韓楊 周鋐 靳暢 張芳

（同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心）

某中型客車進(jìn)氣噪聲聲學(xué)優(yōu)化

韓楊 周鋐 靳暢 張芳

（同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心）

通過(guò)對(duì)某中型客車空氣濾清系統(tǒng)的聲場(chǎng)仿真計(jì)算和整車進(jìn)氣噪聲試驗(yàn)分析，提取其進(jìn)氣噪聲聲源特性并進(jìn)行了聲學(xué)優(yōu)化。首先采用四負(fù)載法提取進(jìn)氣噪聲聲源特性，建立進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)邊界元模型，預(yù)測(cè)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣口噪聲并與試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證提取聲源的準(zhǔn)確性；然后進(jìn)行整車進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲試驗(yàn)，分析進(jìn)氣噪聲頻譜特性，確定消聲頻率；最后通過(guò)仿真設(shè)計(jì)了消聲元件，并提出優(yōu)化方案用于實(shí)車驗(yàn)證。整車進(jìn)氣噪聲試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)特性得到明顯改善。

1 前言

進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲是汽車最主要噪聲源之一[1]，降低進(jìn)氣噪聲對(duì)改善汽車NVH性能具有重要作用。對(duì)于進(jìn)氣噪聲聲學(xué)優(yōu)化，Swati M等[2]提出了插入式赫姆霍茲共振消聲器來(lái)解決進(jìn)氣噪聲低頻問(wèn)題，為進(jìn)氣消聲設(shè)計(jì)開(kāi)辟了一條新思路；浙江大學(xué)郝志勇等[3]采用邊界元法對(duì)空氣濾清器系統(tǒng)進(jìn)氣聲學(xué)預(yù)測(cè)，通過(guò)簡(jiǎn)單的空氣濾清器數(shù)模在數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)中進(jìn)行了低頻降噪研究。上述研究主要針對(duì)轎車的進(jìn)氣噪聲問(wèn)題，而對(duì)商用車的進(jìn)氣噪聲聲學(xué)優(yōu)化研究較少。為此，本文對(duì)某中型客車進(jìn)氣噪聲聲源特性進(jìn)行了提取，并基于進(jìn)氣噪聲的聲源特性仿真預(yù)測(cè)了進(jìn)氣噪聲，提出了優(yōu)化方案，進(jìn)而改善了該中型客車進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)特性。

2 進(jìn)氣噪聲聲源特性參數(shù)提取理論和方法

2.1 聲源特性參數(shù)提取理論

進(jìn)氣噪聲是從發(fā)動(dòng)機(jī)與進(jìn)氣系統(tǒng)連接處發(fā)出，再通過(guò)空氣濾清器及消聲系統(tǒng)輻射到大氣中，因此可將進(jìn)氣噪聲聲源定義在節(jié)氣門所在端面[4]，空氣濾清器及消聲系統(tǒng)可看作聲學(xué)負(fù)載，其中聲源阻抗與聲學(xué)負(fù)載阻抗串聯(lián)，組成的聲電類比線路圖如圖1所示。

當(dāng)屏蔽掉發(fā)動(dòng)機(jī)等其它噪聲源后，進(jìn)氣噪聲聲源可視為單口聲源，即進(jìn)氣噪聲聲源聲學(xué)特性參數(shù)包括隨頻率變化的聲源聲壓和聲源阻抗，表達(dá)式為：

式中，Ps為聲源聲壓；Zs=（Rs+jXs）為聲源阻抗，包括聲阻和聲抗；PL為聲源與聲學(xué)負(fù)載連接端面的聲壓值；ZL=（RL+jXL）為進(jìn)氣系統(tǒng)中聲學(xué)負(fù)載阻抗；W為在聲平面的聲功率。

2.2 聲源特性參數(shù)提取方法

聲源特性參數(shù)提取方法分為直接法和間接法。因間接法容易實(shí)現(xiàn)且預(yù)測(cè)結(jié)果較精確[5]，而其中的多負(fù)載法具有較高的預(yù)測(cè)精度，因此本文采用四負(fù)載法[6]提取聲源特性參數(shù)。

在某一工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲聲源特性是線性不變的，即聲源聲壓和聲源阻抗不隨下游連接的聲學(xué)負(fù)載的不同而改變[7，8]，則四負(fù)載法聲源特性參數(shù)提取原理如圖2所示。

利用4根不同長(zhǎng)度的直管作為聲學(xué)負(fù)載。圖2中x=0處的聲壓值即為聲源與聲學(xué)負(fù)載連接端面的聲壓值PL，可表示為:

式（3）中，ZL可通過(guò)邊界元法仿真計(jì)算獲得，PL可通過(guò)測(cè)量點(diǎn)聲壓（聲學(xué)負(fù)載末端聲壓Pout）和ZL計(jì)算得到。Ps和Zs是復(fù)數(shù)域變量，由實(shí)部和虛部組成，因此式（3）包含了實(shí)部方程和虛部方程，計(jì)算聲源聲壓和聲源阻抗即為計(jì)算其實(shí)部和虛部4個(gè)未知變量，所以采用4個(gè)不同的聲學(xué)負(fù)載聯(lián)立4個(gè)方程進(jìn)行求解。

2.3 聲源特性參數(shù)提取試驗(yàn)

采用四負(fù)載法對(duì)某中型客車4缸4沖程柴油機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)聲源特性參數(shù)進(jìn)行提取試驗(yàn)，利用傳聲器測(cè)量聲學(xué)負(fù)載末端聲壓Pout。圖3為聲源特性參數(shù)提取試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，試驗(yàn)工況為3擋節(jié)氣門全開(kāi)急加速工況，轉(zhuǎn)速范圍為1 000～4 000 r/min，采樣間隔為40 r/min，4個(gè)聲學(xué)負(fù)載及其安裝位置如圖4所示。

3 進(jìn)氣噪聲預(yù)測(cè)及其準(zhǔn)確性驗(yàn)證

3.1 聲源特性參數(shù)提取結(jié)果

進(jìn)氣噪聲具有明顯的諧次特性[3]，主要以2、4、6、8階次噪聲為主，因此本文主要計(jì)算2、4、6、8階聲源特性參數(shù)。圖5為Zs與管道特征阻抗Z0相除得到的無(wú)量綱聲源阻抗，其中Z0=ρc，ρ為空氣密度，c為聲速。

3.2 聲源特性參數(shù)提取結(jié)果試驗(yàn)驗(yàn)證

因邊界元方法網(wǎng)格較少、易于操作且計(jì)算精度較高，因此采用邊界元方法進(jìn)行進(jìn)氣噪聲仿真計(jì)算。圖6為原始空氣濾清器總成網(wǎng)格模型，該模型共劃分9 655個(gè)單元，其中四邊形單元9 251個(gè)，三角形單元404個(gè)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為9 455個(gè)。利用Virtual.Lab的Acoustic模塊進(jìn)行進(jìn)氣口噪聲計(jì)算，在入口端定義所求得的PL和ZL作邊界條件，出口端定義全吸聲的邊界條件，可仿真計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)在3擋全油門急加速工況下進(jìn)氣口處噪聲值。

整車進(jìn)氣噪聲試驗(yàn)在室內(nèi)低噪聲道路模擬轉(zhuǎn)鼓上進(jìn)行，利用德國(guó)GRAS公司生產(chǎn)的ICP壓電式麥克風(fēng)采集噪聲信號(hào)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備為L(zhǎng)MS公司SCA?DASⅢSC316W信號(hào)放大和智能采集系統(tǒng)。為減少發(fā)動(dòng)機(jī)其它噪聲的影響，采用鉛板和毛氈片屏蔽其它噪聲源，并將排氣管外接消聲包，試驗(yàn)布置如圖7所示。

進(jìn)氣口噪聲各階次仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖8所示。由圖8可看出，各階次進(jìn)氣噪聲的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較吻合，說(shuō)明所提取的聲源特性參數(shù)是準(zhǔn)確的，符合該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)各階次實(shí)際聲學(xué)特性。

4 進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)優(yōu)化

4.1 進(jìn)氣噪聲消聲頻率的選擇

進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)優(yōu)化時(shí)，首先要確定優(yōu)化頻率。圖9為3擋發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門全開(kāi)急加速工況下進(jìn)氣噪聲SPL（Sound Pressure Level）曲線，由圖9可看出，進(jìn)氣噪聲總聲壓級(jí)在整個(gè)加速過(guò)程中均超過(guò)目標(biāo)值，階次噪聲值在一些轉(zhuǎn)速下超過(guò)階次噪聲目標(biāo)值；圖10為試驗(yàn)得出的進(jìn)氣噪聲瀑布圖，由圖10可看出，噪聲主要集中在中低頻段（260～420 Hz）內(nèi)，因此確定降噪頻率范圍為260～420 Hz，該降噪頻帶較寬。

4.2 消聲元件的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)優(yōu)化基本使用抗性消聲器[9]，為此，本文利用Virtural.Lab軟件的聲學(xué)模塊，針對(duì)該中型客車仿真設(shè)計(jì)了抗性消聲器。抗性消聲器包括擴(kuò)張腔式消聲器、赫姆霍茲消聲器、1/2波長(zhǎng)管、1/4波長(zhǎng)管等。因該中型客車進(jìn)氣噪聲降噪頻頻帶較寬，應(yīng)選擇中間頻率進(jìn)行降噪，以使整個(gè)頻率范圍得到較好的降噪效果，而在該頻率范圍內(nèi)赫姆霍茲消聲器和1/4波長(zhǎng)管可以起到良好的消聲作用，因此，針對(duì)260～420 Hz的降噪頻率范圍提出了2種優(yōu)化方案。方案1如圖11a所示，選取350 Hz作為赫姆霍茲消聲器設(shè)計(jì)計(jì)算的消聲頻率，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)艙的安裝空間，該消聲器設(shè)計(jì)容積為0.29 L，連接管直徑為25 mm，長(zhǎng)度為20 mm；方案2如圖11b所示，是在方案1的基礎(chǔ)上加1/4波長(zhǎng)管，選擇380 Hz作為1/4波長(zhǎng)管設(shè)計(jì)計(jì)算的消聲頻率，其連接管直徑為25 mm,長(zhǎng)度為220 mm。通過(guò)邊界元仿真計(jì)算出各方案進(jìn)氣噪聲總聲壓級(jí)，并與原方案（圖9中進(jìn)氣噪聲總聲壓級(jí)）進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖12所示。

由圖12可看出，方案1中進(jìn)氣噪聲總聲壓級(jí)在整個(gè)轉(zhuǎn)速下普遍低于原始狀態(tài)，但某些轉(zhuǎn)速下超過(guò)目標(biāo)噪聲值；方案2中進(jìn)氣噪聲總聲壓級(jí)在整個(gè)轉(zhuǎn)速下低于原始進(jìn)氣噪聲，并且小于進(jìn)氣噪聲目標(biāo)值。對(duì)比2種方案仿真結(jié)果可知，對(duì)于較寬的消聲頻帶，采用2個(gè)消聲元件的降噪效果明顯好于單個(gè)消聲元件,即方案2降噪效果明顯優(yōu)于方案1。

4.3 設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證方案2的可行性，將根據(jù)方案2設(shè)計(jì)的消聲器應(yīng)用于該中型客車，通過(guò)整車進(jìn)氣噪聲試驗(yàn)對(duì)該方案進(jìn)行驗(yàn)證。由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間限制，將消聲元件安裝在進(jìn)氣管處，如圖13所示。

采用優(yōu)化方案后，該中型客車進(jìn)氣噪聲聲壓級(jí)曲線如圖14所示，優(yōu)化前、后進(jìn)氣噪聲瀑布圖如圖15所示。由圖14和圖15可看出，在降噪頻率范圍內(nèi)噪聲明顯降低；進(jìn)氣噪聲總聲壓級(jí)整體上降低了2.5～7.0 dB，達(dá)到了降噪目標(biāo)，進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)特性得到明顯提升。

Acoustic Optimization for Intake System of Commercial Bus

Han Yang,Zhou Hong,Jin Chang,Zhang Fang
（Clear Energy Automobile Engineering Center,Tongji University）

Air filter system sound field simulation and vehicle intake noise test analysis of a commercial bus are conducted,the source characteristic of intake noise is extracted for acoustic optimization.Firstly four-load method is used to extract the intake noise source characteristic,and an acoustic boundary element model is built for the intake system.Then the values of intake noise calculated are compared with the values measured from test to verify the extract acoustic source.Then vehicle intake noise test is made to analyze spectrum characteristic of intake noise and determine the damping frequency.Finally damping elements are designed with simulation and optimization plan is proposed for vehicle verification.Vehicle intake noise test results show that the optimized intake system is improved significantly in acoustic performance.

Commercial bus,Intake noise,Acoustical source characteristic,Acoustic optimization

商用客車 進(jìn)氣噪聲 聲源特性 聲學(xué)優(yōu)化

U467.1

A

1000-3703（2015）02-0016-04