周曉杰，劉志恩，顏伏伍,杜松澤

(1.武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070； 2．武漢理工大學 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070)

隨著生活水平的提高，消費者對汽車的聲品質(zhì)有了更高的要求，如今汽車的聲品質(zhì)已經(jīng)成為汽車制造商和研究人員關(guān)注的焦點之一[1]。聲品質(zhì)的調(diào)節(jié)主要依靠進氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)，進氣系統(tǒng)中主要依靠進氣歧管來調(diào)節(jié)，排氣系統(tǒng)中主要依靠排氣歧管來調(diào)節(jié)，改善聲品質(zhì)對提高發(fā)動機乃至整車NVH性能具有非常重要的影響[2]。

聲品質(zhì)要求就是考慮聲音的頻率成分。福特公司[3]認為：聲品質(zhì)設(shè)計主要包括發(fā)火階次、高頻噪聲、響度以及線性度，其中對于舒適性的車輛發(fā)火階次起主要作用，半階次主要影響車輛的運動感。Antonio[4]認為進排氣噪聲中半階成分使聲音更具運動感，是運動型車的理想選擇。Johnson[5]認為購買中高級轎車的消費者主要關(guān)注車輛的舒適性，而購買跑車的消費者主要關(guān)注車輛的運動性，因此，想要提高車輛的運動性就要提高半階次噪聲。Ohsasa和Kadomatsu[6]采用評審團的方法，得到噪聲所包含的半階次噪聲水平越高，噪聲的動力感越強的結(jié)論。

筆者基于一款4缸1.6 L自然吸氣發(fā)動機為研究對象，在不影響發(fā)動機性能的前提下，通過改變進氣歧管的長度，研究聲品質(zhì)的變化，并以此為依據(jù)設(shè)計了一款進氣歧管，使噪聲組成中含有較高聲壓水平的半階噪聲使其噪聲更富有運動感。由于發(fā)動機艙空間的限制，不考慮各歧管差值超過原歧管長度的情況。

1 進氣歧管聲學公式推導

在發(fā)動機進排氣管道中傳播的聲波，可以認為以平面波的形式傳播。聲音在管道中傳播，當達到管道頂端時，一部分會透過管道繼續(xù)傳播，而另一部分聲波則會被反射回去，形成反射波[7-8]。

管道中任何一點的聲壓是入射聲壓和反射聲壓的合成，可以用式(1)表示：

P(x,t)=PAej(ωt-Kx)+PBej(ωt+Kx)

(1)

式中：K和ω分別為聲波的波數(shù)和圓頻率；PA和PB分別為入射聲波和反射聲波的幅值；x為聲波傳播方向；t為時間。

在進氣總管口，聲壓為傳遞到各缸的聲壓力之和，因此進氣總管口的聲壓為：

P(θ)=(PAiejmθ-ωc+PBiejmθ+ωc)e0+

(PAiejmθ-ωcI3+PBiejmθ+ωcI3)ejmπ+

(PAiejmθ-ωcI4+PBiejm(θ+ωcI4))ej2mπ+

(PAiejm(θ-ωcI2)+PBiejm(θ+ωcI2))ej3mπ

(2)

式中：m為發(fā)動機發(fā)火階次；θ為一缸對應的曲軸轉(zhuǎn)角；Ii為第i個歧管的長度；c為聲速；ω為發(fā)動機曲軸的角速度；j為發(fā)火順序。

當m=1、3、5等非發(fā)火階次及其諧階次和半階之外的整數(shù)階時，假設(shè)發(fā)動機各缸工作均勻，認為PAi=PA，PBi=PB,式(2)可以表示為：

Pm(θ)=(PAejmθ-ωcI1+PBejmθ+ωcI1)-

(PAejmθ-ωcI3+PBejmθ+ωcI3)+

(PAejmθ-ωcI4+PBejmθ+ωcI4)-

(PAejmθ-ωcI2+PBejmθ+ωcI2)

(3)

當m=2、4、6等發(fā)火階次及其諧階次時，式(2)可以表示為：

Pm(θ)=(PAejmθ-ωcI1+PBejmθ+ωcI1)+

(PAejmθ-ωcI3+PBejmθ+ωcI3)+

(PAejmθ-ωcI4+PBejmθ+ωcI4)+

(PAejmθ-ωcI2+PBejmθ+ωcI2)

(4)

當m=0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6.5等半階次時：

Pm(θ)=(PAejmθ-ωcI1+PBejm(θ+ωcI1))-

(PAejmθ-ωcI4+PBejmθ+ωcI4)

(5)

通過式(1)～式(5)的推導，對四缸發(fā)動機而言，可以得出以下結(jié)論：

(1)半階噪聲受間隔發(fā)火缸的歧管長度影響，即受1、4號歧管長度和2、3號歧管長度的影響。

(2)主階次噪聲只受相鄰發(fā)火兩缸歧管長度相互關(guān)系影響。

2 仿真模型搭建與方案設(shè)計

2.1 仿真模型搭建

通過GT-Power軟件建立仿真模型，Pang[9]已經(jīng)驗證了在排氣歧管中歧管是直管或者彎管對噪聲基本無影響，進氣歧管與排氣歧管相同，因此為了方便研究進氣歧管長度對進氣聲品質(zhì)的影響，在仿真時將進氣歧管上部的管路建成一段直管。通過GT-Power軟件計算，將仿真值與實驗值進行模型校準[10]。通過比較，其仿真的進氣管口噪聲與實驗的進氣管口噪聲的誤差均在4.7%以內(nèi)，結(jié)果如圖1所示。2階、4階、6階整階次噪聲與2.5階、3.5階、4.5階、5.5階半階次噪聲誤差不大且趨勢基本相同，因此該發(fā)動機進氣系統(tǒng)模型可以用于該進氣系統(tǒng)仿真[11]。

圖1 進氣管口噪聲對標

2.2 進氣歧管方案設(shè)計及仿真結(jié)果

進氣歧管GEM 3D模型如圖2所示，歧管長度從左到右依次為I1、I2、I3、I4，原進氣歧管的歧管長度I1、I2、I3、I4均為360 mm，為等長進氣歧管。

圖2 原進氣歧管GEM 3D模型

根據(jù)式(2)～式(5)的推導和結(jié)論，即半階噪聲受間隔發(fā)火缸的歧管長度影響，主階次噪聲受相鄰發(fā)火兩缸歧管長度相互關(guān)系影響，且不考慮各歧管差值超過原歧管長度的情況，因此設(shè)計了5個方案，其中方案一為原方案，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 進氣歧管設(shè)計方案參數(shù)

經(jīng)過GT-Power軟件仿真得到5個方案的2階、4階、6階噪聲對比，如圖3所示，5個方案的2.5階、3.5階、4.5階、5.5階噪聲仿真對比，如圖4所示。

通過改變等長歧管的長度來研究不同長度的等長歧管對階次噪聲的影響，設(shè)計了方案六、方案七，方案一為原方案，具體參數(shù)如表2所示。

表2 等長進氣歧管對比方案參數(shù)

圖3 不同設(shè)計方案整階次噪聲仿真對比

經(jīng)過仿真計算，3個等長進氣歧管方案的OA、2階、4階、6階噪聲對比如圖5所示。

2.3 進氣歧管仿真結(jié)果分析

通過對比圖3(a)～圖3(c)發(fā)現(xiàn),隨著歧管長度的改變，進氣噪聲的2階、4階、6階有變化，但最大噪聲值基本相同；對比圖4(a)～圖4(d)發(fā)現(xiàn)，隨著歧管長度的改變，進氣噪聲2.5階、3.5階、4.5階、5.5階整體提高，且隨著間隔發(fā)火缸的歧管長度相差越大，2.5階、3.5階、4.5階、5.5階半階次噪聲提高越大，最高能達20 dB(A)。

圖4 不同設(shè)計方案半階次噪聲仿真對比

圖5 等長歧管設(shè)計方案整階次噪聲仿真對比

通過對比圖5(a)～圖5(d)可知,等長歧管當各管長度同時改變時，噪聲峰值對應的頻率發(fā)生了改變，說明通過改變等長進氣歧管的長度可以增加或者減小某些特定頻率的噪聲，因此在實際工程中可以調(diào)整進氣歧管的長度來減少一些不必要的頻率。

3 新進氣歧管設(shè)計

由上述得出的結(jié)論即間隔發(fā)火缸歧管長度相差越大，半階次噪聲提高越明顯，又由于發(fā)動機艙的空間限制，最終設(shè)計成了如圖6所示的不等長歧管的形式。新設(shè)計的歧管的參數(shù)如表3所示。

圖6 新進氣歧管GEM 3D模型

表3 新進氣歧管參數(shù)

3.1 新進氣歧管仿真結(jié)果

新進氣歧管方案的2階、4階、6階仿真結(jié)果與原進氣歧管仿真結(jié)果對比如圖7所示。

圖7 進氣歧管整階次噪聲仿真對比

新進氣歧管方案的2.5階、3.5階、4.5階、5.5階與原進氣歧管仿真結(jié)果對比如圖8所示。

圖8 進氣歧管半階次噪聲仿真對比

3.2 新進氣歧管仿真結(jié)果分析

對比圖7的仿真結(jié)果，新進氣歧管方案與原進氣歧管方案相比，2階、4階、6階噪聲最大值基本相同，但是峰值對應的頻率不同；對比圖8的仿真結(jié)果，新進氣歧管方案與原進氣歧管方案相比，2.5階、3.5階、4.5階、5.5階噪聲值均整體提高，最高增加了20 dB(A)，因此該新進氣歧管顯著提高了半階次噪聲，滿足設(shè)計要求。

4 新進氣歧管與發(fā)動機耦合性能仿真

將新進氣歧管替換原機的進氣歧管與發(fā)動機在GT-Power軟件中耦合進行扭矩、功率性能仿真，驗證發(fā)動機扭矩、功率是否發(fā)生了變化。仿真結(jié)果如圖9、圖10所示，新設(shè)計的進氣歧管方案的扭矩、功率與原進氣歧管方案相比基本沒有改變。因此可以得出以下結(jié)論，僅僅改變進氣歧管的長度，對發(fā)動機的扭矩、功率基本沒有影響。

圖9 扭矩對比

圖10 功率對比

5 進氣歧管聲學試驗驗證

將新設(shè)計的進氣歧管與原進氣歧管在整車半消試驗室進行噪聲測試實驗。測試設(shè)備采用LMS SCADAS Mobile 40通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及麥克風等，圖11為進氣口噪聲測試麥克風布置位置。新設(shè)計的進氣歧管方案與原進氣歧管方案的整階次噪聲對比如圖12所示，半階次噪聲對比如圖13所示。

圖11 進氣口噪聲測試

圖12 整階次噪聲試驗對比

圖13 半階次噪聲試驗對比

通過圖12、圖13新進氣歧管方案與原進氣歧管方案整階次、半階次的噪聲測試結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)2階、4階、6階的峰值基本相同，只是峰值對應的頻率有差異；2.5階、3.5階、4.5階、5.5階均整體提高，最高提高20 dB(A)，滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)論

(1)適當改變進氣歧管的歧管長度對發(fā)動機扭矩、功率基本無影響。

(2)等長進氣歧管的管長對不同頻率下的噪聲值有影響，可通過改變等長進氣歧管的管長來針對實際需求增加或者減小某些特定頻率的噪聲。

(3)不等長進氣歧管對半階次噪聲影響很大，能顯著整體提高2.5階、3.5階、4.5階、5.5階半階次噪聲，進氣歧管間隔發(fā)火缸的歧管長度相差越大，半階次噪聲整體提高越大。