某微型商用車進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲優(yōu)化

李 銳，劉淑玉，張玉巧

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0　前言

進(jìn)氣系統(tǒng)是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)空氣管理系統(tǒng)的重要組成部分，進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性。完整的進(jìn)氣系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管系統(tǒng)和空氣過濾系統(tǒng)兩部分組成，兩者在功能上相輔相成且聯(lián)系緊密，但是在整車模塊設(shè)計(jì)劃分上卻又相互獨(dú)立的，所以基于整車集成的角度而言，通常將空氣過濾系統(tǒng)稱為進(jìn)氣系統(tǒng)，本文中提到的進(jìn)氣系統(tǒng)指的是節(jié)流閥體之前部分，主要包括進(jìn)氣管、空氣濾清器、干凈空氣管及1/4波長(zhǎng)管、諧振腔等消音元件。常用進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　常用進(jìn)氣系統(tǒng)

進(jìn)氣系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括消聲性能和氣動(dòng)性能兩個(gè)方面。消聲性能采用傳遞損失、消聲量、插入損失進(jìn)行評(píng)價(jià)；氣動(dòng)性能采用壓力損失進(jìn)行評(píng)價(jià)[1]。進(jìn)氣系統(tǒng)中常用的消聲元件有擴(kuò)張消聲器、赫姆霍茲諧振腔、1/4波長(zhǎng)管等。本文結(jié)合進(jìn)氣消聲元件消聲作用和消聲原理，針對(duì)某款商用車存在的進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲問題提出合理的進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，并通過整車噪聲測(cè)試驗(yàn)證了方案成效。

1　進(jìn)氣聲源

進(jìn)氣門周期性開/閉引起進(jìn)氣管道內(nèi)空氣壓力波動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生進(jìn)氣噪聲。進(jìn)氣噪聲主要成分為進(jìn)氣脈動(dòng)噪聲、渦流噪聲、空氣柱共振噪聲[2]。

進(jìn)氣脈沖噪聲是由于進(jìn)氣門開啟時(shí)，空氣密度與壓力呈周期性變化所產(chǎn)生的周期性的噪聲。它是進(jìn)氣噪聲的主要構(gòu)成部分，主要頻率集中在200 Hz以下的低頻范圍，見圖2.

圖2　脈沖噪聲

渦流噪聲是由于高速氣流流經(jīng)障礙物時(shí)，氣流受阻在下游區(qū)域產(chǎn)生渦流，壓力脈動(dòng)大，從而輻射出噪聲，渦流噪聲主要是中高頻噪聲。

空氣柱共振噪聲是由于進(jìn)氣閥門關(guān)閉，進(jìn)氣管道形成一端開口的腔體結(jié)構(gòu)，當(dāng)振動(dòng)頻率與反射頻率相同，相位相同時(shí)，從而產(chǎn)生的共振噪聲。

2　常用消聲元件

擴(kuò)張消聲器由一個(gè)擴(kuò)張腔和兩端連接管組成，空氣濾清器就是典型的擴(kuò)張型消聲器。主要是利用界面突變引起聲波反射來消聲的；也可在腔體內(nèi)增加插入管，使入射聲波和界面反射的聲波相位相反從而達(dá)到消聲目的，消聲性能取決于擴(kuò)張腔的擴(kuò)張比和長(zhǎng)度。如圖3所示。

圖3　擴(kuò)張消聲器

赫姆霍茲諧振腔是在主管道上增加一個(gè)一定容積的共振腔，如圖4所示。主要是通過共振腔與主管道交界處聲阻抗發(fā)生變化，聲波通過時(shí)，經(jīng)過諧振腔空氣振動(dòng)抵消部分聲能量。影響諧振腔消聲帶寬的主要參數(shù)是諧振器的容積，頻率越低需要的消聲容積越大。

圖4　赫姆霍茲諧振腔

1/4波長(zhǎng)管是在主管道上增加一個(gè)一定長(zhǎng)度的管道，如圖5所示。主要是通過聲波反射回到主管，抵消由于相位相反頻率相同的噪聲。1/4波長(zhǎng)管的消聲量取決于與主管道連接的截面積，為了使波長(zhǎng)管有足夠的消聲帶寬，波長(zhǎng)管直徑必須大于主管道直徑的1/2.

圖5　1/4波長(zhǎng)管

3　某微型車噪聲優(yōu)化實(shí)例

本案例微車發(fā)動(dòng)機(jī)為中置發(fā)動(dòng)機(jī)，放置在駕駛員座椅下方，根據(jù)總布置要求，進(jìn)氣系統(tǒng)放置在副駛員座椅正下方，進(jìn)氣口布置在大梁外側(cè)。該進(jìn)氣系統(tǒng)由三部分組成：臟側(cè)進(jìn)氣管、空氣濾清器總成、干凈空氣管，初步設(shè)計(jì)的方案見圖6.設(shè)計(jì)初期進(jìn)氣系統(tǒng)不附帶消聲元件，主要通過空濾容積消聲。

圖6　進(jìn)氣系統(tǒng)

首先完成方案樣件制作后，整車進(jìn)入消聲室，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行包裹見圖7，在進(jìn)氣口100 mm，偏置45°的位置放置一個(gè)麥克風(fēng)，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣口噪聲進(jìn)行測(cè)量，得到進(jìn)氣口聲壓水平如圖8所示。

圖7　進(jìn)氣口噪聲測(cè)量

圖8　初始狀態(tài)進(jìn)氣口噪聲

根據(jù)測(cè)量結(jié)果顯示，進(jìn)氣口總體噪聲在1 750 r/min到4 000 r/min時(shí)超過目標(biāo)曲線，階次噪聲在2300 r/min時(shí)2階噪聲和3 750 r/min時(shí)6階噪聲超過目標(biāo)值，對(duì)應(yīng)的頻率分別為76.7 Hz和375 Hz，針對(duì)測(cè)試結(jié)果，需要對(duì)貢獻(xiàn)較大頻率的噪聲進(jìn)行消除。

在空濾內(nèi)部增加插入管能降低進(jìn)氣口總體噪聲，且一定的長(zhǎng)度能夠消除對(duì)應(yīng)頻率噪聲，成本低同時(shí)不會(huì)額外增加進(jìn)氣系統(tǒng)的容積。針對(duì)總體和375 Hz的噪聲采用插入管作為消聲元件，插入管長(zhǎng)度與消聲頻率關(guān)系式：

式中：c為空氣聲速；L為插入管長(zhǎng)度；f為消聲頻率。

為了消除375 Hz這一頻率的噪聲，依據(jù)式（1）需要在空濾內(nèi)部增加227 mm插入管。根據(jù)目前空濾結(jié)構(gòu)，在空濾下殼體入口內(nèi)部增加插入管，通過卡扣的方式固定在殼體底部，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖9.

圖9　下殼體增加內(nèi)插管

增加赫姆霍茲諧振腔對(duì)中低頻具有很明顯的消聲效果，且相對(duì)于1/4波長(zhǎng)管有較寬的消聲頻帶，針對(duì)該進(jìn)氣系統(tǒng)的低頻噪聲，采用赫姆霍茲諧振腔作為消聲元件。見圖10.

圖10　諧振腔示意圖

赫姆霍茲諧振腔的共振頻率關(guān)系式為

式中：S0為孔頸截面積，V 為密閉空腔容積，為孔頸有效長(zhǎng)度，＝l0+△l，這里l0為小孔頸長(zhǎng)；△l為修正項(xiàng)，對(duì)于直徑為d的圓孔，△l=0.8d.

為了消除76.7 Hz這一噪聲頻率，依據(jù)式（2）設(shè)計(jì)在進(jìn)氣系統(tǒng)上增加一個(gè)容積1.5 L，孔頸直徑為18 mm，孔頸長(zhǎng)度為78 mm的赫姆霍茲諧振腔。根據(jù)空氣濾清器的結(jié)構(gòu)，將赫姆霍茲諧振腔集成在空濾上蓋出口端上，諧振腔通過焊接形成密閉的腔體，內(nèi)部增一段內(nèi)插管將空濾出口和干凈管連接起來，整體機(jī)構(gòu)緊湊，不需單獨(dú)為諧振腔增加安裝點(diǎn)，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖11.

圖11　空濾出氣管增加諧振腔

完成增加消聲元件的進(jìn)氣系統(tǒng)樣件制作，再次在消聲室對(duì)新方案進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)氣口噪聲測(cè)試，測(cè)量方法與初步方案的保持一致，并根據(jù)測(cè)試結(jié)構(gòu)，對(duì)消聲元件結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)，最終測(cè)試結(jié)果見圖12.

圖12　更改后進(jìn)氣口噪聲

在進(jìn)氣口增加內(nèi)插管，進(jìn)氣口總體噪聲在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍都有8 dB左右的降低，并且很好的消除了3 750 r/min時(shí)6階的噪聲。

在空濾出氣管上增加76.7 Hz的赫姆霍茲諧振腔，消除了進(jìn)氣口低速2階的峰值。

比較現(xiàn)在的進(jìn)氣口噪聲與目標(biāo)噪聲，可以看到總體噪聲及階次噪聲已滿足目標(biāo)線的要求。經(jīng)過消聲結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并根據(jù)周圍的物理邊界將消聲結(jié)構(gòu)進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)，最終的方案如圖13.

圖13　最終進(jìn)氣系統(tǒng)

4　結(jié)論

本文以消聲元件消聲作用和消聲原理為基礎(chǔ)，探索進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲控制的方法，通過一款微型商用車進(jìn)氣系統(tǒng)調(diào)音的案例，根據(jù)消聲室中進(jìn)氣口噪聲測(cè)量結(jié)果，結(jié)合進(jìn)氣消聲元件消聲作用和消聲原理，提出合理的進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，為進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)指明方向。并對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲控制方法進(jìn)行展望，希望本文能對(duì)大家以后工作能起到借鑒的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張曉東．發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)消聲器的氣動(dòng)—聲學(xué)性能研究[D]．上海：上海交通大學(xué)，2007：2-4.

[2]龐 劍，諶 剛，何 華．汽車噪聲與振動(dòng)—理論與應(yīng)用[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2006：182.