冯博 杨继城 赵雨雷 靖海宏

摘要：对某车发动机进气噪音的频谱特性，对原空气滤清器和进气管的结构进行改进与优化设计。利用有限元方法计算进气系统的传递损失，并比较改进前后的消音性能。同时，通过整车进气系统噪音试验，进一步验证改进前后进气系统的消音特性。试验结果表明，改进后的进气系统的声压级明显下降。

关键词：进气系统噪音;空气滤清器;有限元法;传递损失;

中图分类号：TB535+2 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（ 2018） 02-0094-05

1 引言

随着NVH在轿车开发中扮演越来越重要的角色，进气系统的噪声也正逐渐受到重视。进气系统噪声除了对车辆通过噪声有较大影响外，还是车内噪声的主要来源，因为该噪声源距离车厢很近，所以非常影响车辆乘坐舒适性。

进气噪声是内燃机的空气动力噪声，亦是内燃机的噪声源之一。对大功率内燃机来讲，进气噪声有时候可比内燃机自身的噪声（燃烧噪声、机械噪声）还高。一般内燃机转速显著提高，其进气噪声也会显著增大。所以研究进气噪声对内燃机整机噪声的影响是很必要的。

本文针对某车三挡全油门状态下进气噪声的频谱特性，借助仿真与试验手段，研究了进气系统的特性，找到了问题产生的原因，进而提出相应的整改措施降低噪声，改善了加速进气噪声水平。

2 进气系统的声学理论

消音元件和系统的消音效果通常有四个评价指标：传递损失、插入损失、声压级差和声压级。传递损失一般用来评价单个消音元件，而插入损失和声压级一般用来评价整个系统的消音效果。声压级差可以用于单个消音元件和整个系统的评价。所以，利用插入损失来评价整个进气系统的消音效果，是最为简单的一种方法。

2.1插入损失的声学理论

插入损失是指一个系统中插入了消音元件之前和之后，在出口处得到的声功率级（或者声压级）的差值，其计算公式如下所示：

式中，W1是没有安装消音元件系统在测量点的声功率;W2是安装了消音元件后在同一点测量的声功率。具体见下图1所示。

2.2传递损失的声学理论

空气过滤器的功能有两个：过滤空气和消除进气口的噪声。空气过滤器相当于一个扩张消音器，其容积大小和尺寸决定了传递损失和中心频率。

一般来说，容積越大，消音效果就越好。而影响传递损失的因素有两个：扩张比m和过滤器的长度L。在设计进气系统的管道和过滤器时，有时候，进入管和输出管会插入到过滤器之中，如图2所示。这种情况，插入的长度对传递损失有影响，传递损失可以用以下公式来表达：

式中，L_a是进入管在过滤器中的长度，L_b是输出管在过滤器中的长度。

3 进气噪音问题分析

3.1问题描述

对某款新开发的进气系统进行噪音测试，在三档节气门全开工况下，测得150 Hz～280 Hz频段内驾驶员右耳处噪音水平整体偏高，如图3所示。同时主观评价进气噪声较大，并且测得进气口噪音在150 Hz～280 Hz频段内（220 Hz、270 Hz）有能量偏高现象，如图4所示;说明进气系统在此频段内的噪音对车内噪音影响较大，有必要对进气系统进行噪音分析与改进。

3.2传递损失的仿真计算

根据上述的声学理论，对该进气系统进行传递损失仿真分析，得到了的传递损失曲线如图5。从传递损失的仿真曲线上可以看出，在150 Hz—280 Hz频段内TL值偏低，保持在3～5 dB之间，几乎没有消音能力。正好解释了上述试验测得的数据，为了消除该频段内220 Hz和270 Hz对车内噪音的影响，以下主要针对220 Hz和270 Hz进行噪音优化。

3.3插入损失的直管试验分析

对发动机的进气口进行直管插入损失试验，结果如下图6所示。从图中可以看出，150Hz-280Hz噪音明显。结合前面的进气口噪音频谱及传递损失计算结果确定了进气系统消声效果不佳;并且发动机阶次频率与空滤壳体模态可能在170Hz处发生共振。

4 进气系统噪音的优化设计

在实际工程中，对进气系统噪音问题的解决，主要方法是在原进气系统上增加消音元件，对问题频段进行有针对性地消音降噪。此进气系统在150～280Hz频段内的噪音属于窄带低频噪音。

4.1方案制定

由于受到空滤空间的限制，所以对170 Hz采取赫姆赫兹消音器方案不可取，只能采取增加空滤壳体的刚度来达到避频消音的效果。220 Hz和270 Hz采取1/4波长管的方法来消音。以下针对此类消音器进行具体论述。

（1）增加空滤壳体刚度改善170 Hz噪音

对空滤壳体进行模态分析，得知空滤壳体一阶模态为165 Hz，与插入损失试验中的170 Hz共振频率基本吻合，如下图7所示。因此，通过增加空滤壳体刚度来达到避频消音的效果。具体改善方案为：A和B区采取填充措施、C区沟槽加深、D区加筋板增厚等，如下图8所示。

（2）增加1/4波长管改善220 Hz和270 Hz噪音

通过在进气管处增加1/4波长管来消除220 Hz和270 Hz频率，对于1/4波长管的参数模型，其共振频率为：其中，f₀为共振频率;c为声速;L为波长管的长度;R₀为1/4波长管的半径;R为进气管的半径。

根据上述公式（3），分别计算出220 Hz和270 Hz频率对应1/4波长管的长度为38 cm、32cm，并且在保证1/4波长管的圆管直径小于进气管直径一半的前提下，设计合适的1/4波长管来达到消音的效果，如下图9～10所示。

4.2方案分析

将上述设计的1/4波长管和空滤壳体加筋等方案增加到原进气系统中，其结构如上图8-9所示。对其进行传递损失仿真计算，并与原状态的传递损失进行对比，结果如下图11所示。

从上图11中可以看出，优化后的进气系统在150—280 Hz频段内的传递损失值有明显地提高，尤其是针对220 Hz和270 Hz频率的提升更为明显。从而，进一步验证了1/4波长管有效性。从下图12中可以看出，优化后的进气系统比原进气系统有明显的改善，消除了170 Hz的共振频率，车内噪声声品质也得到相应改善;论证了空滤壳体加筋方案的可行性。

5试验验证

将优化后的进气系统应用到整车上，进气口噪音和车内驾驶员耳旁噪音测试结果如下图13-15所示，图13-14分别验证了在160—280 Hz频段内的车内驾驶员耳旁噪音和进气口噪音水平明显降低;如图15所示，车内驾驶员耳旁噪声降低1.5 dBA左右;进气口噪声降低5 dBA左右，最大降低8 dBA。

6结束语

本文针对某车进气系统噪音频谱特性，进行进气系统噪音分析，运用了进气系统传递损失仿真计算，发动机台架插入损失直管试验，查找出进气系统消声能力低，针对问题提出了优化方案，并进行了试验验证;验证了进气系统传递损失仿真计算的准确性和1/4波长管旁支消音器消除窄带噪音的有效性，为进气系统设计提供了理论依据。