孫 佳，周丹丹，羅恩志

（1.長城汽車股份有限公司 技術中心,河北 保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

某型車進氣轟鳴問題研究

孫 佳1,2，周丹丹1,2，羅恩志1,2

（1.長城汽車股份有限公司 技術中心,河北 保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

某新開發(fā)自然吸氣發(fā)動機車輛在加速過程中當發(fā)動機轉速為2 000 r/min左右時車內(nèi)存在轟鳴聲，嚴重影響車內(nèi)乘坐舒適性。運用道路試驗分析、CAE分析等手段對噪聲產(chǎn)生的原因進行研究，最終確定原因是進氣系統(tǒng)壓力波動導致空氣濾清器振動，經(jīng)由車身連接點至車內(nèi)傳遞路徑放大導致轟鳴噪聲。通過優(yōu)化進氣系統(tǒng)壓力波動，增加赫姆霍茲諧振腔，降低激勵源，并在車身與空濾連接點增加橡膠墊片以衰減振動傳遞，使車內(nèi)前后排噪聲幅值各降低7 dB左右。

聲學；轟鳴聲；進氣系統(tǒng)；道路試驗；CAE分析

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，汽車越來越成為家庭生活和工作出行不可或缺的工具。而伴隨著工業(yè)水平的進步，人們對車輛各方面的要求也越來越高，在滿足代步的同時更追求車輛的舒適性，而NVH問題正是影響車輛舒適性的主要問題。在組成車輛的眾多系統(tǒng)中，進氣系統(tǒng)是引起車輛振動噪聲的主要原因之一，對車輛NVH性能有重要影響。

1 進氣噪聲產(chǎn)生機理分析

對于自然吸氣汽油發(fā)動機，進氣噪聲主要有四種：周期性壓力脈動噪聲、管道氣柱共振噪聲、氣缸的赫姆霍茲噪聲和渦流噪聲[1]。

1.1 周期性壓力脈動噪聲

發(fā)動機工作時，氣門周期性開閉，引起進氣管道內(nèi)氣流壓力與速度形成周期性的波動，形成周期性壓力脈動噪聲。發(fā)動機一個工作循環(huán)會產(chǎn)生兩個壓力脈沖，兩個壓力脈沖周期性地發(fā)生，形成周期性噪聲，周期性壓力脈動噪聲的主要頻率隨發(fā)動機轉速改變而變化。

1.2 管道氣柱共振噪聲

當發(fā)動機進氣門關閉時，進氣管構成了一端封閉而另一端開口的氣柱共振系統(tǒng)，在進氣管內(nèi)具有連續(xù)質(zhì)量分布和可壓縮的空氣，非常容易產(chǎn)聲氣柱共振。氣柱共振以空氣為介質(zhì)在管道內(nèi)傳播，與聲波傳播密切相關，當氣柱振動的某1階固有頻率與聲源的激振頻率比較接近時，產(chǎn)生的共振使進氣管道內(nèi)發(fā)生強烈的振動和輻射噪聲。

1.3 氣缸的赫姆霍茲噪聲

將發(fā)動機的氣缸簡化成一個赫姆霍茲共振腔，當缸內(nèi)氣體壓力脈動頻率等于發(fā)動機各階次基頻時，會產(chǎn)生共振，輻射噪聲最大。

1.4 渦流噪聲

當高速氣流從發(fā)動機進氣歧管中進入發(fā)動機氣缸時，受進氣管內(nèi)障礙物如氣門、氣門導管、進氣管彎角、進氣管內(nèi)毛刺、尖劈等的影響，進氣管內(nèi)的氣流受到阻礙形成渦流，產(chǎn)生渦流噪聲[2,3]。

2 問題描述

某款新研發(fā)的自然吸氣發(fā)動機車型，在性能驗證階段，主觀評價發(fā)現(xiàn)當發(fā)動機轉速達到2 000 r/min左右車內(nèi)存在轟鳴聲，且后排轟鳴聲高于前排，車內(nèi)地板有明顯不舒適振動，此問題嚴重影響整車NVH性能。

3 原因分析

3.1 主觀評價及分析

通過主觀評價發(fā)現(xiàn)，該問題只有在加速狀態(tài)明顯且在急加速時問題比較嚴重。初步判斷此問題與進氣系統(tǒng)有關。

3.2 道路測試

為查找問題原因，對問題樣車進行道路試驗測試。分別在機艙進氣口、車內(nèi)駕駛員耳旁、后排乘客右耳位置布置麥克風?？紤]到空濾安裝在車身上，在空濾殼體上布置振動傳感器。運用LMS公司Test.Lab測試軟件，采用Signature Testing-Advanced測試模塊對整車進行振動測試，采樣頻率帶寬為2 048 Hz，頻率分辨率為0.5 Hz。在平坦道路行駛、三檔全負荷加速工況，采集發(fā)動機轉速從1 000 r/min至4 100 r/min區(qū)間的振動噪聲數(shù)據(jù)。

通過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)當發(fā)動機轉速達到2 000 r/min時車內(nèi)有明顯噪聲峰值。從噪聲、空濾殼體振動數(shù)據(jù)上看在2 000 r/min均存在峰值（見圖1），因此，判斷車內(nèi)轟鳴由進氣系統(tǒng)引起。

圖1 原狀態(tài)車內(nèi)噪聲及空濾振動曲線

為進一步確認問題根源是由進氣口輻射引起還是空濾振動引起，設計兩組試驗方案。

1)將進氣前導管用管路加長引出發(fā)動機艙，對進氣口噪聲進行屏蔽[4]，以觀察進氣輻射噪聲的貢獻；

2)將空氣濾清器與車身的連接點斷開，以觀察結構振動對問題的貢獻。

測試數(shù)據(jù)如下：

(1)屏蔽進氣方案對應的車內(nèi)噪聲水平見圖2，其中實線為屏蔽進氣前的曲線，虛線為屏蔽進氣后的曲線。

圖2 屏蔽進氣方案對應的車內(nèi)噪聲

(2)斷開空氣濾清器和車身連接點后車內(nèi)噪聲水平見圖3，其中實線為斷開連接前的曲線，虛線為斷開連接后的曲線。

圖3 斷開連接方案對應的車內(nèi)噪聲

從兩種方案的測試數(shù)據(jù)可以看出，屏蔽進氣后車內(nèi)噪聲無明顯變化，但斷開空濾與車身連接點后車內(nèi)噪聲峰值明顯降低，主觀評價車內(nèi)噪聲可接受。據(jù)此判斷此問題是空濾振動通過車身傳遞到車內(nèi)引起車內(nèi)轟鳴。

3.3 進氣系統(tǒng)壓力波動測試

為了找出空濾在2 000 r/min存在振動峰值的原因，在空濾后導管布置壓力傳感器進行管路壓力測試。

從圖4壓力脈動測試結果上看，進氣壓力在發(fā)動機2 000 r/min左右存在峰值，與空濾振動曲線一致性較好，表明空濾振動是由進氣壓力脈動激起的。

圖4 空濾壓力脈動曲線

3.4 傳遞路徑排查

針對空濾安裝點到車內(nèi)的聲學傳函進行測試。

從圖5傳函曲線上可以看出空濾安裝點到車內(nèi)聲學傳函在問題頻率區(qū)間存在峰值，而且后排傳函大于前排，這也更好的解釋了為什么車內(nèi)噪聲后排的峰值要大于前排。

圖5 空濾安裝點到車內(nèi)聲學傳函

3.5 原因分析

通過對以上測試數(shù)據(jù)進行分析，得出此問題產(chǎn)生的原因為發(fā)動機在2 000 r/min進氣壓力波動峰值較高，導致空濾振動過大；空濾安裝點到車內(nèi)聲學傳函在問題頻率存在峰值且后排峰值高于前排，而空濾直接螺接在車身上，振動沒有進行有效的衰減。因此振動通過安裝點傳遞到車內(nèi)經(jīng)由路徑放大引起車內(nèi)轟鳴。

4 方案制定及驗證

4.1 方案制定

4.1.1 理論分析

對于優(yōu)化進氣系統(tǒng)壓力波動，最有效的方法就是在進氣系統(tǒng)增加消聲元件，由于之前測得此問題為進氣66 Hz低頻轟鳴問題，所以最終確定在進氣系統(tǒng)增加赫姆霍茲諧振腔；赫姆霍茲諧振腔中心消聲頻率為[5-6]

式中c0為聲速，V為共振腔容積，SC為連接管內(nèi)徑截面積，l為連接管長度?？梢娪绊懞漳坊羝澫暺飨曨l率的參數(shù)有共振腔容積，連接管內(nèi)徑截面積和連接管長度[7]。

4.1.2 仿真計算

為確定赫姆霍茲諧振腔各參數(shù)和布置位置，利用有限元分析方法建立進氣系統(tǒng)模型并進行管口聲壓計算，分析結果見圖6。

圖6 進氣管口聲壓結果

從圖6分析結果上可以看出，進氣導管在70 Hz左右，靠近空濾端拐彎處聲能量較大，拐彎處靠近空濾端和遠離空濾端均可布置諧振腔，分析結果表明，將諧振腔布置在靠近空濾端管口聲壓較原狀態(tài)降低較多[8]見圖7）。

圖7 仿真分析兩個位置與原狀態(tài)管口聲壓

4.1.3 試驗驗證

根據(jù)分析所得參數(shù)制作諧振腔樣件，分別在實車靠近空濾端和遠離空濾端加諧振腔進行進氣口聲壓及空濾振動測試，結果表明靠近空濾端效果較好，與分析結果一致，見圖8。

4.2 效果確認

綜合上述分析過程，最終方案為結合機艙空間布置將諧振腔裝在空濾前導管靠近空濾處，并在空濾和車身連接螺栓上增加橡膠墊片，見圖9。

在車輛上實施優(yōu)化方案后，再次對車內(nèi)噪聲進行測試，結果見圖10。

圖8 兩種方案進氣口聲壓

圖9 最終方案

圖10 車內(nèi)噪聲優(yōu)化前后對比

經(jīng)上述優(yōu)化后，車內(nèi)噪聲降低明顯，前后排在發(fā)動機2 000 r/min左右降低約7 dB，主觀評價可接受，此問題得以解決。

5 結語

（1）針對某新開發(fā)車型試驗驗證階段出現(xiàn)的車內(nèi)轟鳴聲問題，從試驗出發(fā)對問題進行研究，排查出引起加速工況2 000 r/min下車內(nèi)轟鳴聲問題的原因為進氣壓力波動引起空濾振動，經(jīng)空濾安裝點傳至車身，被傳遞路徑放大，從而引起車內(nèi)轟鳴噪聲。

（2）對進氣系統(tǒng)優(yōu)化進行理論分析，通過仿真分析手段確定增加赫姆霍茲諧振腔，經(jīng)試驗確定其參數(shù)和位置。

（3）通過此問題的研究，總結出進氣系統(tǒng)對車內(nèi)噪聲振動的影響因素和進氣壓力波動引起車內(nèi)噪聲問題的解決思路，對避免進氣系統(tǒng)在車型開發(fā)前期出現(xiàn)此類問題積累了經(jīng)驗，具有指導意義。

[1]邵恩坡.發(fā)動機進氣噪聲產(chǎn)生的機理及其控制[J].小型內(nèi)燃機，1994，23(4)：44-47.

[2]楊神林.某SUV加速行駛進氣噪聲分析與控制研究[D].長春：吉林大學，2012.

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Study on Vehicle Booming Noise Induced by Intake System

SUN Jia1,2,ZHOU Dan-dan1,2,LUO En-zhi1,2
（1.R&D Center of Great Wall Motor Company,Baoding 071000,Hebei China; 2.Automotive Engineering Technical Research Center of Hebei Province, Baoding 071000,Hebei China）

There is a booming noise for a newly developed vehicle with a natural intake system when it is accelerating and the speed of the engine reaches 2 000 r/min,which seriously affects the NVH performance.In this paper,the cause of booming noise is analyzed by means of road test method and CAE method.It is found that the pressure fluctuation of the intake system induces the vibration of the air-filter.This vibration is transferred from the joint between the air filter and the car body to the monocoque and then amplified,which leads to the booming noise.Afterwards,the intake system is optimized by adding a Helmholz resonant cavity to reduce the pressure fluctuation.The rubber washer is added at the joint to attenuate the vibration transfer.Finally,the sound pressure level of the booming noise in the monocoque is reduced by 7 dB.

acoustics;booming noise;intake system;road test;CAE method

O422.6

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.06.040

1006-1355(2016)06-0202-04

2016-06-20

孫佳（1987-），男，河北省新樂市人，學士學位，助理工程師，主要從事NVH分析與控制研究。E-mail:sunjia87@sina.cn