某SUV進(jìn)氣系統(tǒng)聲模態(tài)的優(yōu)化

羅恩志 石巖 朱立鋒 耿鵬飛 卜仁杰

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

目前，汽車NVH性能已普遍被大家所重視，越來越多用戶購車時會參考汽車NVH性能，車企已將NVH性能當(dāng)成賣點(diǎn)。引起車內(nèi)低頻轟鳴的系統(tǒng)包括排氣系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、懸置系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)等；進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲是引起車內(nèi)低頻轟鳴問題的主要噪聲源之一。在工程應(yīng)用上，重慶大學(xué)車輛工程研究所發(fā)明了一種赫爾姆茲多腔并聯(lián)旁支共振式進(jìn)氣消聲器，并將其應(yīng)用于實(shí)車進(jìn)行了車外加速噪聲試驗，消聲效果顯著[1]，一汽海馬汽車結(jié)合國產(chǎn)某轎車研究進(jìn)氣系統(tǒng)各部件的消聲性能，同時通過試驗得出車內(nèi)噪聲特征，繼而對赫爾姆茲諧振腔加以合理優(yōu)化，使加速行駛車內(nèi)噪聲變化平緩，提高車內(nèi)聲音品質(zhì)[2]?，F(xiàn)階段，在研究進(jìn)氣聲模態(tài)方面，某公司針對汽車進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲對整車NVH性能有較大影響的問題，通過與理論解的對比驗證直管聲學(xué)模態(tài)的仿真方法和試驗方法的可行性，同時基于進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)模態(tài)與試驗相互驗證的一致性，提出在無物理樣機(jī)的開發(fā)前期通過CAE手段確定其聲學(xué)模態(tài)參數(shù)是可行的[3]。文章針對某SUV車型低頻轟鳴問題，基于理論及仿真對進(jìn)氣系統(tǒng)聲模態(tài)進(jìn)行研究，從改變進(jìn)氣系統(tǒng)聲模態(tài)思路出發(fā)，解決了車內(nèi)轟鳴問題。

1 問題描述

該SUV在3擋全油門加速時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在2 500 r/min左右車內(nèi)存在轟鳴，車內(nèi)前排乘客存在輕微轟鳴且主觀感覺可接受，后排能感覺到明顯的轟鳴聲，不可以接受。車內(nèi)后排左耳階次噪聲，如圖1所示。

圖1 車內(nèi)后排左耳階次噪聲曲線圖

從圖1可知，轟鳴產(chǎn)生的主要貢獻(xiàn)為發(fā)動機(jī)2階噪聲。經(jīng)過車內(nèi)數(shù)據(jù)與進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)等相關(guān)數(shù)據(jù)對比，得知與進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲關(guān)系較大，車內(nèi)后排2階噪聲與進(jìn)氣口2階噪聲對比，如圖2所示，初步判斷車內(nèi)轟鳴問題是由進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲引起。

圖2 汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)階次噪聲對比圖

2 原因排查

進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲引起車內(nèi)轟鳴的原因有多種，主要原因：1）進(jìn)氣口噪聲輻射到車內(nèi)，引起轟鳴；2）激勵與之相連的車身壁板，通過車身傳遞到車內(nèi)，引起車內(nèi)轟鳴。

為明確車內(nèi)轟鳴聲是否由進(jìn)氣系統(tǒng)引起，采用接大空濾器方法屏蔽進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲，進(jìn)氣管口接大空濾器后，發(fā)現(xiàn)車內(nèi)轟鳴聲消失了，由此可以確定轟鳴聲是由進(jìn)氣系統(tǒng)引起。屏蔽進(jìn)氣系統(tǒng)后，后排2階噪聲對比，如圖3所示。

圖3 屏蔽汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)后后排2階噪聲對比圖

根據(jù)轟鳴聲產(chǎn)生的機(jī)理，首先確認(rèn)該車型聲腔模態(tài)的頻率是否與轟鳴聲問題頻率一致；其次由于該車型與基礎(chǔ)車搭載同一動力總成，進(jìn)氣系統(tǒng)直接平臺化，基礎(chǔ)車此轉(zhuǎn)速段無轟鳴問題，對比兩車型進(jìn)氣口2階噪聲值；最后確認(rèn)該車型進(jìn)氣系統(tǒng)聲模態(tài)是否與聲腔模態(tài)頻率一致，激起車內(nèi)轟鳴。

兩車型進(jìn)氣口2階噪聲、車內(nèi)后排2階噪聲、車內(nèi)聲腔模態(tài)及進(jìn)氣聲模態(tài)對比結(jié)果，如表1所示。具體排查情況見2.1和2.2小節(jié)。

表1 車內(nèi)轟鳴問題排查表

從表1對比結(jié)果可知，該車型問題轉(zhuǎn)速段頻率和聲腔模態(tài)頻率一致，可以判斷此轟鳴確實(shí)由聲腔模態(tài)與問題頻率耦合引起車內(nèi)轟鳴；2 500 r/min時兩款車進(jìn)氣口2階噪聲值基本相同（107 dB），基礎(chǔ)車聲腔模態(tài)與進(jìn)氣2階聲模態(tài)相差4 Hz，而問題車進(jìn)氣2階聲模態(tài)頻率和聲腔模態(tài)相近，初步判斷此問題由進(jìn)氣系統(tǒng)存在84.3 Hz聲模態(tài)與車內(nèi)83.1 Hz聲腔模態(tài)（圖4）耦合引起車內(nèi)低頻轟鳴。

圖4 汽車內(nèi)空腔模態(tài)綜合頻響函數(shù)曲線圖

2.1 聲腔模態(tài)試驗

當(dāng)車內(nèi)聲腔受到該頻率的振動或者聲源激勵，就會產(chǎn)生聲學(xué)共鳴，使得聲壓放大，因此需確定整車狀態(tài)下的聲腔模態(tài)，排查車內(nèi)產(chǎn)生轟鳴的原因。

保證待測汽車車廂內(nèi)所有部件完整，無零部件或內(nèi)飾件缺失，車門密封良好。將汽車放在半消聲室內(nèi)地面上，隔離振源；并將低頻體積聲源放置于副駕駛位置作為激勵點(diǎn)，依據(jù)車內(nèi)座椅及空間總布置情況，在車內(nèi)空間均勻布置傳聲器作為響應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行測試。聲腔頻響函數(shù)曲線，如圖4所示，可以看出整車在83.1 Hz存在聲腔模態(tài)頻率。聲腔模態(tài)響應(yīng)點(diǎn)幾何模型，如圖5所示。

圖5 汽車聲腔模態(tài)響應(yīng)點(diǎn)幾何模型圖

2.2 進(jìn)氣系統(tǒng)聲模態(tài)分析

聲模態(tài)與振動模態(tài)相似，表達(dá)這個聲空間在特征頻率下的聲壓分布，反應(yīng)了這個空間氣體對這個頻率的敏感程度。聲模態(tài)是一個空間氣體的固有特性，每一階模態(tài)都具有固定的頻率[4]。

文章利用聲學(xué)分析軟件LMS Virtual.Lab對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行聲模態(tài)分析，邊界條件為一端開口，一端閉口管道聲學(xué)模態(tài)[5]，如圖6所示。進(jìn)氣系統(tǒng)聲腔模型，如圖7所示。

圖6 發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)一端開口一端封閉管道結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲腔模型圖

一端開口，一端封閉管道的固有頻率[6]：

式中：C——聲速，m/s；

n——模態(tài)階次；

L'——修正后的管道長度，mm；

L——實(shí)際管道長度，mm；

ΔL——等效延長管長度，ΔL=0.6r，mm；

r——管道半徑，mm。

其后導(dǎo)管長度約1 000 mm，直徑為變徑，按平均直徑61 mm進(jìn)行理論計算，由式（2）可以得到：

L'=L+ΔL=1 000+0.6×30.5=1 018.3 mm

將n=1代入式（1），取C=343 m/s，可得該進(jìn)氣系統(tǒng)后導(dǎo)管1階模態(tài)的理論結(jié)果為：f1=84.2 Hz。

在LMSVirtual.Lab聲學(xué)有限元模塊中，進(jìn)氣口端與大氣直接相連，視為開口處理，定義其邊界條件Acoustic Pressure為0，分析進(jìn)氣系統(tǒng)的聲模態(tài)。后導(dǎo)管1階聲模態(tài)84.3 Hz聲壓云圖，如圖8所示。

圖8 發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)后導(dǎo)管1階聲模態(tài)（84.3 Hz）聲壓云圖

圖8中，藍(lán)色部分為該階聲模態(tài)的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)上聲壓變化量最小，紅色為反節(jié)點(diǎn)，聲壓變化量最大。其中后導(dǎo)管第1階聲模態(tài)頻率為84.3 Hz，與理論值結(jié)果相吻合，當(dāng)其與整車聲腔模態(tài)83.1 Hz耦合時，會使聲壓放大，產(chǎn)生極其厭惡的轟鳴聲。

3 優(yōu)化方案制定及驗證

3.1 改變進(jìn)氣系統(tǒng)聲模態(tài)

為驗證是否為進(jìn)氣系統(tǒng)聲模態(tài)激勵引起車內(nèi)轟鳴問題，將進(jìn)氣后導(dǎo)管長度加長，改變進(jìn)氣系統(tǒng)聲模態(tài)，同時需考慮滿足進(jìn)氣背壓要求，制定在空氣濾清器上殼體加100 mm長插入管方案，如圖9所示。

圖9 空氣濾清器的殼體內(nèi)插100 mm長管模型圖

利用聲學(xué)分析軟件Virtual.Lab對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行聲模態(tài)分析，得出后導(dǎo)管加長后的進(jìn)氣聲模態(tài)結(jié)果為77.4 Hz，避開了車身聲腔模態(tài)83.1 Hz。加長后聲模態(tài)77.4 Hz聲壓云圖，如圖10所示。

圖10 發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)后導(dǎo)管加長后聲模態(tài)（77.4 Hz）聲壓云圖

3.2 方案驗證

在空氣濾清器的上殼體加100 mm長插入管后進(jìn)行實(shí)車驗證，實(shí)車驗證方案，如圖11所示。

圖11 空氣濾清器上殼體加插入管方案實(shí)車驗證圖

測試結(jié)果：在問題轉(zhuǎn)速（2 500 r/min）附近，進(jìn)氣口2階噪聲降低約6 dB，車內(nèi)后排乘客左耳2階噪聲聲壓級最大降低5 dB，且主觀感覺低頻轟鳴問題消失。進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化前后進(jìn)氣口及車內(nèi)后排階次噪聲對比，如圖12所示。

圖12 發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化前后階次噪聲對比圖

4 結(jié)論

文章從改變進(jìn)氣系統(tǒng)聲模態(tài)的思路出發(fā)，通過采取空濾上殼體加插入管的方案，成功地解決了車內(nèi)后排轟鳴問題，驗證此轟鳴問題產(chǎn)生的原因是由進(jìn)氣系統(tǒng)聲模態(tài)與車內(nèi)聲腔模態(tài)頻率耦合所致；同時證明了基于理論及應(yīng)用CAE手段確定進(jìn)氣聲模態(tài)來排查和解決問題是可行的。