韋唐凌，蔣程學(xué)，張佳煦

(柳州日高濾清器有限責(zé)任公司，廣西柳州 545616)

0 引言

隨著汽車(chē)技術(shù)不斷的發(fā)展和人們生活水平的日益提高，顧客在選擇汽車(chē)時(shí)越來(lái)越關(guān)注汽車(chē)的駕乘舒適性，在談?wù)摯祟悊?wèn)題時(shí)通常會(huì)引入一個(gè)術(shù)語(yǔ)：NVH，即是噪聲(Noise)、振動(dòng)(Vibration)和聲音粗糙度(Harshness)3個(gè)英文單詞首字母的縮寫(xiě)。對(duì)駕乘舒適性影響最直接的車(chē)內(nèi)噪聲來(lái)說(shuō)，噪聲源主要有以下幾個(gè)：排氣系統(tǒng)輻射噪聲、進(jìn)氣系統(tǒng)輻射噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲、車(chē)身結(jié)構(gòu)噪聲、風(fēng)噪和路噪等。進(jìn)氣噪聲是汽車(chē)最主要的噪聲源之一，因此進(jìn)氣系統(tǒng)的降噪設(shè)計(jì)也是非常重要的環(huán)節(jié)。

1 設(shè)計(jì)原理

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的進(jìn)氣噪聲是由進(jìn)氣門(mén)周期性開(kāi)、閉而產(chǎn)生的壓力波動(dòng)所形成的，它主要包括三種成分[1]：

(1)進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)活塞作變速運(yùn)動(dòng)所引起的進(jìn)氣脈動(dòng)噪聲。

(2)進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)進(jìn)氣管道中的空氣柱共振噪聲。

(3)氣流流經(jīng)進(jìn)氣門(mén)環(huán)隙時(shí)產(chǎn)生的渦流噪聲。

沿“節(jié)氣門(mén)→出氣軟管→空濾器→前進(jìn)氣管”向外傳播，屬于氣動(dòng)噪聲，將其定義為進(jìn)氣口輻射噪聲。

在進(jìn)氣系統(tǒng)的降噪設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先關(guān)注的是消聲性能?？諡V器本身就是一個(gè)擴(kuò)張消聲器，進(jìn)氣口氣動(dòng)噪聲與消聲容積有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，消聲容積越大越好，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間有限，在消聲容積一定的情況下如果想降低進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲，最好的辦法是縮小進(jìn)氣管的截面積，因?yàn)榻孛娣e越小，擴(kuò)張消聲器的擴(kuò)張比就越大，消聲效果就越好。但問(wèn)題是管道的截面積如果太小，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣阻力升高，發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率降低。另外，進(jìn)氣系統(tǒng)可通過(guò)增加消聲單元來(lái)提高消聲性能，例如：旁通管諧振器、穿孔消聲器、1/4 波長(zhǎng)管以及開(kāi)在進(jìn)氣管上的消聲孔等。

通常評(píng)價(jià)進(jìn)氣系統(tǒng)的消音效果采用兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：傳遞損失(Transmission Loss)和插入損失(Insertion Loss)。傳遞損失表明聲音經(jīng)過(guò)消音元件后聲音能量的衰減，即入射聲功率級(jí)和透射聲功率級(jí)的差值，一般用來(lái)評(píng)價(jià)單個(gè)消音元件；而插入損失是指一個(gè)系統(tǒng)中插入了消音元件之前和之后，在出口處得到的聲功率級(jí)的差值，與傳遞損失只考慮消音元件本身不同，插入損失是考慮整個(gè)系統(tǒng)[1]。也就是說(shuō)除了消音元件本身外，插入損失還包括了聲源和出聲口(如進(jìn)氣口和排氣尾管)的聲學(xué)特征，因此這種方法是描述整個(gè)系統(tǒng)消音效果的最佳表達(dá)方式。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 原始方案

在某案例中，某公司根據(jù)主機(jī)廠發(fā)布的發(fā)動(dòng)機(jī)艙數(shù)模邊界進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，盡量爭(zhēng)取獲得最大的空濾容積，并設(shè)置合理的進(jìn)出氣管走向和形狀。通過(guò)CFD仿真計(jì)算，在進(jìn)氣阻力滿足設(shè)計(jì)要求后，確定了進(jìn)氣系統(tǒng)的原始方案(如圖1所示)，并預(yù)留諧振腔位置，開(kāi)始進(jìn)入噪聲分析階段。首先進(jìn)行的是進(jìn)氣口輻射噪聲(插入損失)的計(jì)算。通常采用的是一維有限體積法(Fintie Volume Method)進(jìn)行求解，目前該技術(shù)在行業(yè)內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，而GT-POWER就是其中較成熟的一款商用軟件。

進(jìn)氣系統(tǒng)原始方案中空濾器容積為6.1 L，空濾器進(jìn)氣管內(nèi)徑為43 mm，出氣管內(nèi)徑為60 mm,經(jīng)過(guò)幾何離散(如圖2所示)，在軟件中建立了進(jìn)氣系統(tǒng)GT模型(如圖3所示)，按測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)在進(jìn)氣管口10 cm的位置設(shè)置麥克風(fēng)，聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)模型和排氣系統(tǒng)模型進(jìn)行進(jìn)氣口輻射噪聲的計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果如圖4所示。進(jìn)氣系統(tǒng)總噪聲在轉(zhuǎn)速為1 200～3 600 r/min超出目標(biāo)值；階次噪聲方面，多處噪聲峰值超出要求，先針對(duì)比較突出的2階轉(zhuǎn)速2 600 r/min(86 Hz)、6階轉(zhuǎn)速4 800 r/min和8階轉(zhuǎn)速3 600 r/min(同為480 Hz)峰值設(shè)計(jì)消聲元件。

圖1 進(jìn)氣系統(tǒng)原始方案

圖2 進(jìn)氣系統(tǒng)模型的幾何離散

圖3 GT模型

2.2 優(yōu)化方案

在設(shè)計(jì)消聲元件的時(shí)候，先評(píng)估消聲元件的最優(yōu)連接位置，然后再根據(jù)空間位置設(shè)計(jì)合適的消聲元件。通常采用聲學(xué)有限元法(Acoustic Finite Element Method,AFEM)進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)壁面聲壓計(jì)算，當(dāng)頻率一定時(shí)，在壁面聲壓級(jí)高的地方設(shè)置消聲元件可以取得更好的消聲效果。LMS Virtual.Lab軟件作為國(guó)際領(lǐng)先的功能品質(zhì)工程集成解決方案，其中的sysnoise模塊可以很好地完成壁面聲壓計(jì)算；首先劃分網(wǎng)格，再將進(jìn)氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)接口處設(shè)置為振動(dòng)速度邊界，進(jìn)氣口設(shè)置為聲阻抗，然后進(jìn)行計(jì)算(如圖5所示)。

從分析結(jié)果可知(如圖6所示)，86 Hz和480 Hz消聲元件均可設(shè)置在進(jìn)氣管中段，根據(jù)進(jìn)氣管周邊的空間位置，開(kāi)始設(shè)計(jì)消聲元件。將接在進(jìn)氣管道上消聲元件稱為旁支消音器，較常用的有兩種結(jié)構(gòu)：赫爾姆茲消聲器(諧振腔)和1/4波長(zhǎng)管，其中，赫姆霍茲消聲器的共振頻率為：

式中：V為空濾器容積；lc為連接管長(zhǎng)度；Sc為連接管截面積。

優(yōu)化方案預(yù)計(jì)采用2個(gè)諧振腔，容積分別為1.5 L和0.3 L，并導(dǎo)入GT-POWER軟件進(jìn)行優(yōu)化方案計(jì)算(如圖7所示)。從分析結(jié)果看(如圖8所示)，階次噪聲基本符合要求， 6階轉(zhuǎn)速4 800 r/min和8階轉(zhuǎn)速3 600 r/min的480 Hz噪聲峰值已徹底消除，各階次噪聲也明顯降低，而2階轉(zhuǎn)速2 600 r/min(86 Hz)的峰值略為下降但依然存在，主要是因?yàn)橹C振腔的消聲容積不足造成的。

圖6 原始方案的壁面聲壓級(jí)云圖

圖7 在進(jìn)氣管道增加2個(gè)諧振腔的優(yōu)化方案

圖8 優(yōu)化方案進(jìn)氣口輻射噪聲的仿真結(jié)果

3 測(cè)試驗(yàn)證

后續(xù)制作了進(jìn)氣系統(tǒng)原始方案和優(yōu)化方案的快速樣件到整車(chē)半消聲室進(jìn)行進(jìn)氣口輻射噪聲測(cè)試，結(jié)果顯示：

(1)計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果較吻合(如圖9和圖10所示)，優(yōu)化方案在增加諧振腔后，消除了6階轉(zhuǎn)速4 800 r/min和8階轉(zhuǎn)速3 600 r/min的480 Hz噪聲峰值(如圖11所示)；

(2)2階轉(zhuǎn)速2 600 r/min(86 Hz)存在噪聲峰值，后經(jīng)驗(yàn)證，對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲無(wú)明顯影響，優(yōu)化方案通過(guò)認(rèn)可。

圖9 原始方案的進(jìn)氣口輻射噪聲測(cè)試結(jié)果

圖10 優(yōu)化方案的進(jìn)氣口輻射噪聲測(cè)試結(jié)果

圖11 原始方案和優(yōu)化方案的測(cè)試結(jié)果比對(duì)

4 結(jié)論

在進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可先通過(guò)GT-POWER軟件計(jì)算進(jìn)氣口輻射噪聲，再針對(duì)噪聲峰值采用LMS Virtual.Lab軟件計(jì)算流體域的壁面聲壓級(jí)云圖，由此可選擇最佳的連接位置增加消聲元件，即可達(dá)到良好的消聲效果。經(jīng)比對(duì)，兩款軟件聯(lián)合計(jì)算的仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合，可以為進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲設(shè)計(jì)提供快速準(zhǔn)確的方案依據(jù)。