进气系统的声学性能

Catsayer

摘要：全油门加速工况下进气噪声引起驾驶员右耳噪声偏大，采用 HyperMesh 软件建立了该车型 空滤器的声学有限元模型，用有限元法对空滤器的消声性能进行预测。通过增大空滤器的消声容积、 改变谐振腔的共振频率，提高空滤器的消声性能。结果表明，空滤器的消声量有所提高，整车加速车 内噪声降低了 2-3dB。
关键词：HyperMesh 空滤器 消声量 谐振腔
Abstract: High sound pressure of driver's ear at WOT wasinduced by intake noise. The acoustic finite element model of an air cleaner was built with HyperMesh. The silencing performance of the air cleaner was predicted by FEM. The acoustic performance was improved by enlarging the volume of air cleaner and changing the resonant frequency of the resonator. The results show that the noise reduction of the air cleaner increased, and accelerating interior noise of a car was reduced by 2-3dB.
Key words: HyperMesh air cleaner, noise reduction, resonator

1 概述

进气系统的噪声是汽车最主要的噪声源之一。进气系统的噪声主要是指进气口处的噪声，这个噪声源离车厢的距离很近，对车内噪声贡献非常大。
进气噪声是由进气门周期性开、闭而产生的压力波动所形成的。它主要包括三种成分[1]：进气门 开启时活塞做变速运动所引起的进气脉动噪声、进气门关闭时进气管道中的空气柱共振噪声、气流流 经进气门环隙时产生的涡流噪声。
         同时，进气口噪声也是汽车最主要的通过噪声源。另外，如果空气滤清器和消声元件的刚度不足， 就会引起很大的辐射噪声。
       一个消声性能良好的空滤器可以降低进气噪声，进而改善车内声学环境。对于某工装样车的进气 系统的改进，由于发动机舱的布置限制，且进气噪声的峰值频率较单一，因此本文主要从进气系统消 声性能的预测改进两个方面展开。

2 工装样车存在的噪声问题

       某工装样车在三档全油门加速过程中，驾驶员右耳处加速噪声在发动机多个转速范围,1619rpm、140rpm 附近及3100rpm-4400rpm转速内，超过设计目标曲线，发动机转速为3330rpm附近时，驾驶员右耳噪声总声压级为 77.84dB(A)，分析测试结果可知，4 阶进气噪声为主要贡献成分。整个加速过程中，加速噪声线性度较差。其中 3100rpm-4400rpm转速内的发动机4阶激励频率为206Hz-293Hz。 图1所示为该车三档加速过程中驾驶员右耳噪声的测试结果。
      图2为该车搭载的空滤器的模型，该空滤器的容积约为7.2L，由于该车匹配4G20发动机，空滤器的容积不满足发动机排量的4~5倍的设计要求，容积较小，还需进行改进设计。
                  进气系统的声学性能                      进气系统的声学性能
                   图1 驾驶员右耳加速噪声测试结果                                         

3 进气系统的声学性能预测

3.1 进气系统声学性能的评价指标
        消声量是指系统中任意两点声压级的差值，用NR（Noise Reduction）来表示。图3 为消声量的测量系统[2]。
                     进气系统的声学性能
                                                                   图3 消声量的测试系统
          系统中第1 点、第2 点的声压级分别为P1 L 、P2 L ，那么消声量为：
                   进气系统的声学性能
       这种测量方法不考虑声源的影响，但可以考虑到管道末端声学特性对进气系统消声性能的影响，且与进气系统实际的工作状态比较接近，因此本次分析将使用消声量NR 来评价进气系统的声学性能。

3.2 空滤器声学计算模型
       建立空滤器内声场的声学有限元模型，如图4 所示为空滤器的模型，其中单元总数为75408 个，节点总数为16854 个。
                 进气系统的声学性能
                                                            图4 空滤器的声学有限元模型
        如图所示，在空滤器橡胶软管与节气门连接位置处施加单位振动速度激励，频率范围为10Hz-1000Hz，模拟白噪声激励。
        活塞式声源是指一种有限大小的平面声源，其振动方向沿着该平面源的法线方向进行，并且在振动面上各点的振幅与相位都相同，声源犹如一活塞在进行着向前向后的周期运动[3]。空滤器的空气入口处可以看作一个活塞式声源，其辐射特性遵循活塞式声源的辐射规律。空滤器声学出口向外界辐射时，也会产生辐射阻抗。其声学阻抗可由下式计算得到[4]。
               进气系统的声学性能

3.3 空滤器声学性能仿真结果
        通过声学有限元计算，得到该空滤器的消声量，结果如图5 所示。
        由图中结果可见，空滤器的消声量在330Hz 以前和400Hz-600Hz 频段内高于20dB，在330Hz-400Hz 时消声量较低，600Hz 以后的消声效果较差。其中谐振腔的消声频率为135Hz，消声量达到87dB。
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                                                                   图5 空滤器的消声量曲线

4 进气系统的改进设计

4.1 空滤器上壳体改进
       对空滤器上壳体及进气管口形状进行了改进，图6为改进后的空滤器模型。改进后的空滤器容积增大2.66L，且上壳体内增加一长约83mm、内径65mm的内插管。增加空滤器的消声容积可以在较宽的频带内提高其消声性能，而增加内插管，可以改善某特定频率的消声性能。

4.2 空滤器谐振腔改进
       由于该空滤器的谐振腔和内插管的消声频率与3224rpm下4阶进气噪声的频率（215Hz）不吻合，无法降低车内该频率的噪声值。还需对谐振腔的结构进行改进。
                                                          进气系统的声学性能

                                                                 图6 上壳体改进后的空滤器模型

        赫姆霍兹谐振腔的共振频率可由下式计算得到[5]：
                   进气系统的声学性能

4.3 改进前后进气系统声学性能比较
    通过有限元计算得到改进前后的空滤器的消声量，如下图 7 所示。
       可以看出改进谐振腔之后的消声量曲线的峰值为215Hz，该频率的消声量为84.0dB，与改进前相当，该谐振腔可以消除3224rpm转速下215Hz的进气噪声。改进后的空滤器在360Hz-660Hz之间消声量有所上升。 改进后消声量曲线上640Hz的峰值为空滤器内插管的消声频率。 在670Hz-1000Hz之间消声量较改进前降低了。
       当发动机转速在 1000rpm-5000rpm之间时，进气噪声的 4 阶频率为 67Hz-333Hz远低于 670Hz。 且该空滤器声学计算模型未考虑滤芯的吸声影响，而滤芯一般会提高 600Hz以上中高频段空滤器的 消声性能。基于以上两个原因，改进后的空滤器在中高频段内消声量的下降，对该工装样车加速车内 噪声的影响不大。
                           进气系统的声学性能

                                                          图 7 改进前后空滤器的消声量曲线

如图 8 所示，改进后，该车在三档全油门加速工况下，车内噪声整体有所降低，1619rpm、2140rpm
及 3300rpm-4400rpm转速内，噪声降低至目标值以下，下降 3dB 左右。3224rpm附近驾驶员耳旁噪声下降 2dB 左右。
                             进气系统的声学性能

               

                                                     图 8 改进前后驾驶员右耳加速噪声测试结果

5 结论
       采用声学有限元仿真方法可以准确预测进气系统的消声性能。增加空滤器的消声容积可以在较宽的频带内提高其消声性能，内插管及谐振腔可以改善某特定频率的消声性能。
       根据试验结果，判断进气噪声的峰值频率，增大空滤器的消声容积，并针对发动机转速在 3224rpm时215Hz 频率的进气噪声，重新设计一容积为 0.86L 的进气谐振腔，提升空滤器的消声性能，进而降低工装样车的加速车内噪声。

6 参考文献
[1] 方丹群. 空气动力性噪声和消声器[M]. 科学出版社, 1978.
[2] 贾维新. 发动机结构噪声和进气噪声的数字化仿真及优化设计研究[D]. [博士学位论文].杭州：浙江大学 2008.6.
[3] 何琳, 朱海潮, 邱小军等. 声学理论与工程应用[M]. 科学出版社, 2006.
[4] 杜功焕, 朱哲民, 龚秀芬等. 声学基础[M]. 南京大学出版社, 2001.
  [5] 庞剑, 谌刚, 何华. 汽车噪声与振动——理论与应用[M]. 北京理工大学出版社. 2006.
转自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_80a5ae310102vw5y.html