發(fā)動機側(cè)置進氣口脈動噪聲分析與改進

于文尚，張培賢，張 春，錢亞男，劉鑫明，楊彥三

（中通客車控股股份有限公司，山東聊城 252000）

發(fā)動機側(cè)置進氣口脈動噪聲分析與改進

于文尚，張培賢，張 春，錢亞男，劉鑫明，楊彥三

（中通客車控股股份有限公司，山東聊城 252000）

采集、分析、研究一款7 m高端中型客車側(cè)置進氣口附近的脈動噪聲，通過加裝擴張式消音器和1/4波長管的方案，有效地降低發(fā)動機側(cè)進氣口處的脈動噪聲。

7 m中型客車；側(cè)置進氣口；脈動噪聲；譜分析

隨著人們生活水平的提高，汽車作為一種交通工具日益普及和增長，汽車噪聲所造成的環(huán)境污染也日益嚴重。因此研究并降低汽車噪聲所帶來的危害成為一項亟待解決的課題[1]。我司客車發(fā)動機原來常用頂置空濾器進氣口，后來大量改成了側(cè)置進氣口，這樣可以降低發(fā)動機進氣阻力，但是也帶來了不良影響：進氣噪聲會從進氣口輻射出來，人們從車外經(jīng)過時能聽到明顯的“突突突”的類似于摩托車排氣的聲音，而頂置進氣口位置較高，人們很難聽到。因此，選取我司某一7 m高端中型客車，通過增加擴張式消音器和1/4波長管的方案，解決發(fā)動機側(cè)置進氣口的噪聲問題，提升產(chǎn)品競爭力。

1 確定降噪方案

發(fā)動機進氣系統(tǒng)噪聲從總體上可以分為空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲兩種[2-3]，而空氣噪聲又包括脈動噪聲和流體噪聲。通過分析發(fā)現(xiàn)發(fā)動機側(cè)進氣口的噪聲主要是脈動噪聲。

發(fā)動機進氣系統(tǒng)可以看成是由一些管道和聲學原件組成的系統(tǒng)[4]。消音元件包括擴張式消音器、赫爾姆茲消音器、1/4波長管等。在進氣系統(tǒng)中，擴張式消音器同時也起到空氣過濾器的作用。這些元件將允許一些頻率的聲波通過，同時也阻止了另一些頻率的聲波傳遞，這樣就起到了消音的效果。我們通過研究，設計擴張式消音器和1/4波長管來降噪，提高整車的舒適性。

1.1 擴張式消音器

擴張式消音器是由一個中間主腔和兩邊與之相連接的管道組成[5]，如圖1所示：進氣管道的截面積S1和出氣管道的截面積S3比中間擴張腔室的截面積S2要小些。由于截面積的變化，聲阻抗就變化，因此擴張消音器是一種抗性消音器。中間的主腔作為擴張腔，入射波到達擴張腔后，一部分能量被反射回進氣管，從而消耗聲能，實現(xiàn)降噪的功能。

圖1 擴張式消音器示意圖

在該模型當中，擴張管道兩邊的進氣管和出氣管的截面積通常是相同的，即S1=S3。從而，擴張式消音器的傳遞損失為：

其中：m=S2/S1，稱為擴張比。對于該擴張式消音器來說，m=D2/d2，其中，D和d分別是擴張腔和其后管道的直徑。

從式（1）可知，擴張式消音器的傳遞損失取決于擴張比和擴張腔室的長度[6]。傳遞損失隨著擴張比的增大而增加[7]。因此，提高傳遞損失可以通過增加擴張式消音器的截面積S2、減小管道的截面積S1來實現(xiàn)。

當擴張式消音器長度L變化時，傳遞損失的幅值不變。所以當擴張比固定了，傳遞損失的最大值也就固定了。

1.2 1/4波長管

1/4波長管（即圖2中旁支管）是安裝在主管道上的一個封閉的管子，如圖2所示。當聲波從主管道進入旁支管后，聲波被封閉端反射回到主管，某些頻率的聲波與主管中同樣頻率的聲波由于相位相反而相互抵消，從而達到消音目的[8]。1/4波長管一般和擴張式消音器串聯(lián)在進氣管路中使用。

圖2 封閉的1/4波長管

這個旁支管的傳遞損失為：

式中：L是1/4波長管的長度，而m是主管截面積S4與波長管截面積 S5的比值。在式（2）中，當 2πL/λ=（2n-1）π/2（n=1，2，3，...）時，傳遞損失達到最大。這時旁支管的長度為：

當n=1時，旁支管的長度為L=λ/4，這就是1/4波長管名字的來源。

2 降噪方案的實施及效果

2.1 1/4波長管的設計

首先進行噪聲樣本的采集。選取7 m高端中型客車作為研究對象，整車匹配玉柴國五發(fā)動機。將整車停放于安靜、空曠的試驗廠地，啟動發(fā)動機，在發(fā)動機的進氣口附近用噪聲儀采集噪聲樣本，將采集的噪聲樣本進行如下頻譜分析。

圖3中存在兩個頻率的顏色較深的波形，通過分析得，此兩段波形分別對應著空氣壓縮機和發(fā)動機的進氣脈動噪聲[9]。由圖3分別得到其中心頻率為390Hz和280 Hz，分別計算出1/4波長管的長度：

其中：c=340 m/s，為聲速。

圖3 噪聲樣本頻譜圖

根據(jù)鋼管廠家鋼管規(guī)格及整車空間要求，選擇1/4波長管的主管道和旁支管的直徑為25 mm，主管道的長度根據(jù)進氣系統(tǒng)布置空間來定，1/4波長管圖紙如圖4所示。

圖4 1/4波長管設計圖紙

2.2 擴張式消音器的設計

由上文得知，可以通過增大擴張比來提高擴張式消音器的消音效果。根據(jù)空氣壓縮機的進口尺寸，把消音器的進氣和出氣口直徑確定為25 mm，根據(jù)整車的空間把消音器擴張腔的直徑確定為89 mm。此時擴張式消音器的擴張比m為12.7，擴張式消音器的長度L對傳遞損失的幅值沒有影響，選取其長度L為200 mm[10-12]。

2.3 方案制定并實施

將以上兩種降噪方法應用于上述我司的7 m高端中型客車，同樣將樣車停放在安靜、空曠的試驗場地，針對兩種降噪方法，我們制定了3種試驗方案進行驗證，分別為：只安裝1/4波長管；只安裝擴張式消音器；同時安裝1/4波長管和擴張式消音器。

我們根據(jù)聲音傳遞的特點，分別選取4個測試點進行測試，4個測試點的位置如圖5所示。

圖5 4個測試點的位置示意圖

2.4 方案效果評價

利用噪聲儀分別對3個方案中4個測試點進行噪聲值的測試、記錄。測試結(jié)果如表1所示。

表1 降噪方案噪聲測試結(jié)果 dB（A）

選取測試點4，通過對加裝擴張式消音器前后的頻譜圖進行分析，如圖6所示。

圖6 測試點4噪聲幅值和頻率的關(guān)系

圖6中兩條曲線分別為測試點4原始狀態(tài)和安裝擴張式消音器后各個頻率所對應的最大的噪聲值。由圖可以發(fā)現(xiàn)，通過增加擴張式消音器，在某些頻率下的噪聲值明顯降低。即通過降低某些頻率下的最大噪聲值，來實現(xiàn)降噪的目的。

3 總 結(jié)

從3種方案的測試結(jié)果來看，測試點1和測試點2，使用消音器的降噪效果好一些，而測試點3和測試點4，3種方案的降噪效果非常接近。因此，從安裝的方便性、美觀性及通用性的角度考慮，選取擴張式消音器作為降低發(fā)動機側(cè)進氣口脈動噪聲以及后續(xù)繼續(xù)研究和推廣的降噪方案。

[1]辛海升，付新挺，岳海軍，等.汽車發(fā)動機空氣動力噪聲及控制技術(shù)的研究[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學學報（自然科學版），2005，26（1）：49-52.

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[3]邵毅明，王文興.汽車車內(nèi)噪聲分析及控制技術(shù)的發(fā)展[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2001，20（s1）：91-94.

[4]陳迎春.汽車發(fā)動機噪聲測試及心理評價系統(tǒng)研究[D].沈陽：遼寧工學院，2007.

[5]吳志明.車輛噪聲與振動測試系統(tǒng)研究[D].秦皇島：燕山大學，2011.

[8]李梅林，謝惠民.車用發(fā)動機噪聲測試研究[J].湖南大學學報（自然科學版），2004，31（3）：35-38.

[9]肖文兵.內(nèi)燃機噪聲控制技術(shù)[J].內(nèi)燃機，2004（3）：24-27.

[10]楊文亮,翁建生.某車型進氣系統(tǒng)降噪改進[J].公路與汽運,2012（1）：6-8.

[11]張振良.發(fā)動機進氣消聲器研究[D].重慶：重慶大學，2003.

[12]劉曉晴，袁家駿.客車新型降噪消聲器的研制[J].客車技術(shù)與研究，2002，24（6）：15-17.

Research and Improvement on Pulse Noise of Engine Side Inlet

Yu Wenshang,ZhangPeixian,ZhangChun,Qian Yanan,Liu Xinming,YangYansan
（ZhongtongBus HoldingCo.，Ltd，Liaocheng252000，China）

The authors collect，analyze and research the pulse noise near the engine side inlet of a 7 m high-class medium bus.By installing expansion type silencer and 1/4 wave length tube，they effectively reduce the pulse noise near the engine side inlet.

7 mmediumbus;side inlet;pulse noise;spectrumanalysis

U464；U467.4+93

B

1006-3331（2017）06-0019-03

于文尚（1991-），男，工程師；主要從事客車動力系統(tǒng)的匹配與設計以及NVH相關(guān)工作。

修改稿日期：2017-09-11