孫中政

（杜邦中國(guó)研發(fā)管理有限公司，上海201203）

隨著汽車輕量化及節(jié)能減排要求的提高，越來越多的進(jìn)氣管道使用塑料管道替代金屬橡膠管道；采用塑料管道可以降重40%～70%。同時(shí)人們對(duì)乘坐舒適度要求的提高及相關(guān)法規(guī)的逐步嚴(yán)格，致使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)有了更為嚴(yán)格的降噪要求。進(jìn)氣管道管壁的輻射噪聲是進(jìn)氣噪聲主要來源之一，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)塑料替代后的進(jìn)氣管道NVH（Noise Vibration and Harshness，噪聲、振動(dòng)及聲振粗糙度）的性能非常必要。本文研究如何準(zhǔn)確評(píng)價(jià)管道管壁的透射噪聲，傳遞損失只與管道管壁自身聲學(xué)特性有關(guān)，不受聲源特性、末端輻射特性及管道外部聲場(chǎng)特性的影響，是管道管壁聲音透射特性研究有效評(píng)價(jià)方法。

現(xiàn)有對(duì)于傳遞損失的研究，其主要是空間聲場(chǎng)的傳遞損失和管道內(nèi)消聲器或者材料傳遞損失的研究。而對(duì)于結(jié)合管道內(nèi)聲場(chǎng)特性和空間聲場(chǎng)特性的傳損研究相對(duì)較少。對(duì)于空間場(chǎng)的傳遞損失測(cè)試，采用混響室+混響室的方法，或者混響室+消聲室的方法，研究三明治板結(jié)構(gòu)等人工周期結(jié)構(gòu)[1]，雙層多層材料結(jié)構(gòu)[2]等的隔聲性能。管道內(nèi)的傳損研究方向有流速的影響[3]，具有多輸入多輸出的管道測(cè)試方法[4]，以及含有非平面波的傳播波的測(cè)試[5]等。綜合空間場(chǎng)的傳遞損失測(cè)試方法和管道內(nèi)的傳遞損失測(cè)試方法，可以知道，傳遞損失為入射聲能量與透射聲能量的比值。因此管道管壁的傳遞損失為管道內(nèi)入射的聲能量與管道管壁外透射聲能量的比值。本文在管道內(nèi)基于平面波理論分離入射波和反射波，并采用雙邊界方法消除測(cè)試管道內(nèi)聲源和管道末端聲學(xué)特性影響。在空間聲場(chǎng)，消聲室環(huán)境確保測(cè)試頻率范圍內(nèi)，為直達(dá)聲的近場(chǎng)或自由場(chǎng),管壁外無反射聲，無聲能量透射入管道。管道內(nèi)部入射聲功率與管道外聲功率比值為管道管壁傳遞損失并采用聲強(qiáng)掃描進(jìn)行聲源識(shí)別測(cè)試及聲功率測(cè)試。

1 管壁傳遞損失

1.1 傳遞損失理論基礎(chǔ)

以行波表征管道內(nèi)聲波特性，上游管道包含入射波與反射波，下游管道包含管道透射波與末端反射波，管道外自由場(chǎng)為管壁透射波。對(duì)于管道內(nèi)平面波，上游管道可以用兩個(gè)麥克風(fēng)分離入射波與反射波；下游管道可用兩麥克風(fēng)分離透射波與末端反射波。如圖1所示，管道管壁透射聲能量來源于管道內(nèi)的入射聲能量與末端反射聲能量。

圖1 管道內(nèi)聲音傳播路徑

待測(cè)管道內(nèi)的聲壓可以用入射聲壓與反射聲壓線性表示[6]

Pin表示待測(cè)管道內(nèi)部聲壓，Pi為管道內(nèi)入射聲聲壓，Pd表示末端反射聲聲壓，ai，bi管道內(nèi)入射和末端反射聲壓在待測(cè)管道內(nèi)的常數(shù)系數(shù)。

參考空間聲場(chǎng)傳遞損失測(cè)試方法，管道的傳遞損失由管道內(nèi)的聲功率和管道外的聲功率如下表示

TLWio為管道內(nèi)外的聲功率傳遞損失，LWin為管道內(nèi)聲功率級(jí)，LWout為管道外聲功率級(jí)，Win為管道內(nèi)聲功率，Wout為管道外聲功率，Pout表示管道外部聲壓，m為常數(shù)，說明內(nèi)外聲壓可線性表述。由式(1)、式(2)可知，管道外聲壓可以由管道內(nèi)的入射聲壓和反射聲壓線性表述

a、b為常數(shù)。

由于管道管壁傳遞損失是管壁自身特性，與聲源特性，管道末端邊界條件，空間聲場(chǎng)特性無關(guān)，因此管道管壁傳遞損失可以定義為管道內(nèi)入射聲功率級(jí)與管道外透射聲功率級(jí)之差

TL為管道管壁的傳遞損失，LWi為管道內(nèi)入射聲功率級(jí)，Wi為管道內(nèi)入射聲功率。

在整車測(cè)試或者臺(tái)架試驗(yàn),管道的聲功率不容易測(cè)量,因而經(jīng)常采用距離管道一定距離的麥克風(fēng)測(cè)量聲壓級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，為與臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試一致，采用管道內(nèi)入射聲壓與管道外透射聲壓的比值平方，為聲壓級(jí)傳遞損失SPTL。

SPTL 為管道內(nèi)入射聲壓級(jí)與管道外的聲壓級(jí)傳遞損失，LPi為管道內(nèi)入射聲的聲壓級(jí)，LPout為管道外聲壓級(jí)。

聲壓傳遞損失只與入射聲能量有關(guān)，定義為末端無反射時(shí)，入射聲壓級(jí)與透射聲壓級(jí)之差。需要消除末端的影響，采用雙邊界法，兩次測(cè)量消除末端影響，即

Pi1，Pi2分別為管道內(nèi)第一次、第二次測(cè)量的入射聲壓；Pd1，Pd2分別為管道內(nèi)第一次、第二次測(cè)量的末端反射聲壓；Pout1，Pout2為管道外部第一次、第二次測(cè)量的聲壓。

考慮管道管壁內(nèi)外介質(zhì)均為常溫空氣，則可以得到聲音能量的管壁傳遞損失（聲功率傳遞損失，簡(jiǎn)稱為傳損）為

Pout1n、Pout2n為管道內(nèi)第n個(gè)測(cè)試點(diǎn)第一次和第二次測(cè)量的聲壓，Si為入射麥克風(fēng)測(cè)量處管道橫截面的面積，Sout為管道外10點(diǎn)聲功率測(cè)試分布測(cè)點(diǎn)的半球面面積。

1.2 測(cè)試系統(tǒng)與方法

測(cè)試系統(tǒng)包含半消聲室，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和管道系統(tǒng)。半消聲室提供截至頻率200 Hz 的自由場(chǎng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如表1所示。

表1 測(cè)試系統(tǒng)元器件

管道系統(tǒng)包含密閉聲源，上游測(cè)試管道，待測(cè)管路，下游測(cè)試管道，下游測(cè)試管道內(nèi)含有消聲末端。管道上傳聲器依次記為1、2、3、4。管道外部傳聲器根據(jù)測(cè)試需求順序向后標(biāo)記。管道外傳聲器布置方式有2種，一種是距離待測(cè)管道上方10 cm處測(cè)試的布置，另一種是采用半球聲功率測(cè)試的布置。

為了研究聲壓級(jí)的管道管壁傳遞損失，分別測(cè)試不同聲源不同末端邊界條件，管道內(nèi)部聲壓級(jí)與管道外部聲壓級(jí)的差。分別使用內(nèi)部麥克風(fēng)1的聲壓級(jí)與外部麥克風(fēng)聲壓級(jí)差值，管道內(nèi)分離入射波與外部麥克風(fēng)聲壓級(jí)差值，通過式(6)雙邊界法計(jì)算末端反射聲能量為零時(shí)管道內(nèi)部分離的入射波與外部麥克風(fēng)聲壓級(jí)差。

使用管道內(nèi)1號(hào)麥克風(fēng)與外部麥克風(fēng)的聲壓級(jí)差做評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2，結(jié)果表明，不同的末端邊界條件，數(shù)據(jù)結(jié)果差異明顯。

圖2 內(nèi)外麥克風(fēng)聲壓差

對(duì)于無吸聲材料的全反射邊界條件，駐波特性明顯，采用吸聲管道末端，駐波特性減弱，但是測(cè)試結(jié)果明顯與末端邊界條件相關(guān)，非管道管壁本身聲學(xué)特性。

使用管道內(nèi)入射聲的聲壓級(jí)與外部麥克風(fēng)聲壓級(jí)差作評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖3。

圖3 入射與透射聲壓級(jí)差

針對(duì)同一種管道末端邊界條件，聲源分別用1 V和2 V激發(fā)，測(cè)試結(jié)果一樣，說明這種測(cè)試方法可以有效避免聲源特性的影響。但是2種不同的管道內(nèi)末端邊界條件，雖然不同條件駐波影響差異不大，測(cè)試結(jié)果還是有較大差異。

通過式(6)的方法，計(jì)算管道內(nèi)末端無反射聲能量時(shí)，管道內(nèi)入射聲壓級(jí)與管道外透射聲壓級(jí)的差。分別測(cè)試了3 種不同組合的邊界條件下的結(jié)果，見圖4。

圖4 聲壓級(jí)傳損

3 種組合分別是管道末端為無吸聲全反射末端和管道末端為弱吸聲末端；管道末端為無吸聲全反射末端和管道末端為強(qiáng)吸聲末端；管道末端為弱吸聲末端和管道末端為強(qiáng)吸聲末端。3種不同測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)一致性強(qiáng)，說明該方法測(cè)試結(jié)果與管道末端聲學(xué)特性無關(guān)，可以得到管道管壁本身傳遞損失。

2 進(jìn)氣管道聲學(xué)性能測(cè)試

2.1 塑料管道與金屬橡膠管道測(cè)試

針對(duì)汽車進(jìn)氣管道，采用管道管壁聲壓級(jí)傳遞損失和聲強(qiáng)掃描法對(duì)金屬＋橡膠管道和塑料管道的透射噪聲的性能進(jìn)行測(cè)試。管道內(nèi)上游測(cè)試管道與下游測(cè)試管道均為2個(gè)1/4英寸壓力場(chǎng)麥克風(fēng)，管道外為前、中、后3個(gè)1/2英寸自由場(chǎng)麥克風(fēng)。

圖5、圖6、圖7結(jié)果表明，在2 050 Hz，2 種方案聲壓級(jí)傳遞損失接近，低于2 050 Hz，塑料件具有更大的傳遞損失，聲學(xué)性能更好。高于2 050 Hz，金屬+橡膠的傳遞損失更大，聲學(xué)性能更好。塑料的在3 000 Hz左右有明顯的一段較差區(qū)域。

圖5 前麥克風(fēng)測(cè)試結(jié)果

為了更好地研究2 種方案的差別，用聲強(qiáng)探頭在管道上方10 cm 處進(jìn)行掃描，采用1/12 倍頻程分析。測(cè)試結(jié)果為圖8聲功率，結(jié)果表明在2 050 Hz，2種方案的聲功率相同。

在低頻區(qū)域，金屬+橡膠方案的聲功率更高，在高頻區(qū)域，塑料方案的聲功率更高。聲強(qiáng)法與聲壓級(jí)傳損的頻率趨勢(shì)一致。掃描聲強(qiáng)法沒有消除測(cè)試系統(tǒng)聲源、末端特性等影響。傳遞損失測(cè)試消除管道內(nèi)聲源特性和末端邊界條件的影響，能更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)管道管壁聲學(xué)特性，。

圖6 中麥克風(fēng)測(cè)試結(jié)果

圖7 后麥克風(fēng)測(cè)試結(jié)果

圖8 聲強(qiáng)掃描法聲功率

2.2 塑料、橡膠管道聲學(xué)性能測(cè)試

對(duì)汽車進(jìn)氣系統(tǒng)的塑料管和橡膠管，分別進(jìn)行聲壓級(jí)的傳遞損失、聲功率的傳遞損失和聲強(qiáng)掃描測(cè)試，分析2 種材料的管道隔聲性能差異。管道的聲壓級(jí)傳遞損失測(cè)試管道外麥克風(fēng)布置在管道上方和側(cè)方距離管道10 cm處。傳損測(cè)試管道外麥克風(fēng)按照標(biāo)準(zhǔn)的聲功率半球10點(diǎn)測(cè)試方法分布麥克風(fēng)。

對(duì)比圖9、圖10、圖11可知，聲功率傳遞損失給出的結(jié)果是管道管壁本身聲學(xué)特性，相對(duì)于某點(diǎn)聲壓級(jí)的傳遞損失測(cè)試結(jié)果，不但消除了管道內(nèi)測(cè)試系統(tǒng)如聲源特性，末端邊界條件的影響，也更好地體現(xiàn)了管道外的聲能量特性。

定點(diǎn)聲壓級(jí)傳遞損失是管道外某一點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果，受測(cè)點(diǎn)位置影響大。而聲功率的傳遞損失是遠(yuǎn)場(chǎng)多測(cè)點(diǎn)的測(cè)試，能夠更加合理客觀地評(píng)價(jià)管道管壁的隔聲性能。

圖9 聲壓級(jí)傳損上方測(cè)點(diǎn)結(jié)果

圖10 聲壓級(jí)傳損側(cè)方測(cè)點(diǎn)結(jié)果

圖11 聲功率傳損結(jié)果

圖12聲強(qiáng)法掃描聲功率測(cè)試結(jié)果表明，聲強(qiáng)掃描法帶有管道內(nèi)聲學(xué)特性，因此聲源能量高的頻率，測(cè)量的聲能量也高。

圖12 聲強(qiáng)掃描法聲功率測(cè)試結(jié)果

傳遞損失測(cè)試結(jié)果與聲功率測(cè)試結(jié)果均表明，在1 600 Hz以前，塑料管道相對(duì)于橡膠管道，具有更好的隔聲性能，輻射的聲功率更小。在2 000 Hz 左右，塑料管道的隔聲性能差于橡膠管道，因此輻射的聲功率多。傳遞損失測(cè)試結(jié)果表明，橡膠管道在800 Hz 左右有明顯的隔聲薄弱區(qū)域，而塑料管道在2 000 Hz左右有明顯的隔聲薄弱區(qū)域。

圖13、圖14聲強(qiáng)分布結(jié)果表明，對(duì)于塑料管道和橡膠管道，主要的輻射聲均來源于波紋管。

圖13 塑料件聲強(qiáng)分布

圖14 橡膠件聲強(qiáng)分布

3 結(jié)語

本文針對(duì)管道管壁傳遞損失進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)，得到管壁本身聲學(xué)特性。通過與掃描聲強(qiáng)法對(duì)比，證明管壁傳損測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試頻率范圍內(nèi)有效，測(cè)試系統(tǒng)消除管道內(nèi)噪聲源，管道末端邊界條件，外部聲場(chǎng)影響，是管道管壁自身聲學(xué)特性有力評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)比塑料件與金屬橡膠件，塑料件和橡膠件，塑料件管道在2 000 Hz左右隔聲性能差。