某乘用車車內(nèi)聲品質(zhì)優(yōu)化*

袁守利 陳立春 劉志恩 盧熾華

(武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070)

0 引 言

排氣噪聲是汽車主要的噪聲源之一，在整車已經(jīng)定型的情況下，通過優(yōu)化排氣尾管噪聲來(lái)降低車內(nèi)噪聲是節(jié)省成本和效率最高的方式.排氣系統(tǒng)主要通過消聲器的消聲性能來(lái)降低尾管噪聲[1].在發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣系統(tǒng)外部結(jié)構(gòu)已確定的情況下，可以改變消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)控制尾管噪聲.

現(xiàn)針對(duì)某款1.8 L排量的自然進(jìn)氣乘用車，當(dāng)汽車處于三檔急加速(3G-WOT)工況下，車內(nèi)后排可明顯聽到排氣噪聲，車速越高排氣噪聲越大，聲品質(zhì)極差，嚴(yán)重影響駕駛員和乘客的乘坐舒適性.為了解決此類工程問題，首先采用LMS診斷出車內(nèi)前排、后排噪聲峰值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速和頻段，然后針對(duì)該問題頻段對(duì)消聲器進(jìn)行聲學(xué)性能分析，最后用試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化方案聲品質(zhì)較好.

1 樣車車內(nèi)聲品質(zhì)問題診斷

車內(nèi)運(yùn)動(dòng)感聲品質(zhì)的主要影響因素是加速噪聲和階次分布.Ohsasa等[2]通過建立運(yùn)動(dòng)感噪聲的主觀評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型，定量的描述運(yùn)動(dòng)感噪聲的組成.

(1)

測(cè)試地點(diǎn)選擇新修的瀝青路面公路，行車稀少，路況好，背景噪聲低，有較長(zhǎng)直道.在排氣系統(tǒng)尾管距離出口45°，50 cm處布置傳感器，監(jiān)測(cè)3G-WOT工況下，排氣系統(tǒng)尾管噪聲.在車內(nèi)前排駕駛員右側(cè)位置和后排中間位置布置傳感器，監(jiān)測(cè)3G-WOT工況下，車內(nèi)前排和后排噪聲.測(cè)試地點(diǎn)和各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置見圖1.

圖1 測(cè)試地點(diǎn)和傳感器布置位置

圖2 3G-WOT工況下車內(nèi)前排噪聲

圖2a)為3G-WOT工況下，車內(nèi)前排噪聲的Overall及各階次分解圖.由前排噪聲的Overall曲線可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 300，2 300，3 100，4 100 r/min附近時(shí)，車內(nèi)前排噪聲出現(xiàn)明顯的峰值；由各階次分解曲線可知，發(fā)動(dòng)機(jī)第二階噪聲對(duì)前排噪聲的峰值貢獻(xiàn)最大.圖2b)為3G-WOT工況下，車內(nèi)前排噪聲瀑布圖.由瀑布圖可知前排噪聲出現(xiàn)了寬頻噪聲，頻率范圍為100～600 Hz.

圖3 3G-WOT工況下車內(nèi)后排噪聲

圖3a)為3G-WOT工況下，車內(nèi)后排噪聲的Overall及各階次分解圖.由后排噪聲的Overall曲線可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200，2 400，3 200，4 200 r/min附近時(shí)，車內(nèi)后排噪聲出現(xiàn)明顯的峰值；由各階次分解曲線可知，發(fā)動(dòng)機(jī)第二階噪聲對(duì)后排噪聲的峰值貢獻(xiàn)最大.圖3b)為3G-WOT工況下，車內(nèi)后排噪聲瀑布圖.由瀑布圖可知后排噪聲出現(xiàn)了寬頻噪聲，頻率范圍為50～500 Hz.

圖4a)為3G-WOT工況下，排氣尾管噪聲的Overall及各階次分解圖.由尾管噪聲的Overall曲線可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200，2 400，3 200，4 200 r/min時(shí)，排氣尾管聲壓級(jí)分別為79.80，83.58，89.11，94.20 dB(A)超過目標(biāo)值79.50，83.00，86.00，90.00 dB(A)；由各階次分解曲線可知，發(fā)動(dòng)機(jī)第二階噪聲對(duì)排氣尾管噪聲貢獻(xiàn)最大.圖4b)為3G-WOT工況下，排氣尾管噪聲瀑布圖.由瀑布圖可知尾管噪聲在50～2 000 Hz頻段內(nèi)均偏高.

圖4 3G-WOT工況下排氣尾管噪聲

綜合車內(nèi)前排噪聲、后排噪聲及排氣尾管噪聲分析，可以總結(jié)出引起車內(nèi)運(yùn)動(dòng)感噪聲的頻率范圍在50～600 Hz，影響車內(nèi)運(yùn)動(dòng)感噪聲的階次噪聲為2，4，6階，主要階次噪聲為2階.考慮到通過優(yōu)化排氣系統(tǒng)尾管噪聲來(lái)提升車內(nèi)聲品質(zhì).因此需要降低排氣尾管噪聲來(lái)降低車內(nèi)中低頻噪聲峰值.

2 消聲器聲學(xué)特性分析

為了降低車內(nèi)前、后排噪聲峰值，可以通過提高排氣消聲器在50～600 Hz的降噪能力.選擇合理的消聲器結(jié)構(gòu)能夠使排氣尾管噪聲降低20～40 dB(A)[3].該款車型的排氣系統(tǒng)包括前、后兩級(jí)消聲器，具體結(jié)構(gòu)見圖5.

在工程應(yīng)用中，一般采用傳遞損失來(lái)評(píng)價(jià)排氣系統(tǒng)消聲器的消聲量.傳遞損失也可以描述排氣消聲器自身的消聲特性，用于評(píng)定優(yōu)化后的消聲器在消聲特性上是否滿足[4].

Young等[5]最早采用有限元法對(duì)簡(jiǎn)單擴(kuò)張腔式消聲器進(jìn)行傳遞損失計(jì)算.之后越來(lái)越多學(xué)者使用有限元法分析排氣系統(tǒng)消聲器的聲場(chǎng)特性，并驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的誤差很小[6-8].GT-Power是基于有限元分析法分析聲場(chǎng)特性精度較高的軟件，下面采用該軟件對(duì)該排氣系統(tǒng)進(jìn)行傳遞損失分析.

采用GEM3D建立前、后級(jí)消聲器三維模型，見圖6.

圖6 兩級(jí)消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

由圖6a)可知，前消是抗式消聲器，氣流由消聲器進(jìn)口端進(jìn)入共振腔，然后進(jìn)入擴(kuò)張腔，最后由出口端流出.在共振腔進(jìn)口管第I段和第II段分別穿24×φ3 mm的小孔.中低頻氣流噪聲波長(zhǎng)較長(zhǎng)，經(jīng)過小孔時(shí)容易產(chǎn)生共振，從而削弱聲能量降低排氣系統(tǒng)噪聲.圖6b)可知，該后消屬于復(fù)合消聲器，內(nèi)部的左右兩塊隔板中心84 mm×96 mm范圍內(nèi)穿72×φ6 mm的小孔.進(jìn)氣管上有三段穿孔區(qū)域，第I段穿162×φ4 mm的小孔，并帶有長(zhǎng)102 mm、內(nèi)徑φ63.5 mm的蘆弗管1；第II段穿1圈17×φ4 mm的孔；第III段穿192×φ3 mm的小孔.出氣管上穿410×φ3 mm的小孔，并帶有長(zhǎng)120 mm、內(nèi)徑φ63.5 mm的蘆弗管2.其中共振和擴(kuò)張結(jié)構(gòu)能降低部分中低頻噪聲，蘆弗管結(jié)構(gòu)能降低高頻氣流再生噪聲.

采用GT-Power建立傳遞損失計(jì)算模型，見圖7.圖8為計(jì)算得到的原方案的前、后級(jí)消聲器的傳遞損失曲線.由圖8a)可知，前級(jí)消聲器在50～200 Hz頻段范圍內(nèi)，傳遞損失幾乎為零，基本上沒有起到消聲作用.由圖8b)可知，后級(jí)消聲器在300～600 Hz頻段范圍內(nèi)，傳遞損失存在消聲波谷.消聲器在某些頻段消聲性能差是排氣系統(tǒng)影響車內(nèi)乘客舒適性的主要因素[9].因此需要對(duì)前、后級(jí)消聲器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提升50～600 Hz頻段范圍內(nèi)的傳遞損失.

圖7 傳遞損失計(jì)算模型

圖8 原方案?jìng)鬟f損失曲線

3 優(yōu)化方案與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)于穿孔式消聲器集中參數(shù)模型，其共振頻率計(jì)算公式為

(2)

式中：c為聲速；n為穿孔孔數(shù)；S為穿孔截面積；V為共振腔體積；L為穿孔的有效長(zhǎng)度.為提高穿孔管(消聲器進(jìn)氣管)的中低頻消聲效果，在V和L不變時(shí)，減小穿孔孔數(shù)和穿孔截面積；在n和S不變時(shí)，增大共振腔體積和穿孔的有效長(zhǎng)度.

通常頻帶寬度選擇1/3倍頻程.對(duì)于這種頻帶寬度下的共振消聲器的消聲量，式(2)為

LNR=10lg[1+19K2]

(3)

(4)

式中：LNR為消聲量；K為共振系數(shù).計(jì)算出V值后代入式(2)即可求出對(duì)應(yīng)的開孔截面積、有效長(zhǎng)度和共振頻率所需的穿孔孔數(shù)和共振腔體積.

基于企業(yè)提供的排氣系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)感聲品質(zhì)階次目標(biāo)值，綜合運(yùn)用消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)消聲器傳遞損失的影響分析經(jīng)驗(yàn).對(duì)于前級(jí)消聲器，結(jié)合共振頻率計(jì)算公式(2)，后級(jí)消聲器結(jié)合式(2)～(4)，優(yōu)化前、后消內(nèi)部結(jié)構(gòu).建立消聲器三維模型，優(yōu)化后的前、后消內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖9，具體參數(shù)變化見表1.

表1 原方案與優(yōu)化方案參數(shù)對(duì)比

圖9 優(yōu)化方案消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖9a)為優(yōu)化后的前級(jí)消聲器，相比原方案進(jìn)氣管加長(zhǎng)84 mm同時(shí)隔板向右移動(dòng)84 mm，增大共振腔的容積，提升前級(jí)消聲器共振消聲性能，以降低中低頻段噪聲.圖9b)為優(yōu)化后的后級(jí)消聲器，對(duì)比原方案進(jìn)氣管加長(zhǎng)100 mm，同時(shí)隔板II右移42 mm，進(jìn)氣管第三段改為穿24×φ4 mm的小孔，進(jìn)氣管第四段穿100×φ5 mm的孔，穿孔角度為240°，并將進(jìn)氣管右端封閉.增加進(jìn)氣管長(zhǎng)度、改變進(jìn)氣管穿孔區(qū)域及封閉進(jìn)出管右出口端，使大部分氣流經(jīng)過小孔，增大中頻消聲效果.

3.2 優(yōu)化方案仿真分析

建立優(yōu)化后的前、后級(jí)消聲器的傳遞損失計(jì)算模型，分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到原方案與優(yōu)化方案的傳遞損失對(duì)比曲線，見圖10.

圖10 優(yōu)化方案與原方案?jìng)鬟f損失對(duì)比曲線

由圖10a)可知，前級(jí)消聲器對(duì)50～500 Hz頻段范圍的降噪性能的明顯改善，尤其是在50～200 Hz頻段范圍實(shí)現(xiàn)了降噪.由圖10b)可知，后級(jí)消聲器對(duì)整個(gè)頻段的降噪性能大幅提升，50～300 Hz頻率范圍內(nèi)，傳遞損失相比原方案略有提升；300～600 Hz原問題頻率段的消聲波谷得到提升，原最低點(diǎn)的570 Hz傳遞損失增量在14 dB以上，200～1 360 Hz頻率段傳遞損失平均增量在10 dB，最大增量在35 dB，說(shuō)明優(yōu)化后的消聲器消聲效果良好.

由圖11可知，在催化器2出氣口壓力114 kPa與排氣尾管出口端壓力97.8 kPa作差計(jì)算得到優(yōu)化后的排氣系統(tǒng)催化器2出氣端與前消進(jìn)氣端之間的排氣背壓為16.2 kPa，相比原方案的排氣背壓12.7 kPa增加了3.5 kPa，但是仍在企業(yè)目標(biāo)值20 kPa以內(nèi).

圖11 優(yōu)化方案催化器2處排氣背壓計(jì)算結(jié)果

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照優(yōu)化后消聲器的尺寸制成樣件替換樣車排氣系統(tǒng)上對(duì)應(yīng)的消聲器，在相同測(cè)試環(huán)境、測(cè)點(diǎn)和工況下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.測(cè)試結(jié)果見圖12～14.

圖12 3G-WOT工況下優(yōu)化方案排氣尾管噪聲

由圖12a)優(yōu)化前后排氣尾管噪聲的Overall曲線對(duì)比可知，在3G-WOT工況下，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200，2 400，3 200，4 200 r/min時(shí)，優(yōu)化后的排氣尾管聲壓級(jí)分別為79.21，82.71，85.47，89.69 dB(A)與原方案相比分別提高了0.59，0.87，3.64，4.51 dB(A)均在企業(yè)目標(biāo)值以內(nèi)；對(duì)比圖12b)與圖4b)的尾管噪聲瀑布圖，可以看出優(yōu)化后的尾管噪聲在50～2 000 Hz頻段范圍內(nèi)得到明顯改善.

圖13 3G-WOT工況下優(yōu)化方案車內(nèi)前排噪聲

由圖13a)優(yōu)化前后車內(nèi)前排噪聲的Overall曲線對(duì)比可知，在3G-WOT工況下，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 300，2 300，3 100，4 100 r/min附近時(shí)，優(yōu)化方案的前排噪聲峰值得到降低，分別降低3.64，1.57，3.28，0.49 dB(A)；對(duì)比圖13b)與圖2b)的車內(nèi)前排噪聲瀑布圖，可以看出優(yōu)化方案在100～600 Hz頻段范圍內(nèi)噪聲得到改善.

圖14 3G-WOT工況下優(yōu)化方案車內(nèi)后排噪聲

由圖14a)優(yōu)化前后后排噪聲的Overall曲線對(duì)比可知，在3G-WOT工況下，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200，2 400，3 200，4 200 r/min附近時(shí)，優(yōu)化方案的后排噪聲峰值得到降低，分別降低1.72，1.09，2.19，0.47 dB(A)；對(duì)比圖14b)與圖3b)的車內(nèi)后排噪聲瀑布圖，可以看出優(yōu)化方案在50～500 Hz頻段內(nèi)噪聲得到改善.

4 結(jié) 論

1) 通過對(duì)LMS測(cè)量的數(shù)據(jù)做后處理分析得知，該車在3G-WOT工況下排氣尾管噪聲對(duì)車內(nèi)運(yùn)動(dòng)感聲品質(zhì)的影響頻率段為50～600 Hz，主要階次為2階.

2) 采用GT-Power進(jìn)行傳遞損失分析，得到原方案前級(jí)消聲器在50～200 Hz幾乎不消聲，后級(jí)消聲器在300～600 Hz頻段內(nèi)存在消聲波谷.

3) 對(duì)優(yōu)化后的消聲器進(jìn)行傳遞損失分析得知前級(jí)消聲器在50～200 Hz起到消聲效果，后級(jí)消聲器原最低點(diǎn)的570 Hz傳遞損失增量在14 dB以上，且優(yōu)化方案排氣背壓滿足企業(yè)要求.

4) 經(jīng)過試驗(yàn)得知，在3G-WOT工況下，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200，2 400，3 200，4 200 r/min時(shí)，優(yōu)化后的排氣尾管聲壓級(jí)分別為79.21，82.71，85.47，89.69 dB(A)與原方案相比分別提高了0.59，0.87，3.64，4.51 dB(A)滿足企業(yè)優(yōu)化目標(biāo)值，排氣尾管噪聲在50～2 000 Hz頻段內(nèi)得到明顯改善，聲品質(zhì)有很大提升；前排噪聲峰值分別降低3.64，1.57，3.28，0.49 dB(A)，在100～600 Hz頻段內(nèi)的噪聲得到改善；后排噪聲峰值分別降低1.72，1.09，2.19，0.47 dB(A)，在50～500 Hz頻段內(nèi)噪聲問題得到改善.車內(nèi)整體降噪1 dB(A)，車內(nèi)聲品質(zhì)有所提升.