某柴油車加速異常噪聲的分析與改進

韋善景，黃 鷹，梅 夏

某柴油車加速異常噪聲的分析與改進

韋善景，黃 鷹，梅 夏

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545005）

為解決某柴油車加速異常噪聲問題，對該柴油車進行噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）試驗測試。通過頻譜分析發(fā)現(xiàn)加速異常噪聲主要表現(xiàn)為2 500 Hz、5 000 Hz附近的寬頻噪聲；通過分析相關零部件的振動頻率特征，得到異常噪聲主要通過中冷系統(tǒng)的管路傳播。在左側(cè)中冷管增加多腔穿孔型寬頻消聲器，并通過主觀評價與客觀測試驗證。試驗對比顯示，優(yōu)化改進后，2 500 Hz、5 000 Hz寬頻段噪聲分別降低了5 dB(A)、10 dB(A)，異常噪聲消除。結果表明，優(yōu)化消音元件結構參數(shù)，改變消音孔穿孔率，可以改善車輛的噪聲結果。

柴油車；異常噪聲；頻譜分析；消音元件

噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）對汽車的駕駛體驗，零部件的壽命有著非常重要的影響，噪聲源于振動，振動能夠引起部件的早期疲勞破壞，從而降低汽車的使用壽命[1]；提高汽車噪聲振動性能，改善車內(nèi)噪聲環(huán)境成為每一個汽車制造商重要工作[2]。在NVH理論看來，車輛系統(tǒng)是一種由激發(fā)源、熱傳導裝置和反饋器構成的控制系統(tǒng)[3]。目前市場很多汽車設計中對NVH的提升方法大多采用的是隔斷噪聲源和駕駛室之間的噪聲輻射，這種做法對汽車NVH的改善有一定效果，然而卻需要更大成本。本文通過尋找振動和噪聲源的方式，從源頭優(yōu)化零部件的結構特性，改善汽車NVH，用最小的代價實現(xiàn)最大效益，提升整車駕駛性能。

本文以解決某柴油車加速異常噪聲為例，發(fā)動機參數(shù)如表1所示。通過對駕駛艙噪聲進行頻譜分析[4]，利用噪聲信號的頻譜特征，對噪聲源或傳遞路徑進行有效排查，發(fā)現(xiàn)了加速異常噪聲主要通過中冷系統(tǒng)管路傳播，在左側(cè)中冷管路上增加消聲器并取得良好效果。

表1 發(fā)動機基本參數(shù)

1 異常噪聲問題描述

在汽車行駛過程中發(fā)現(xiàn)：當3擋、4擋加速過程時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1 700 r/min～2 000 r/min區(qū)間車內(nèi)有明顯的“唰唰”聲，但關閉廢棄再循環(huán)系統(tǒng)（Exhaust Gas Re-circulation, EGR）閥時“唰唰”聲大幅減小。該“唰唰”聲嚴重影響駕乘人員的乘坐舒適性，令人難以接受。

2 試驗分析

2.1 試驗條件

在發(fā)動機熱機情況下，擋位選擇4擋（3、4擋任選）。按照選定的擋位在轉(zhuǎn)鼓臺架上，數(shù)據(jù)采集開始要求從怠速工況下，汽車全油門勻速行駛時進行，接著加速至車內(nèi)“唰唰”聲出現(xiàn)并消失，停止采集。然后關閉EGR，在同樣的加速工況下進行數(shù)據(jù)采集。注意的是在測試過程中不得改變變速器擋位。

2.2 問題確認

由駕駛員右耳噪聲聲壓級曲線對比（圖1）得出，EGR關閉后在噪聲峰在1 700 r/min～2 000 r/min區(qū)間大幅減小，這和我們主觀評價相吻合。由圖2駕駛員右耳噪聲頻譜圖結果，從數(shù)據(jù)上得出EGR關閉后，2 500 Hz、5 000 Hz的附近頻段的噪聲幅值有所減小。因此表明，該加速異常噪聲主要表現(xiàn)為2 500 Hz、5 000 Hz的寬頻段噪聲。

2.3 問題分析

為了初步確定激勵源或傳遞路徑，對整車進行了全面的摸底試驗。在空濾殼體、增壓器殼體、EGR閥殼體、變速器前后端及中部、中冷器殼體、發(fā)動機懸置主動及被動側(cè)、油底殼等相關零部件布置三向加速度傳感器采集振動數(shù)據(jù)，在空濾進氣口、增壓器附近布置麥克風采集噪聲數(shù)據(jù)。通過對測試結果進行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)中冷器殼體振動的頻率特征與右耳噪聲有2 500 Hz、5 000 Hz頻段的對應關系（見圖3），其余零部件的振動噪聲數(shù)據(jù)均無頻段對應關系。因此，初步懷疑該加速異常噪聲與中冷器有一定的關系。

圖1 駕駛員右耳噪聲聲壓級曲線

圖2 駕駛員右耳噪聲頻譜圖

為了進一步驗證該加速異常噪聲與中冷器有關，針對整個中冷管路系統(tǒng)關鍵位置布置了三向加速度傳感器（見圖4），進行了大量的振動加速度測試。

圖4 中冷管路系統(tǒng)傳感器布置示意圖

圖5 中冷器左端三個方向振動頻譜圖

通過分析測試數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，左側(cè)中冷管位置處三個方向的振動頻率特征與右耳噪聲頻率 （2 500 Hz、5 000 Hz頻段）存在對應關系，中冷器左端及右端時該對應關系最為明顯（見圖5、圖6），而到右側(cè)中冷管時該對應關系有所減弱，僅在方向上存在對應關系。因此可以說明，該加速異常高寬頻噪聲來源于增壓器，傳播路徑為左側(cè)中冷管→中冷器左端→中冷器右端→右側(cè)中冷管，其中經(jīng)過中冷器的“迷宮式”結構時被強化，從而聽到“唰唰”的聲音。

圖6 中冷器右端三個方向振動頻譜圖

3 改進及驗證

3.1 改進方案

渦輪增壓器通過廢氣推動渦輪旋轉(zhuǎn)，在高溫高壓的條件下從渦殼側(cè)向切入來驅(qū)動渦輪高速轉(zhuǎn)動，所以產(chǎn)生高頻，寬頻的噪聲成分。渦輪機流場不均勻是產(chǎn)生噪聲的關鍵因素[5]。通過前面的分析可知，加速異常噪聲屬于高寬頻段噪聲，來源于增壓器，通過中冷系統(tǒng)管路傳播。要想從渦輪增壓器的零部件本身去改進，從而在源頭上消除該異常噪聲，顯然難度很大，因此只能從傳遞路徑上入手。為此，在左側(cè)中冷管內(nèi)針對2 500 Hz、5 000 Hz的寬頻段噪聲設計多腔穿孔型寬頻消聲器，以達到消除高頻噪聲的目的。

3.1.1消聲器的初步設計

消聲器是一種能夠允許氣流通過，卻又能阻止或減小聲音傳播的器件[6]。消聲器最常見的有三種：阻性、抗性和復合式。阻性消聲器利用多孔消音材料將管道傳播的噪聲進行減弱。一般對高頻噪聲的消音效果比較好，而且頻段較寬。消聲量計算公式為

式中，Δ為消聲器的消音量，dB；為氣流通道斷面周長，m；為氣流通道橫截面積，m2；為消聲器的有效長度，m；(α0)為消聲系數(shù)。

抗性消音器是利用聲學中的阻抗發(fā)生變化進行消音，它對中低頻的噪聲效果比較明顯。通常在一根管子上開很多孔，與氣流連通形成共振系統(tǒng)，通過摩擦減小氣流能量，開孔容積率直接影響消聲效果。自振頻率公式為

式中，為聲速，m/s；為傳導率；為諧振腔容積，m3。

多腔穿孔型寬頻消聲器的主要結構參數(shù)包括：in為主管外徑；out為共振腔內(nèi)徑；h為小孔直徑；h為每腔小孔數(shù)目；小孔深度為w，mm；為共振腔數(shù)目；ci為環(huán)形腔寬度；t為環(huán)形葉片厚度[7]。

根據(jù)中冷管徑和安裝空間，結合主要的消聲頻率及消聲量，進而確定所需要的擴張腔、共振腔等消聲單元的基本參數(shù)[8]，按經(jīng)驗值初步確定多腔穿孔型寬頻消聲器的結構參數(shù)，如表2所示。

表2 多腔穿孔型消聲器的結構參數(shù)

阻抗復合型消聲器就是將阻性消音原理和抗性消音原理相結合?？梢愿鶕?jù)頻譜特性選擇不同結構組合的阻性和抗性消音器。

3.1.2消聲器的優(yōu)化

根據(jù)加速異常噪聲在EGR打開與關閉兩種狀態(tài)下的差值表現(xiàn)，確定了消聲器的消聲要求：消聲頻率2 000 Hz～3 000 Hz，消聲幅值5 dB；4 500 Hz～5 500 Hz，消聲幅值10 dB，為了設計出符合要求的消聲器，針對消聲頻率2 000 Hz～ 3 000 Hz，我們采用抗性消聲原理，通過調(diào)整開孔大小和開孔數(shù)目進行優(yōu)化，從而達到減小噪聲效果。針對于4 500 Hz～5 500 Hz噪聲的消聲手段，我們采用的是阻性原理，對噪聲傳遞過程進行消弱，最終得到一個組合式的消聲器進行裝車驗證。

3.2 效果驗證

為了驗證在中冷管路增加消聲器方案的有效性與可行性，制作出新樣件裝到同輛車上，進行主觀評價及客觀數(shù)據(jù)的測量，測量方法與之前一致，減小試驗條件帶來的測量誤差。

3.2.1主觀評價

通過主觀評價，消聲器樣件在3擋、4擋加速過程中，EGR不管打開或者是關閉，發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 700 r/min～2 000 r/min區(qū)間車內(nèi)異常噪聲“唰唰”聲均完全消失。駕乘員乘坐感覺舒適，車輛行駛時在其他發(fā)動機轉(zhuǎn)速下也未出現(xiàn)其他異常噪聲。

3.2.2客觀測量

在試驗室的轉(zhuǎn)鼓臺架上對柴油車（安裝優(yōu)化方案的消聲器）進行駕駛員右耳噪聲測試，結果如圖7所示，為了保證發(fā)動機不因為消音器的變更造成性能的波動，測試之前需要對發(fā)動機性能參數(shù)（進氣量、進氣壓力、功率扭矩模型等）采集。

由圖7可以看出，EGR開關時，駕駛員右耳噪聲頻譜圖表現(xiàn)一致。改進后2 500 Hz、5 000 Hz的寬頻噪聲幅值分別降低了5 dB(A)和10 dB(A)。校對發(fā)動機性能參數(shù)結果，發(fā)動機進氣量、進氣壓力、功率扭矩模型等性能參數(shù)均在正常范圍內(nèi)。

由以上的主觀感受和客觀測量可以得出，在左側(cè)中冷管增加消聲元件能有效降低該柴油車的加速異常噪聲。

圖7 EGR開關右耳噪聲頻譜圖

4 結論

對于解決噪聲問題，尋找噪聲源是關鍵，利用不同部件的振動頻率的差異性，通過儀器進行數(shù)據(jù)采集快速找到噪聲問題所在，并通過結構優(yōu)化和系統(tǒng)配合進行改善，可達到提升汽車NVH性能目的。柴油車的加速異常問題得到很好解決。結果表明：

（1）頻域性是噪聲信號的基本特征之一，通過頻譜分析確認噪聲來源，再通過優(yōu)化噪聲振動元件的結構特性，從而改善NVH作用。

（2）消聲元件是管道聲學常用的消除噪聲的方法之一，它可以降低某個頻率或某個頻段的噪聲。

（3）多腔穿孔型消聲器的孔的穿孔率對噪聲有重要影響，可以改善中低頻噪聲。

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Analysis and Improvement of Diesel Vehicle Rapidly Speeding-up Noise

WEI Shanjing, HUANG Ying, MEI Xia

( Saic-gm-wuling Automobile Company Limited, Liuzhou 545005, China )

To solve the abnormal acceleration noise of diesel vehicle, did the noise,vibration, harshness(NVH) test for the diesel vehicle. Through spectrum analysis found that the abnormal noise was the broadband noise of 2500Hz and 5000Hz. And analyzed the vibration frequency characteristics of related parts, found that the cooling system of the supercharger was the main propagation path. Optimized the cooling tube by adding a muffler, and obtain a great effect. The validation show that the broadband noise of 2500Hz and 5000Hz decrease respectively 5 dB(A) and 10 dB(A) and the abnormal noise remove. The result show that the noise will be improved by optimizing the structural parameters of silencer.

Diesel vehicle;Abnormal noise;Spectrum analysis;Silencer

U491.9+1

A

1671-7988(2023)03-112-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.021

韋善景（1989—），男，工程師，研究方向為混動總成結構仿真分析，E-mail:1364147941@qq.com。