楊德銀　吳孟兵　麻金賀　張利　何延剛

摘 要：文章針對(duì)某MPV汽車車內(nèi)噪聲大的問(wèn)題，通過(guò)屏蔽法識(shí)別進(jìn)氣噪聲為主要噪聲源，為降低車內(nèi)噪聲提高汽車NVH性能，運(yùn)用三維軟件LMS Virtual Lab對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，找出問(wèn)題原因，提出改進(jìn)措施，通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)有效地降低了進(jìn)氣噪聲，改善了整車NVH性能。關(guān)鍵詞：傳遞損失;赫爾姆茲消聲器;內(nèi)插管;Virtual Lab中圖分類號(hào)：U464.136? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）01-105-04

Abstract： This paper aims at the problem of high interior noise of a MPV vehicle， the intake noise was identified as the main noise source by shielding method， then 3d software LMS Virtual Lab was used to simulate and analyze the intake system， cause of the problem were discovered， and then modification measures were proposed.Through structure optimization， the intake noise was reduced effectively， and thus the overall NVH performance of the vehicle was improved.Keywords： Transmission Loss; Helmholtz muffler; Internal intubation; Virtual LabCLC NO.： U464.136 ?Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）01-105-04

引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)汽車產(chǎn)品的要求也不只是代步工具那么簡(jiǎn)單，對(duì)于汽車的品質(zhì)要求越來(lái)越高，對(duì)于汽車的振動(dòng)噪聲性能（NVH）性能提出了更高、更新的要求。汽車的NVH性能的優(yōu)劣以及聲品質(zhì)是否滿足消費(fèi)者的需求，現(xiàn)已成為決定消費(fèi)者是否購(gòu)買某車型的重要因素。進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲是汽車的主要噪聲源之一，對(duì)汽車的 NVH性能會(huì)產(chǎn)生重要影響，因此，進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲優(yōu)化對(duì)改善汽車車內(nèi)噪聲品質(zhì)、提高乘坐舒適性意義重大。本文針對(duì)某汽車進(jìn)氣口噪聲大的問(wèn)題，運(yùn)用Virtual lab仿真分析軟件對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)氣噪聲進(jìn)行仿真分析，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)提出改進(jìn)意見(jiàn)，然后進(jìn)行整車試驗(yàn)驗(yàn)證其可行性。

1 進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理[1]

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其噪聲產(chǎn)生的機(jī)理及組成也較復(fù)雜，主要有四類：（1）周期性壓力脈動(dòng)噪聲，即由進(jìn)氣門開閉引起的進(jìn)氣管道中空氣壓力、速度及密度的波動(dòng)而產(chǎn)生的周期性壓力脈動(dòng)噪聲;（2）渦流噪聲，即高速氣流流入氣缸過(guò)程中遇到毛刺、尖角等障礙物形成渦流繼而產(chǎn)生的渦流噪聲;（3）汽缸的赫姆霍茲共振噪聲，即氣缸內(nèi)產(chǎn)生赫姆霍茲共振所激發(fā)的輻射噪聲;（4）進(jìn)氣管的氣柱共振噪聲，即當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥門關(guān)閉后，進(jìn)氣管可以認(rèn)為形成了氣柱共振系統(tǒng)，被與其固有頻率接近的周期性進(jìn)氣噪聲激勵(lì)后產(chǎn)生的聲能量較大的輻射噪聲。

2 問(wèn)題提出

某2.0NA SMPV車在進(jìn)行整車NVH測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，3檔WOT工況車內(nèi)可明顯聽到進(jìn)氣噪聲，嚴(yán)重影響了整車乘坐舒適性。

為驗(yàn)證進(jìn)氣噪聲對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，在進(jìn)氣口加裝大消聲器對(duì)進(jìn)氣噪聲進(jìn)行屏蔽，如圖1所示，監(jiān)測(cè)3檔WOT工況進(jìn)氣噪聲屏蔽前后車內(nèi)噪聲的變化。

圖2為3檔WOT工況進(jìn)氣噪聲屏蔽前后車內(nèi)駕駛員右耳的測(cè)試結(jié)果對(duì)比，圖3為3檔WOT工況進(jìn)氣噪聲屏蔽前后車內(nèi)后排的測(cè)試結(jié)果對(duì)比，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示屏蔽進(jìn)氣噪聲后，車內(nèi)前后排在2000rpm-3800rpm總噪聲曲線明顯下降，整體平均降低約4dB（A），階次噪聲分析發(fā)現(xiàn)，2000rpm-3300rpm常用轉(zhuǎn)速區(qū)間二階次噪聲明顯下降，整體平均降低約8dB（A），因此需要對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)2000rpm-3200rpm 2階次噪聲進(jìn)行優(yōu)化。

3 階次噪聲頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系[2]如下

其中，f為頻率，τ為沖程常數(shù)，4沖程選2，2沖程選1，i為發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)，n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

經(jīng)上式計(jì)算得出進(jìn)氣系統(tǒng)需衰減頻率段為66Hz-110Hz。

4 模型建立、分析及優(yōu)化

4.1 聲學(xué)模型的建立及分析

前面的數(shù)據(jù)測(cè)試及分析結(jié)果表明，要改善車內(nèi)噪聲水平，即需要提升進(jìn)氣系統(tǒng)在60Hz-110Hz的降噪能力。消聲元件和系統(tǒng)的消聲性能通常有四個(gè)衡量指標(biāo)：傳遞損失 TL、插入損失IL、聲壓級(jí)差和聲壓級(jí)。本文采用傳遞損失進(jìn)行評(píng)價(jià)。

其中，TL為傳遞損失;Win、Wout分別為進(jìn)、出氣口聲功率;pin、pout分別為進(jìn)、出口處的聲壓;Sin、Sout分別為進(jìn)、出氣口的截面積。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元法越來(lái)越多被用到進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)分析中，其分析結(jié)果與實(shí)際聲場(chǎng)符合性較好。Virtual lab Acoustics軟件是專門用于聲學(xué)仿真計(jì)算的CAE軟件，具有強(qiáng)大的計(jì)算分析能力，能夠計(jì)算各種各樣的聲學(xué)數(shù)據(jù)[3-5]。本文運(yùn)用Virtual lab Acoustics軟件進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失分析，采用的是聲學(xué)有限元法在頻域內(nèi)進(jìn)行計(jì)算。聲學(xué)有限元用于計(jì)算封閉腔體內(nèi)的聲場(chǎng)，要求把所計(jì)算的聲場(chǎng)離散成實(shí)體網(wǎng)格。本文采用的是在Altair Hypermesh里根據(jù)原進(jìn)氣系統(tǒng)模型建立有限元體網(wǎng)格，然后將體網(wǎng)格輸入到Virtual lab里進(jìn)行分析計(jì)算。

原進(jìn)氣系統(tǒng)由進(jìn)氣導(dǎo)流管、空氣濾清器及空濾器出氣管組成，無(wú)其它聲學(xué)消音元件;圖4為該車型原進(jìn)氣系統(tǒng)的幾何模型，圖5為該進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)分析有限元模型，圖6為Virtual lab軟件分析得到的傳遞損失結(jié)果。

由分析結(jié)果可知，在110Hz以內(nèi)進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失較低，在10dB（A）以下，說(shuō)明進(jìn)氣系統(tǒng)在該頻率段消聲能力很弱，從而造成車內(nèi)噪聲大，影響了乘坐舒適性。需要對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，提升傳遞損失。

4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)該車型的進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲頻率特性，要提升60Hz- 110Hz的消聲量，可從以下四個(gè)方面考慮進(jìn)行改進(jìn)：

4.2.1 增加空濾器容積

原狀態(tài)空氣濾清器為典型單節(jié)擴(kuò)張式消聲器，圖7為典型單節(jié)擴(kuò)張式消聲器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[6]：

圖中S0為連接管截面積，S1為擴(kuò)張室的截面積，L1為擴(kuò)張室的長(zhǎng)度。擴(kuò)張室與連接管截面面積之比稱為膨脹比m，一般來(lái)說(shuō)膨脹比m越大，則擴(kuò)張式消聲器的最大消聲量越大，消聲效果越好。但該車型現(xiàn)階段由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置已結(jié)束，整車其它部件已完成工裝件開發(fā)，不能增大空濾器容積，因此該參數(shù)不能改進(jìn)。

4.2.2 增加進(jìn)氣臟管長(zhǎng)度

增加進(jìn)氣臟管長(zhǎng)度對(duì)消減中低頻噪聲有效果[7]，但同樣受制于發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置空間，無(wú)法將進(jìn)氣導(dǎo)流管長(zhǎng)度增加。

4.2.3 增加內(nèi)插管

可以通過(guò)將連接管插入到擴(kuò)張室中來(lái)改變典型單節(jié)擴(kuò)張式消聲器的傳遞損失，并且插入管會(huì)大大地提高傳遞損失[8]。優(yōu)化方案在空濾器下殼體進(jìn)氣口增加內(nèi)插管結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖8。

4.2.4 增加諧振腔

原空氣濾清器容積為8L，容積偏小，考慮原進(jìn)氣系統(tǒng)110Hz以下傳遞損失太低，而該車對(duì)應(yīng)該頻段需要的衰減的聲能量較大，為進(jìn)一步改善低頻段的消聲性能，通過(guò)增加一中心頻率在70Hz的諧振腔進(jìn)行輔助消聲，圖9為該車型最終優(yōu)化后進(jìn)氣系統(tǒng)的幾何模型。

4.3 優(yōu)化分析

綜上分析，最終通過(guò)增加內(nèi)插管及諧振腔來(lái)改進(jìn)進(jìn)氣系統(tǒng)的低頻消聲性能。圖10為優(yōu)化后進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)分析有限元模型，圖11為Virtual lab軟件分析得到的優(yōu)化前、后的傳遞損失對(duì)比結(jié)果。改進(jìn)后進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失在250Hz以內(nèi)均有明顯提升，在66Hz-110Hz頻率段傳遞損失平均增量在10dB（A），明顯優(yōu)于改進(jìn)前。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)改進(jìn)方案制作樣件，再次進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試工況3檔WOT，測(cè)點(diǎn)位置為車內(nèi)前排駕駛員右耳位置、車內(nèi)后排右側(cè)座位，試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖12、圖13所示，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：

（1）前排駕駛員右耳位置，車內(nèi)噪聲總聲壓級(jí)在4000 rpm以內(nèi)明顯降低，最大達(dá)到5dB（A）;在1800rpm- 3100 rpm，2階次噪聲有大幅度下降，基本達(dá)到12dB（A）;主觀感受車內(nèi)噪聲明顯得到改善。

（2）后排右側(cè)座位，車內(nèi)噪聲總聲壓級(jí)在1600rpm-3400 rpm以內(nèi)均有降低，最大達(dá)到3.5dB（A）;在1700rpm-3100rpm，2階次噪聲有明顯下降，最大達(dá)到20dB（A）。

綜合以上，進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn)效果良好，車內(nèi)噪聲得到明顯改善，解決了該車型出現(xiàn)的問(wèn)題。

6 結(jié)論

進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲是汽車噪聲的最主要的噪聲源之一，對(duì)車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)非常大。本文通過(guò)對(duì)某SMPV車加速過(guò)程中車內(nèi)噪聲大的問(wèn)題進(jìn)行分析，運(yùn)用屏蔽法識(shí)別出噪聲源來(lái)自于進(jìn)氣系統(tǒng)（進(jìn)氣系統(tǒng)對(duì)車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)量）。在進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用Virtual lab仿真軟件分析原狀態(tài)傳遞損失，找出問(wèn)題原因，為性能優(yōu)化提供方向，通過(guò)增加內(nèi)插管及諧振腔來(lái)提高進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化方案有效地降低了進(jìn)氣口噪聲，車內(nèi)噪聲明顯改善。實(shí)踐證明，應(yīng)用 Virtual lab 軟件可以對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲進(jìn)行控制研究，能夠方便地進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)省大量的試驗(yàn)和樣件制作工作，縮短產(chǎn)品優(yōu)化周期，減少研發(fā)費(fèi)用的投入。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊誠(chéng)，鄧兆祥，阮登芳，等.進(jìn)氣噪聲產(chǎn)生機(jī)理分析及其降噪[J].汽車工程，2005，27（1）：68-71.

[2] 李銳，謝志清，林嘉.諧振腔的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].大眾科技，2012（7）：147- 149.

[3] 李增剛，詹福良.Virtual.Lab Acoustics聲學(xué)仿真計(jì)算高級(jí)應(yīng)用實(shí)例[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2014：49-72.

[4] 程紅，馬文明.進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能分析及工程運(yùn)用[J].中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文，2013：1233-1235.

[5] 許自順，張強(qiáng)，咸凱，等.基于LMS virtual lab的抗性消聲器聲學(xué)性能研究及優(yōu)化[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2016，33（1）：72-77.

[6] 馬大猷.噪聲與振動(dòng)控制工程手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2002，489-490.

[7] 趙偉豐，趙騫.進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)進(jìn)氣噪聲及車內(nèi)車外噪聲影響研究[J].內(nèi)燃機(jī)，2011（2）：50-56.

[8] 龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動(dòng)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社， 2006：224-226.