基于聲場特性研究的汽車空氣濾清器噪聲優(yōu)化

袁守利，王　鑫，劉志恩

(1.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)試驗(yàn)室,湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070)

進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲是汽車最主要的噪聲源之一。進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲主要是指進(jìn)氣口處的噪聲，這個(gè)噪聲源距離車廂的距離很近，因此對(duì)車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)非常大。同時(shí)，進(jìn)氣口噪聲也是汽車最主要的通過噪聲源。

在進(jìn)氣系統(tǒng)中，空氣濾清器的作用不止清潔空氣，同時(shí)它相當(dāng)于擴(kuò)張腔，其聲學(xué)特性對(duì)進(jìn)氣噪聲有重要影響。在進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)不易改變的前提下，對(duì)空氣濾清器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化是改善進(jìn)氣噪聲簡潔且有效的辦法。由于空氣濾清器尺寸較大，且形狀一般不規(guī)則，用一維平面波理論計(jì)算誤差較大，逐漸被三維有限元法和邊界元法取代，且三維計(jì)算方法在低頻段的計(jì)算結(jié)果具有很好的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[1]利用邊界元法求解頻率響應(yīng)特性，并對(duì)空氣濾清器的消聲特性進(jìn)行了計(jì)算分析，在傳遞損失計(jì)算的基礎(chǔ)上對(duì)空氣濾清器的聲學(xué)特性進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[2]針對(duì)點(diǎn)火頻率引起空氣濾清器進(jìn)氣噪聲中的低頻峰值,采用邊界元法對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)的空氣濾清器系統(tǒng)進(jìn)行了低頻消聲性能的研究，在1～1 000 Hz頻率范圍內(nèi)，分析了旁通管和共振腔的消聲作用。文獻(xiàn)[3]對(duì)比了邊界元法、有限元法和一維有限體積法在分析進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能時(shí)的優(yōu)劣性，指出邊界元法和有限元法比一維有限體積法具有更高的準(zhǔn)確性，并分析了有限元法用于預(yù)測濾芯消聲性能的可行性。文獻(xiàn)[4]分別采用流體動(dòng)力學(xué)仿真和有限元方法對(duì)空氣濾清器的流阻和降噪能力進(jìn)行了計(jì)算，根據(jù)試驗(yàn)測得噪聲特性，對(duì)空氣濾清器進(jìn)行降噪優(yōu)化，并重新計(jì)算優(yōu)化后空氣濾清器的流動(dòng)阻力和消聲量。

下面采用有限元分析方法在聲學(xué)三維計(jì)算軟件Virtual Lab和一維計(jì)算軟件GT-Power中對(duì)空氣濾清器模型進(jìn)行仿真，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，再次進(jìn)行聲學(xué)性能仿真驗(yàn)證，最后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1　某乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲頻率特性

進(jìn)氣噪聲主要是進(jìn)氣時(shí)管道內(nèi)壓力波動(dòng)產(chǎn)生的諧波低頻脈動(dòng)噪聲[5]，其諧波頻率為：

(1)

式中：i為氣缸數(shù);n為轉(zhuǎn)速；τ為沖程系數(shù),4沖程τ= 2，2沖程τ= 1；k為諧波次數(shù)。f1為基頻，高諧次fk的強(qiáng)度大大減弱，進(jìn)氣噪聲主要以1 000 Hz以下的中低頻成分為主。

在對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化之前先進(jìn)行摸底試驗(yàn)，借助隔音措施將進(jìn)氣系統(tǒng)引出機(jī)艙外，以期提取純粹的進(jìn)氣管口噪聲，為后續(xù)噪聲優(yōu)化提供依據(jù)。試驗(yàn)在整車半消聲室中進(jìn)行，試驗(yàn)工況為三檔發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門全開急加速工況。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖1所示。

圖1　整車半消聲室試驗(yàn)現(xiàn)場

4缸發(fā)動(dòng)機(jī)中2/4/6/8階噪聲是研究進(jìn)氣的主要噪聲。圖2和圖3是該發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)工況下進(jìn)氣口噪聲聲壓(級(jí))和頻譜圖，根據(jù)摸底試驗(yàn)各個(gè)測試狀態(tài)結(jié)果對(duì)比分析得出：進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲成分以2階及諧階次為主，同時(shí)存在寬頻噪聲；現(xiàn)有進(jìn)氣系統(tǒng)對(duì)階次成分消聲能力較強(qiáng)。

圖2　進(jìn)氣口噪聲各諧階

圖3　進(jìn)氣口處噪聲頻譜圖

試驗(yàn)進(jìn)行了進(jìn)氣系統(tǒng)有無空氣濾清器的進(jìn)氣管口噪聲的測試，根據(jù)測試結(jié)果分析出空氣濾清器對(duì)進(jìn)氣噪聲的貢獻(xiàn)量以及特征頻率，如圖4所示。結(jié)果說明空氣濾清器對(duì)進(jìn)氣噪聲產(chǎn)生了寬頻噪聲，頻率范圍為230～770 Hz、840～1 320 Hz。

通過圖2和圖3的對(duì)比，重點(diǎn)增大空氣濾清器中低頻段(50～1 000 Hz)的消聲能力，重點(diǎn)針對(duì)73 Hz、183 Hz、375 Hz和470 Hz問題頻率優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并減少高頻段的寬頻噪聲。

圖4　空氣濾清器頻譜圖

2　空氣濾清器結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)與仿真

為減少仿真分析的工作量，先對(duì)幾何模型進(jìn)行幾何清理，根據(jù)聲學(xué)仿真1/6波長原理和流體仿真對(duì)網(wǎng)格的要求，在Hypermesh前處理軟件中進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，而后分別將網(wǎng)格文件導(dǎo)出聲學(xué)和流體分析對(duì)應(yīng)的文件格式，再繼續(xù)下一步的分析。劃分完網(wǎng)格的空氣濾清器的有限元模型共生成18 398個(gè)網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)9 201個(gè)。圖5為空氣濾清器有限元模型。

圖5　空氣濾清器有限元模型

2.1　原模型的聲學(xué)仿真分析

空氣濾清器的聲學(xué)性能計(jì)算類似于消聲器，一般采用有限元法或邊界元法[6]。有限元法預(yù)測空氣濾清器的消聲特性廣泛應(yīng)用于聲學(xué)元件傳遞損失的計(jì)算。傳遞損失能真實(shí)反映消聲元件的固有消聲特性，常用來評(píng)價(jià)消聲元件。傳聲損失TL,也稱傳遞損失,或透射損失,定義為消聲結(jié)構(gòu)進(jìn)口的噪聲能量(入射聲能)與出口能量(透射聲能)之差，其計(jì)算公式如下：

(2)

式中：pi為進(jìn)口入射聲波聲壓;po為空氣濾清器出口入射聲壓;Si為進(jìn)口截面積;So為出口截面積;ρ為大氣密度;c為當(dāng)?shù)芈曀?。傳聲損失的定義是消聲結(jié)構(gòu)對(duì)聲能量衰減,能量傳播具有方向性使傳聲損失測量過程比較復(fù)雜。在實(shí)際運(yùn)用中通常將傳聲損失定義為進(jìn)出口的聲壓級(jí)差。

TL=Lpi-Lpo

TL=20lg(pi/po)

(3)

這樣的定義既便于試驗(yàn)研究也能反映消聲結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性。

本文采用了一維和三維兩種計(jì)算方法來對(duì)比分析建模的正確性。

首先采用試驗(yàn)設(shè)備阻抗管對(duì)原空氣濾清器進(jìn)行了傳遞損失的試驗(yàn)[7]，實(shí)驗(yàn)原理用傳遞矩陣法在阻抗管內(nèi)測量試件的法向入射傳聲損失。在傳聲器1和傳聲器2的位置上測量聲壓，求得兩個(gè)傳聲器信號(hào)的聲壓傳遞函數(shù)；同樣，在傳聲器3和傳聲器4的位置上測量聲壓，求得兩個(gè)傳聲器信號(hào)的聲壓傳遞函數(shù)。由傳遞矩陣法計(jì)算試件的法向入射傳遞損失。測量裝置示意圖如圖6所示。

圖6　測量裝置示意圖

一維計(jì)算過程是在GT-Power中進(jìn)行傳遞損失的計(jì)算。三維計(jì)算過程是從Hypermesh軟件中導(dǎo)出bdf文件，在Virtual Lab中進(jìn)行傳遞損失的計(jì)算。由于是初步研究空氣濾清器的低頻消聲性能，并不考慮平均流和湍流的影響，因此在無流動(dòng)的靜態(tài)條件下分析其聲學(xué)特性。將空氣濾清器模型的流體運(yùn)動(dòng)出口截面作為聲源入口，加載單位振動(dòng)速度，空氣濾清器進(jìn)口處根據(jù)圓形平面活塞輻射假設(shè)，在入口截面設(shè)定阻抗值。計(jì)算得到空氣濾清器在0～2 000 Hz的傳遞損失，頻率間隔為1 Hz。

試驗(yàn)與兩種計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如圖7所示。

圖7　空氣濾清器TL結(jié)果對(duì)比

對(duì)比分析一維和三維的仿真計(jì)算結(jié)果可知，在1 000 Hz以下時(shí)，一維和三維仿真計(jì)算都可以較為準(zhǔn)確地得到空氣濾清器的傳遞損失；相對(duì)而言，三維仿真方法在1 000 Hz以上時(shí)也有較高的準(zhǔn)確性?？諝鉃V清器傳遞損失三維計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線有較高的吻合度，在1 300 Hz以上時(shí)幅值存在波動(dòng)，可能是高次波的影響，使得基于平面波理論計(jì)算的幅值有所偏差。因此，在低頻段，一維仿真分析準(zhǔn)確率也較高，求解速度快，模型修正簡便，后續(xù)的驗(yàn)證分析將采用一維方法。

2.2　改進(jìn)的空氣濾清器聲學(xué)特性計(jì)算

進(jìn)氣系統(tǒng)低頻噪聲可以通過赫姆霍茲諧振腔、1/4波長管進(jìn)行消聲，諧振腔一般用于消除頻率較低的噪聲[8]，其消聲頻率為：

(4)

式中:c為聲速;s為連接諧振腔管道的截面積;lk為連接管道的等效長度;V為諧振腔的體積。1/4 波長管是安裝在主管道上的一個(gè)封閉的管子，通常用來消除頻率較高的噪聲。1/4 波長管理論消聲頻率為：

f=c/(4L)

(5)

式中:L為1/4波長管的長度。

寬頻噪聲通過安裝寬頻共振器來進(jìn)行減弱。赫姆霍茲共振腔的單頻和帶寬集中的頻率特點(diǎn)可以改進(jìn)空氣濾清器的聲學(xué)特性，還可以對(duì)進(jìn)氣噪聲的低頻成分起到消聲作用[9]。因此對(duì)原模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加4個(gè)諧振腔(各部分結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的消聲頻率在圖8中標(biāo)示)和一個(gè)1/4波長管，另外再增加一個(gè)寬頻共振器減弱空氣濾清器產(chǎn)生的寬頻帶噪聲。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8　優(yōu)化后的空氣濾清器模型

為了驗(yàn)證優(yōu)化后的空氣濾清器能夠滿足要求，重新進(jìn)行聲學(xué)性能計(jì)算，如圖9所示。

圖9　改進(jìn)后的空氣濾清器聲學(xué)性能計(jì)算結(jié)果

圖9(a)是采用GT-Power仿真得到的改進(jìn)后的進(jìn)氣管口噪聲曲線與原模型和目標(biāo)線的對(duì)比，可以看出整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍進(jìn)氣噪聲均在目標(biāo)線以下。從圖9(b)的傳遞損失圖上可以看出改進(jìn)后空氣濾清器的傳遞損失在對(duì)應(yīng)頻段均出現(xiàn)峰值，其中350 Hz頻段傳遞損失出現(xiàn)較高峰值且頻帶較寬；在73 Hz頻率也出現(xiàn)明顯峰值，其它對(duì)應(yīng)消音元件均出現(xiàn)對(duì)應(yīng)峰值。采用GT分析模型計(jì)算進(jìn)氣系統(tǒng)背壓為3.1 kPa，小于原進(jìn)氣系統(tǒng)3.4 kPa，滿足降噪要求。

3　空氣濾清器優(yōu)化后的進(jìn)氣噪聲試驗(yàn)

根據(jù)改進(jìn)后的幾何模型對(duì)實(shí)際空氣濾清器進(jìn)

行改進(jìn)，并加工出樣件，如圖10所示。

圖10　優(yōu)化后的空氣濾清器

采用上文描述的試驗(yàn)方法重新對(duì)改進(jìn)模型進(jìn)行了進(jìn)氣噪聲試驗(yàn)，由于需要重新與原模型測試結(jié)果重新對(duì)比，由于測試環(huán)境的差異可能導(dǎo)致第二次的測試結(jié)果有差異，因此需要對(duì)原模型重新進(jìn)行試驗(yàn)，以便與改進(jìn)模型進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11　空氣濾清器優(yōu)化后的進(jìn)氣噪聲試驗(yàn)結(jié)果

從圖11(a)中對(duì)比改進(jìn)模型和目標(biāo)線可知，改進(jìn)模型進(jìn)氣口噪聲基本貼近目標(biāo)線，但在2 300 r/min、2 750 r/min、3 600 r/min、4 500 r/min轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波峰，最大峰值點(diǎn)高出目標(biāo)線3.2 dB(A)，其它轉(zhuǎn)速段與目標(biāo)線貼合；與原模型對(duì)比可知，在1 500 r/min轉(zhuǎn)速下兩者基本重合；1 500～2 500 r/min轉(zhuǎn)速下改進(jìn)模型在原方案基礎(chǔ)上降低1～2 dB(A)左右；在2 500 r/min轉(zhuǎn)速以上(除4 500 r/min轉(zhuǎn)速外)改進(jìn)模型均降低5 dB(A)左右，其中在4 750 r/min轉(zhuǎn)速降低8 dB(A)。

從圖11(b)中可以看出階次噪聲相比于原模型，在低轉(zhuǎn)速一致，在部分中高轉(zhuǎn)速有所降低；4、6階噪聲低轉(zhuǎn)速變化不大，2 500 r/min轉(zhuǎn)速以上改進(jìn)模型階次噪聲明顯整體降低。

從圖11(c)可以看出改進(jìn)模型相比于原模型在73 Hz、183 Hz頻段的噪聲明顯降低；在250～700 Hz頻段，改進(jìn)模型進(jìn)氣噪聲幅值有所降低，但整個(gè)噪聲頻帶變寬。

4　結(jié)論

(1)空氣濾清器的聲學(xué)特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣噪聲有重要的影響，空氣濾清器的聲學(xué)特性與進(jìn)氣噪聲的良好匹配可以使發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣噪聲特性達(dá)到優(yōu)化；

(2)針對(duì)原模型進(jìn)氣噪聲的問題頻率，對(duì)空氣濾清器做了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加了4個(gè)諧振腔、一個(gè)1/4波長管和一個(gè)寬頻共振器；

(2)改進(jìn)模型在某些轉(zhuǎn)速進(jìn)氣噪聲貼近目標(biāo)線，且相比于原模型在2 500 r/min以上轉(zhuǎn)速基本滿足要求；

(3)改進(jìn)模型的進(jìn)氣背壓為3.1 kPa，低于原模型3.4 kPa的進(jìn)氣背壓，滿足目標(biāo)要求；

(4)改進(jìn)模型的噪聲頻帶沒能完全滿足目標(biāo)要求，由于本次設(shè)計(jì)未能完全兼顧空氣濾清器本身聲學(xué)特性與消聲特性的平衡，需進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)、計(jì)算和驗(yàn)證，為深一步的研究提供參考。

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