基于車內(nèi)動力感特征的進(jìn)氣聲浪設(shè)計與試驗研究

趙 明 李 恒

（上海大創(chuàng)汽車技術(shù)有限公司 上海 201804）

引言

隨著某些駕駛?cè)后w（尤其是某些中青年駕駛?cè)后w）對車輛行駛時NVH 性能的特殊需求，動力感設(shè)計已成為當(dāng)下乘用車領(lǐng)域開發(fā)的熱點之一。提高整車駕駛的動力感，在特殊工況獲得激進(jìn)的聽覺爆發(fā)力與沖擊感，儼然成為當(dāng)下某些年輕駕駛?cè)后w的熱切需求。

對于車輛聲浪增強(qiáng)技術(shù)的研究，目前主要關(guān)注排氣系統(tǒng)的聲學(xué)調(diào)校與聲浪設(shè)計[1-3]。而對車內(nèi)駕乘人員的主觀動力感音效設(shè)計，目前主要通過3 種途徑實現(xiàn)：電子模擬[4]、主動發(fā)聲[5-6]、聲音引導(dǎo)增強(qiáng)[7]。電子模擬，即將事先錄制好的音頻進(jìn)行存儲，在特定工況通過喇叭釋放。主動發(fā)聲，即根據(jù)車輛行駛工況，采用電子控制技術(shù)，通過程序合成配比不同的噪聲成分，實現(xiàn)特定噪聲成分增強(qiáng)的目的。上述2 種途徑均依托于硬件特性，長時間運行，性能會下降甚至失效，且音效容易單薄失真。聲音引導(dǎo)增強(qiáng)則完全采用機(jī)械式結(jié)構(gòu)將發(fā)動機(jī)管路本身的脈動壓力[7]以共振的方式進(jìn)行放大、引導(dǎo)至駕駛室，因結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，且性能穩(wěn)定，可作為車內(nèi)動力感聲學(xué)定制的主要技術(shù)方案進(jìn)行研究。

本文以國內(nèi)某1.4T 4 缸渦輪增壓緊湊型乘用車為研究對象，基于聲音引導(dǎo)增強(qiáng)技術(shù)設(shè)計開發(fā)了進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)，完成整車搭載試驗，對比安裝進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)前后的車內(nèi)噪聲頻譜特性，分析進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)對車內(nèi)動力感的優(yōu)化效果。

1 進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)

圖1 所示為進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)模型，整個結(jié)構(gòu)由上、下殼體以及中間的彈性膜片組成，內(nèi)部分為左右2部分腔體，彈性膜片通過螺栓固定在上、下殼體結(jié)合的中間部位，因此構(gòu)成了左上腔、左下腔、右上腔、右下腔4 個空腔。其中，彈性膜片的外圈由橡膠制成，中間則由塑料制成，整個彈性膜片可以繞著中間轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)一定角度的旋轉(zhuǎn)擺動。圖中箭頭所指為入射聲波成分，具有很強(qiáng)的脈動壓力，激起左側(cè)空腔內(nèi)的膜片產(chǎn)生振動，而左側(cè)膜片的振動帶動右側(cè)膜片振動，從而在右側(cè)空腔內(nèi)產(chǎn)生特定頻段的振動聲波成分，最終將該頻段聲波成分引至駕駛室內(nèi)，形成車內(nèi)強(qiáng)烈的動力感特征。

圖1 進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)模型

因此，實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)特定聲波成分放大的核心在于獲得一個強(qiáng)烈的脈動壓力源。發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管分別給發(fā)動機(jī)各氣缸供氣，由于各缸的工作存在相位差，因此各歧管內(nèi)的氣流存在一定的相位差，即管內(nèi)存在強(qiáng)烈的脈動壓力成分。特別是渦輪增壓型車輛，中冷器出口至進(jìn)氣歧管的管路內(nèi)部均存在相當(dāng)強(qiáng)烈的脈動壓力，因此將中冷器出口至進(jìn)氣歧管的管路作為進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)入口的優(yōu)選位置。

2 聲波傳遞性能試驗

將進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)安裝于阻抗管設(shè)備[8]，采用聲壓級為120 dB 的寬頻聲源，聲源頻段為20～20 000 Hz，聲源通過功率放大設(shè)備輸出聲波，傳遞至阻抗管管路，經(jīng)過進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)，最終輻射至大氣。試驗時，將傳聲器測點布置于進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)出口截面中心，對比安裝進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)前后的噪聲頻譜特性，最終獲得聲波傳遞性能曲線如圖2 所示。

圖2 進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)聲波傳遞性能試驗結(jié)果

該進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)，對于聲波傳遞起主要作用的頻段為150～400 Hz，尤其在200～350 Hz 頻段，其聲波傳遞效率最高，透射聲波成分能量最高。因此可以預(yù)計，該進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)安裝于整車后，在150～400 Hz頻段，噪聲成分能得到增強(qiáng)，而低頻噪聲成分主要表現(xiàn)為強(qiáng)烈的低沉感，可提高駕駛動力感。

3 整車聲學(xué)性能驗證

整車試驗通過路試進(jìn)行，試驗道路為平坦的試車專用道，環(huán)境噪聲小。將進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)安裝于節(jié)氣門體前端管路，即中冷器出口至節(jié)氣門體的管路，采用3D 打印金屬三通管進(jìn)行連接固定。進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)的進(jìn)口通過膠管連接至三通管，出口采用塑料管連接并引導(dǎo)至發(fā)動機(jī)機(jī)艙靠近前擋下方的導(dǎo)水槽位置。因此，節(jié)氣門體前端管路內(nèi)部的強(qiáng)烈脈動壓力激起進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)內(nèi)部的彈性膜片產(chǎn)生簡諧振動，最終通過輸出管路引至導(dǎo)水槽內(nèi)。聲波在導(dǎo)水槽空腔內(nèi)形成強(qiáng)烈的混響，通過鈑金件傳遞至駕駛室內(nèi)，最終達(dá)到增強(qiáng)車內(nèi)聲波能量的目的。

試驗過程中，于駕駛員右耳處布置一個傳聲器，用于采集評估車內(nèi)聲學(xué)特性。聲學(xué)采樣頻率設(shè)為25 600 Hz，頻率分辨率設(shè)為2 Hz，時域信號經(jīng)快速傅里葉變換可獲得相應(yīng)的噪聲頻譜。試驗分別在2擋、3 擋節(jié)氣門全開（Wide Open Throttle，WOT）工況進(jìn)行。

3.1 2 擋WOT 工況

圖3 所示為2 擋WOT 工況駕駛員右耳測點的噪聲頻譜。

圖3 2 擋WOT 工況駕駛員右耳測點噪聲頻譜

原狀態(tài)無進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)，車內(nèi)噪聲成分整體較“純凈”，聲波能量較低，主要為2 階發(fā)火階次以及其他高轉(zhuǎn)速區(qū)域的高階成分為主，因此車內(nèi)整體較靜謐，舒適性較好，但駕乘過程中缺乏動力感與力量感。安裝進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)后，150～400 Hz 頻段的聲波能量明顯增強(qiáng)，主要表現(xiàn)在4 階次、6 階次以及其它半階次高階噪聲成分增強(qiáng)，尤其在200～300 Hz 頻段，聲波能量集中，且在整個加速過程均有明顯的聲波能量激勵。因此，整車路試加速過程中，隨著油門踏板的深度變化，車內(nèi)動力感聲波隨之此起彼伏，在特殊工況充滿激進(jìn)的聽覺爆發(fā)力。

3.2 3 擋WOT 工況

圖4 所示為3 擋WOT 工況駕駛員右耳測點的噪聲頻譜結(jié)果。

圖4 3 擋WOT 工況駕駛員右耳測點噪聲頻譜

與2 擋WOT 工況相類似，安裝進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)后，150～400 Hz 頻段聲波能量明顯增強(qiáng)且集中。尤其在200～300 Hz 頻段，4 階次噪聲成分被徹底激發(fā)出來，為加速過程的主要聲波能量。整車加速過程中，深踩油門踏板，車內(nèi)動力感聲波隨之顯現(xiàn)；而在低速、勻速行駛工況，車內(nèi)仍然保持靜謐的聲學(xué)環(huán)境。由于聲波能量來源于發(fā)動機(jī)的管路內(nèi)部壓力脈動，因此進(jìn)氣聲浪的音效貼近內(nèi)燃機(jī)輻射噪聲的音效，真實且飽滿。

綜上可知，原狀態(tài)車輛，車內(nèi)聲波能量較弱，尤其體現(xiàn)在4 階以上的高階次噪聲成分均較弱，車內(nèi)整體聲學(xué)環(huán)境較安靜。為滿足動力感定制化需求，針對年輕人細(xì)分市場開發(fā)動力感特別款車型，安裝進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)后，車內(nèi)150～400 Hz 頻段噪聲成分顯著增強(qiáng)，尤其體現(xiàn)在200～300Hz 頻段，激發(fā)了中高轉(zhuǎn)速的4 階以上高階次、半階次噪聲成分，整體車內(nèi)動力感聲學(xué)特征明顯提高。深踩油門，車內(nèi)駕駛動力感明顯增強(qiáng)，飽滿且真實，大大提高了車內(nèi)駕乘的力量感，效果良好，滿足開發(fā)預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)論

1）本文設(shè)計的進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)，在200～350 Hz 頻段，聲波傳遞效率最高，透射聲波成分能量最高。

2）進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)有利于增強(qiáng)150～400 Hz 頻段車內(nèi)聲波能量，主要表現(xiàn)在4 階次、6 階次以及其它半階次高階噪聲成分增強(qiáng)，尤其在200～300 Hz 頻段，聲波能量集中，且在整個加速工況均有明顯的聲波能量激勵。

3）進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)加速過程車內(nèi)駕駛動力感聲學(xué)激勵，飽滿且真實，而在低速、勻速行駛工況，車內(nèi)仍然保持靜謐的聲學(xué)環(huán)境。

4）針對進(jìn)氣聲浪結(jié)構(gòu)設(shè)計過程的理論計算與數(shù)值模擬技術(shù)有待進(jìn)一步研究，以探究更深層次的聲波能量增強(qiáng)機(jī)理，分析其相關(guān)影響因素與定量關(guān)系。