王小龍，陸靜，王亞運(yùn)，舒沛沛

（廣西科技大學(xué)汽車與交通學(xué)院，廣西 柳州 545006)

1/4波長管參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲的影響研究

王小龍，陸靜，王亞運(yùn)，舒沛沛

（廣西科技大學(xué)汽車與交通學(xué)院，廣西 柳州 545006)

1/4波長管是進(jìn)氣系統(tǒng)中的主要消音元件，在汽車NVH設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。在某車型開發(fā)過程中，發(fā)現(xiàn)在某頻率下進(jìn)氣噪聲較大。通過對(duì)整車的進(jìn)氣噪聲測試，發(fā)現(xiàn)噪聲主要是由于波長管參數(shù)不匹配引起。本文基于管道聲學(xué)建立了波長管的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了傳遞損失函數(shù)，并采用MATLAB軟件計(jì)算了不同參數(shù)下波長管的傳遞損失，確定了1/4波長管的結(jié)構(gòu)參數(shù)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果制作波長管并應(yīng)用于某車型，利用Lms.Test.lab軟件測試了發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣噪聲，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果顯示，安裝新波長管后，汽車振動(dòng)噪聲有了顯著改善，整車的NVH特性得到提高。

1/4波長管；進(jìn)氣噪聲；管道聲學(xué)；參數(shù)設(shè)計(jì)

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)09-49-03

引言

隨著人們對(duì)汽車舒適性要求的提高,汽車的NVH特性成為消費(fèi)者購車的重要指標(biāo)，汽車廠商將更多力量投入這方面的研究。進(jìn)氣噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的主要聲源之一，在小型高速發(fā)動(dòng)機(jī)和大型增壓機(jī)中，進(jìn)氣噪聲有時(shí)比發(fā)動(dòng)機(jī)本體噪聲（包括燃燒噪聲和機(jī)械噪聲）高5dB（A），僅次于排進(jìn)噪聲[1]。1/4波長管是進(jìn)氣系統(tǒng)的主要消聲元件，它在實(shí)際應(yīng)用中受到布置空間，長度和截面積等因素的約束，因此，需要針對(duì)不同的車型設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)。本文對(duì)1/4波長管的理論和實(shí)驗(yàn)測試進(jìn)行了研究。首先，基于管道聲學(xué)原理建立波長管數(shù)學(xué)模型，采用MATLAB軟件對(duì)1/4波長管進(jìn)行設(shè)計(jì)。然后，根據(jù)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)制作了1/4波長管，并安裝于某車型上，利用Lms.Test.lab軟件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，測試結(jié)果證明

本文所采用1/4波長管可有效地降低車內(nèi)噪聲。

1、進(jìn)氣噪聲產(chǎn)生機(jī)理

圖1為進(jìn)氣系統(tǒng)示意圖，進(jìn)氣噪聲由進(jìn)氣門的周期性開閉產(chǎn)生的壓力波動(dòng)形成的。從產(chǎn)生機(jī)理上可以將進(jìn)氣噪聲分為三類[2]：（1）活塞變速運(yùn)動(dòng)引起的進(jìn)氣脈動(dòng)噪聲；（2）空氣柱共振噪聲；（3）進(jìn)氣門環(huán)隙處產(chǎn)生的渦流噪聲。

圖中：1-前進(jìn)氣導(dǎo)流管；2-赫姆霍茲消音器；3-空氣過濾器；4-空氣過濾網(wǎng)；5-后近氣導(dǎo)流管；6-1/4波長管；7-柔性連接管；8-怠速進(jìn)氣通道；9-進(jìn)氣控制閥；10-進(jìn)氣總管；11-進(jìn)氣分管；12-發(fā)動(dòng)機(jī)。

2、1/4波長管理論

1/4波長管是一種典型的被動(dòng)消聲器，它是一個(gè)安裝在主管道上的一個(gè)封閉的管子。當(dāng)聲波從主管道進(jìn)入旁支管后，聲波被封閉端反射回到主管道，某些頻率的聲波與主管道中同樣頻率的聲波由于相位相反而相互抵消，達(dá)到消聲的目的。圖2為1/4波長管示意圖，其中，S1—主管道截面積，S2—1/4波長管截面積，L—1/4波長管長度。

消音元件的消聲效果通常有四個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)[3]：傳遞損失，插入損失，聲壓級(jí)差值和聲壓級(jí)。傳遞損失用來評(píng)價(jià)單個(gè)消聲元件，而插入損失，聲壓級(jí)用來評(píng)價(jià)整個(gè)系統(tǒng)。聲壓級(jí)差值適用于消聲元件和整個(gè)系統(tǒng)。本文采用傳遞損失來評(píng)價(jià)波長管的消聲效果，旁支管的傳遞損失為[4]：

3、1/4波長管的參數(shù)設(shè)計(jì)

在某車型開發(fā)過程中，發(fā)現(xiàn)在特定頻率下會(huì)產(chǎn)生較大的轟鳴聲。通過對(duì)整車的車內(nèi)噪聲測試，確定產(chǎn)生噪聲的原因在于進(jìn)氣系統(tǒng)1/4波長管上。由式（1）可知，影響1/4波長管傳遞損失的參數(shù)有兩個(gè)，一個(gè)是波長管截面積與主管截面面積之比，另一個(gè)是波長管長度。因此，可以通過改變這兩個(gè)參數(shù)來降低進(jìn)氣噪聲，進(jìn)而改善進(jìn)氣轟鳴聲問題。

3.1 波長管的截面積

本文根據(jù)車型的特點(diǎn)，選取四種不同截面積的波長管，應(yīng)用MATLAB軟件編寫程序得到不同截面積的波長管與傳遞損失的關(guān)系。經(jīng)測試得到該車型的主管道截面直徑D=6.5cm，波長管長度L=22cm，分別選用直徑為d=2cm，d=3cm，d=4cm，d=5cm的四種波長管，計(jì)算所得到的傳遞損失如圖3所示。

由上圖可知，截面積之比并不影響其共振頻率。當(dāng)截面之比越大時(shí)，傳遞損失的幅值越大，帶寬越寬?？紤]到具體車型的空間約束和成本問題，最終選用D=3cm的波長管。

3.2 波長管的長度

由式（2）可知，波長管的共振頻率與長度成反比。本文根據(jù)車型的特點(diǎn)，當(dāng)波長管截面積d=3cm時(shí)，選取六種不同長度的波長管，即L1=10cm，L2=15cm，L3=22cm，L4=25cm，L5=30cm，L6=35cm，應(yīng)用MATLAB軟件編寫程序得到波長管的長度與傳遞損失的關(guān)系，如圖4所示。

由上圖可知，波長管越長，共振頻率越低。由于空間限制，波長管長度通常不會(huì)取太長，因此多用于消除比較高的頻率。

3.3 波長管長度的修正

波長管的一端封閉，一端開口，在開口處的聲波會(huì)像活塞一樣運(yùn)動(dòng)，存在輻射聲阻抗。因此，實(shí)際作用的管道的長度長于波紋管的長度L，在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)波長管的長度進(jìn)行修正。由文獻(xiàn)[4]可知，在波長管工作時(shí)，它的實(shí)際長度應(yīng)為[4]：

式中，r為波長管的半徑。

修正后的頻率為：

4、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證1/4波長管的效果，對(duì)同一車輛在同一路段安裝不同1/4波長管后測試進(jìn)氣噪聲。測試工況為三檔全油門，首先測試車輛原狀態(tài)噪聲，然后分別加上不同的波長管，測量進(jìn)氣噪聲，測試結(jié)果如圖5，6所示。其中1號(hào)樣件的d=3cm，L=25cm，2號(hào)樣件的d=4cm，L=23cm，3號(hào)樣件的d=4cm，L=20cm。1號(hào)曲線為系統(tǒng)原狀態(tài)，2號(hào)曲線為加1號(hào)樣件狀態(tài)，3號(hào)曲線為加2號(hào)樣件狀態(tài)，4號(hào)曲線為加3號(hào)樣件狀態(tài)。

由上圖可以看出，340Hz到395Hz聲壓有明顯降低，其中1號(hào)樣件在395Hz處降低4dB左右，在345Hz處降低13dB左右。2號(hào)樣件在395Hz處降低8dB左右，在345Hz處降低9dB左右。3號(hào)樣件在395Hz處降低11dB左右，在345Hz處降低5dB左右。3個(gè)樣件降噪效果明顯，綜合成本、空間約束、廠商要求等因素，最終選用1號(hào)樣件的波長管。

5、結(jié)論

結(jié)合波長管的理論知識(shí)和相關(guān)軟件，設(shè)計(jì)了某車型進(jìn)氣系統(tǒng)1/4波長管的參數(shù)，并與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的1/4波長管降噪效果明顯，進(jìn)氣噪聲得到明顯改善。本文所提出的方法可以精確、高效地對(duì)波長管的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，降低汽車的研發(fā)成本階段。

[1] 邊強(qiáng)，高文志，張晶.發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)階次噪聲及其消減方法.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012.28(1)：57-63.

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Effect of Parameters of 1/4 Wave Length Tube on Engine Intake Noise

Wang Xiaolong, Lu Jing, Wang Yayun, Shu Peipei
(College of Automobile and Transportation Engineering, Guangxi University of Science and Technology, Guangxi Liuzhou 545006)

The 1/4 wave length tube is the main silencer components for the engine intake system, which has been widely used in the NVH design of automobile. In the developing process of a vehicle, a greater roar has been found at a specific frequency. The vehicle experimental results show that, parameters of the 1/4 wave length tube are incorrect. Based on the duct acoustics principle, the mathematical model of the 1/4 wave length tube is established in this paper, and the transmission loss function of the 1/4 wave length tube is formulated. By using MATLAB, the transmission losses of wave length tubes are calculated with various parameters and its structural parameters are also determined. According to the results, 1/4 wave length tubes are made and applied in a vehicle. Then, the engine intake noise is measured with Lms.Test.lab. The experimental results show that, vibration noise has been significantly reduced with the installation of 1/4 wave length tubes, and the NVH characteristic of the vehicle is also improved.

1/4 wave length tube; intake noise; duct acoustics; parameter design

U464

A

1671-7988(2014)09-49-03

王小龍，就職于廣西科技大學(xué)汽車與交通學(xué)院。

廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2012GXNSFAA053207）資助。