降低進(jìn)氣管進(jìn)氣口的聲壓級(jí)，對(duì)于100～695 Hz 頻率之間的噪聲，傳遞損失都有不同程度的增加。

(4)添加諧振腔后：在怠速工況下，可將進(jìn)氣口噪聲總值下降5 dB 左右；在加速工況下，進(jìn)氣口階次噪聲及噪聲總值均可控制在限定值的標(biāo)準(zhǔn)以?xún)?nèi)。

(5)本文所設(shè)計(jì)的諧振腔，具有顯著的降噪效果。