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        基于車內(nèi)動力感特征的進氣聲浪設計與試驗研究

        2022-08-11 03:29:22
        小型內(nèi)燃機與車輛技術 2022年3期
        關鍵詞:結(jié)構(gòu)

        趙 明 李 恒

        (上海大創(chuàng)汽車技術有限公司 上海 201804)

        引言

        隨著某些駕駛?cè)后w(尤其是某些中青年駕駛?cè)后w)對車輛行駛時NVH 性能的特殊需求,動力感設計已成為當下乘用車領域開發(fā)的熱點之一。提高整車駕駛的動力感,在特殊工況獲得激進的聽覺爆發(fā)力與沖擊感,儼然成為當下某些年輕駕駛?cè)后w的熱切需求。

        對于車輛聲浪增強技術的研究,目前主要關注排氣系統(tǒng)的聲學調(diào)校與聲浪設計[1-3]。而對車內(nèi)駕乘人員的主觀動力感音效設計,目前主要通過3 種途徑實現(xiàn):電子模擬[4]、主動發(fā)聲[5-6]、聲音引導增強[7]。電子模擬,即將事先錄制好的音頻進行存儲,在特定工況通過喇叭釋放。主動發(fā)聲,即根據(jù)車輛行駛工況,采用電子控制技術,通過程序合成配比不同的噪聲成分,實現(xiàn)特定噪聲成分增強的目的。上述2 種途徑均依托于硬件特性,長時間運行,性能會下降甚至失效,且音效容易單薄失真。聲音引導增強則完全采用機械式結(jié)構(gòu)將發(fā)動機管路本身的脈動壓力[7]以共振的方式進行放大、引導至駕駛室,因結(jié)構(gòu)簡單,成本較低,且性能穩(wěn)定,可作為車內(nèi)動力感聲學定制的主要技術方案進行研究。

        本文以國內(nèi)某1.4T 4 缸渦輪增壓緊湊型乘用車為研究對象,基于聲音引導增強技術設計開發(fā)了進氣聲浪結(jié)構(gòu),完成整車搭載試驗,對比安裝進氣聲浪結(jié)構(gòu)前后的車內(nèi)噪聲頻譜特性,分析進氣聲浪結(jié)構(gòu)對車內(nèi)動力感的優(yōu)化效果。

        1 進氣聲浪結(jié)構(gòu)

        圖1 所示為進氣聲浪結(jié)構(gòu)模型,整個結(jié)構(gòu)由上、下殼體以及中間的彈性膜片組成,內(nèi)部分為左右2部分腔體,彈性膜片通過螺栓固定在上、下殼體結(jié)合的中間部位,因此構(gòu)成了左上腔、左下腔、右上腔、右下腔4 個空腔。其中,彈性膜片的外圈由橡膠制成,中間則由塑料制成,整個彈性膜片可以繞著中間轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)一定角度的旋轉(zhuǎn)擺動。圖中箭頭所指為入射聲波成分,具有很強的脈動壓力,激起左側(cè)空腔內(nèi)的膜片產(chǎn)生振動,而左側(cè)膜片的振動帶動右側(cè)膜片振動,從而在右側(cè)空腔內(nèi)產(chǎn)生特定頻段的振動聲波成分,最終將該頻段聲波成分引至駕駛室內(nèi),形成車內(nèi)強烈的動力感特征。

        圖1 進氣聲浪結(jié)構(gòu)模型

        因此,實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)特定聲波成分放大的核心在于獲得一個強烈的脈動壓力源。發(fā)動機進氣歧管分別給發(fā)動機各氣缸供氣,由于各缸的工作存在相位差,因此各歧管內(nèi)的氣流存在一定的相位差,即管內(nèi)存在強烈的脈動壓力成分。特別是渦輪增壓型車輛,中冷器出口至進氣歧管的管路內(nèi)部均存在相當強烈的脈動壓力,因此將中冷器出口至進氣歧管的管路作為進氣聲浪結(jié)構(gòu)入口的優(yōu)選位置。

        2 聲波傳遞性能試驗

        將進氣聲浪結(jié)構(gòu)安裝于阻抗管設備[8],采用聲壓級為120 dB 的寬頻聲源,聲源頻段為20~20 000 Hz,聲源通過功率放大設備輸出聲波,傳遞至阻抗管管路,經(jīng)過進氣聲浪結(jié)構(gòu),最終輻射至大氣。試驗時,將傳聲器測點布置于進氣聲浪結(jié)構(gòu)出口截面中心,對比安裝進氣聲浪結(jié)構(gòu)前后的噪聲頻譜特性,最終獲得聲波傳遞性能曲線如圖2 所示。

        圖2 進氣聲浪結(jié)構(gòu)聲波傳遞性能試驗結(jié)果

        該進氣聲浪結(jié)構(gòu),對于聲波傳遞起主要作用的頻段為150~400 Hz,尤其在200~350 Hz 頻段,其聲波傳遞效率最高,透射聲波成分能量最高。因此可以預計,該進氣聲浪結(jié)構(gòu)安裝于整車后,在150~400 Hz頻段,噪聲成分能得到增強,而低頻噪聲成分主要表現(xiàn)為強烈的低沉感,可提高駕駛動力感。

        3 整車聲學性能驗證

        整車試驗通過路試進行,試驗道路為平坦的試車專用道,環(huán)境噪聲小。將進氣聲浪結(jié)構(gòu)安裝于節(jié)氣門體前端管路,即中冷器出口至節(jié)氣門體的管路,采用3D 打印金屬三通管進行連接固定。進氣聲浪結(jié)構(gòu)的進口通過膠管連接至三通管,出口采用塑料管連接并引導至發(fā)動機機艙靠近前擋下方的導水槽位置。因此,節(jié)氣門體前端管路內(nèi)部的強烈脈動壓力激起進氣聲浪結(jié)構(gòu)內(nèi)部的彈性膜片產(chǎn)生簡諧振動,最終通過輸出管路引至導水槽內(nèi)。聲波在導水槽空腔內(nèi)形成強烈的混響,通過鈑金件傳遞至駕駛室內(nèi),最終達到增強車內(nèi)聲波能量的目的。

        試驗過程中,于駕駛員右耳處布置一個傳聲器,用于采集評估車內(nèi)聲學特性。聲學采樣頻率設為25 600 Hz,頻率分辨率設為2 Hz,時域信號經(jīng)快速傅里葉變換可獲得相應的噪聲頻譜。試驗分別在2擋、3 擋節(jié)氣門全開(Wide Open Throttle,WOT)工況進行。

        3.1 2 擋WOT 工況

        圖3 所示為2 擋WOT 工況駕駛員右耳測點的噪聲頻譜。

        圖3 2 擋WOT 工況駕駛員右耳測點噪聲頻譜

        原狀態(tài)無進氣聲浪結(jié)構(gòu),車內(nèi)噪聲成分整體較“純凈”,聲波能量較低,主要為2 階發(fā)火階次以及其他高轉(zhuǎn)速區(qū)域的高階成分為主,因此車內(nèi)整體較靜謐,舒適性較好,但駕乘過程中缺乏動力感與力量感。安裝進氣聲浪結(jié)構(gòu)后,150~400 Hz 頻段的聲波能量明顯增強,主要表現(xiàn)在4 階次、6 階次以及其它半階次高階噪聲成分增強,尤其在200~300 Hz 頻段,聲波能量集中,且在整個加速過程均有明顯的聲波能量激勵。因此,整車路試加速過程中,隨著油門踏板的深度變化,車內(nèi)動力感聲波隨之此起彼伏,在特殊工況充滿激進的聽覺爆發(fā)力。

        3.2 3 擋WOT 工況

        圖4 所示為3 擋WOT 工況駕駛員右耳測點的噪聲頻譜結(jié)果。

        圖4 3 擋WOT 工況駕駛員右耳測點噪聲頻譜

        與2 擋WOT 工況相類似,安裝進氣聲浪結(jié)構(gòu)后,150~400 Hz 頻段聲波能量明顯增強且集中。尤其在200~300 Hz 頻段,4 階次噪聲成分被徹底激發(fā)出來,為加速過程的主要聲波能量。整車加速過程中,深踩油門踏板,車內(nèi)動力感聲波隨之顯現(xiàn);而在低速、勻速行駛工況,車內(nèi)仍然保持靜謐的聲學環(huán)境。由于聲波能量來源于發(fā)動機的管路內(nèi)部壓力脈動,因此進氣聲浪的音效貼近內(nèi)燃機輻射噪聲的音效,真實且飽滿。

        綜上可知,原狀態(tài)車輛,車內(nèi)聲波能量較弱,尤其體現(xiàn)在4 階以上的高階次噪聲成分均較弱,車內(nèi)整體聲學環(huán)境較安靜。為滿足動力感定制化需求,針對年輕人細分市場開發(fā)動力感特別款車型,安裝進氣聲浪結(jié)構(gòu)后,車內(nèi)150~400 Hz 頻段噪聲成分顯著增強,尤其體現(xiàn)在200~300Hz 頻段,激發(fā)了中高轉(zhuǎn)速的4 階以上高階次、半階次噪聲成分,整體車內(nèi)動力感聲學特征明顯提高。深踩油門,車內(nèi)駕駛動力感明顯增強,飽滿且真實,大大提高了車內(nèi)駕乘的力量感,效果良好,滿足開發(fā)預期目標。

        4 結(jié)論

        1)本文設計的進氣聲浪結(jié)構(gòu),在200~350 Hz 頻段,聲波傳遞效率最高,透射聲波成分能量最高。

        2)進氣聲浪結(jié)構(gòu)有利于增強150~400 Hz 頻段車內(nèi)聲波能量,主要表現(xiàn)在4 階次、6 階次以及其它半階次高階噪聲成分增強,尤其在200~300 Hz 頻段,聲波能量集中,且在整個加速工況均有明顯的聲波能量激勵。

        3)進氣聲浪結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)加速過程車內(nèi)駕駛動力感聲學激勵,飽滿且真實,而在低速、勻速行駛工況,車內(nèi)仍然保持靜謐的聲學環(huán)境。

        4)針對進氣聲浪結(jié)構(gòu)設計過程的理論計算與數(shù)值模擬技術有待進一步研究,以探究更深層次的聲波能量增強機理,分析其相關影響因素與定量關系。

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