孙中政

（杜邦中国研发管理有限公司，上海201203）

随着汽车轻量化及节能减排要求的提高，越来越多的进气管道使用塑料管道替代金属橡胶管道；采用塑料管道可以降重40%～70%。同时人们对乘坐舒适度要求的提高及相关法规的逐步严格，致使发动机进气系统有了更为严格的降噪要求。进气管道管壁的辐射噪声是进气噪声主要来源之一，准确评价塑料替代后的进气管道NVH（Noise Vibration and Harshness，噪声、振动及声振粗糙度）的性能非常必要。本文研究如何准确评价管道管壁的透射噪声，传递损失只与管道管壁自身声学特性有关，不受声源特性、末端辐射特性及管道外部声场特性的影响，是管道管壁声音透射特性研究有效评价方法。

现有对于传递损失的研究，其主要是空间声场的传递损失和管道内消声器或者材料传递损失的研究。而对于结合管道内声场特性和空间声场特性的传损研究相对较少。对于空间场的传递损失测试，采用混响室+混响室的方法，或者混响室+消声室的方法，研究三明治板结构等人工周期结构[1]，双层多层材料结构[2]等的隔声性能。管道内的传损研究方向有流速的影响[3]，具有多输入多输出的管道测试方法[4]，以及含有非平面波的传播波的测试[5]等。综合空间场的传递损失测试方法和管道内的传递损失测试方法，可以知道，传递损失为入射声能量与透射声能量的比值。因此管道管壁的传递损失为管道内入射的声能量与管道管壁外透射声能量的比值。本文在管道内基于平面波理论分离入射波和反射波，并采用双边界方法消除测试管道内声源和管道末端声学特性影响。在空间声场，消声室环境确保测试频率范围内，为直达声的近场或自由场,管壁外无反射声，无声能量透射入管道。管道内部入射声功率与管道外声功率比值为管道管壁传递损失并采用声强扫描进行声源识别测试及声功率测试。

1 管壁传递损失

1.1 传递损失理论基础

以行波表征管道内声波特性，上游管道包含入射波与反射波，下游管道包含管道透射波与末端反射波，管道外自由场为管壁透射波。对于管道内平面波，上游管道可以用两个麦克风分离入射波与反射波；下游管道可用两麦克风分离透射波与末端反射波。如图1所示，管道管壁透射声能量来源于管道内的入射声能量与末端反射声能量。

图1 管道内声音传播路径

待测管道内的声压可以用入射声压与反射声压线性表示[6]

Pin表示待测管道内部声压，Pi为管道内入射声声压，Pd表示末端反射声声压，ai，bi管道内入射和末端反射声压在待测管道内的常数系数。

参考空间声场传递损失测试方法，管道的传递损失由管道内的声功率和管道外的声功率如下表示

TLWio为管道内外的声功率传递损失，LWin为管道内声功率级，LWout为管道外声功率级，Win为管道内声功率，Wout为管道外声功率，Pout表示管道外部声压，m为常数，说明内外声压可线性表述。由式(1)、式(2)可知，管道外声压可以由管道内的入射声压和反射声压线性表述

a、b为常数。

由于管道管壁传递损失是管壁自身特性，与声源特性，管道末端边界条件，空间声场特性无关，因此管道管壁传递损失可以定义为管道内入射声功率级与管道外透射声功率级之差

TL为管道管壁的传递损失，LWi为管道内入射声功率级，Wi为管道内入射声功率。

在整车测试或者台架试验,管道的声功率不容易测量,因而经常采用距离管道一定距离的麦克风测量声压级进行评价，为与台架试验测试一致，采用管道内入射声压与管道外透射声压的比值平方，为声压级传递损失SPTL。

SPTL 为管道内入射声压级与管道外的声压级传递损失，LPi为管道内入射声的声压级，LPout为管道外声压级。

声压传递损失只与入射声能量有关，定义为末端无反射时，入射声压级与透射声压级之差。需要消除末端的影响，采用双边界法，两次测量消除末端影响，即

Pi1，Pi2分别为管道内第一次、第二次测量的入射声压；Pd1，Pd2分别为管道内第一次、第二次测量的末端反射声压；Pout1，Pout2为管道外部第一次、第二次测量的声压。

考虑管道管壁内外介质均为常温空气，则可以得到声音能量的管壁传递损失（声功率传递损失，简称为传损）为

Pout1n、Pout2n为管道内第n个测试点第一次和第二次测量的声压，Si为入射麦克风测量处管道横截面的面积，Sout为管道外10点声功率测试分布测点的半球面面积。

1.2 测试系统与方法

测试系统包含半消声室，数据采集系统和管道系统。半消声室提供截至频率200 Hz 的自由场。数据采集系统如表1所示。

表1 测试系统元器件

管道系统包含密闭声源，上游测试管道，待测管路，下游测试管道，下游测试管道内含有消声末端。管道上传声器依次记为1、2、3、4。管道外部传声器根据测试需求顺序向后标记。管道外传声器布置方式有2种，一种是距离待测管道上方10 cm处测试的布置，另一种是采用半球声功率测试的布置。

为了研究声压级的管道管壁传递损失，分别测试不同声源不同末端边界条件，管道内部声压级与管道外部声压级的差。分别使用内部麦克风1的声压级与外部麦克风声压级差值，管道内分离入射波与外部麦克风声压级差值，通过式(6)双边界法计算末端反射声能量为零时管道内部分离的入射波与外部麦克风声压级差。

使用管道内1号麦克风与外部麦克风的声压级差做评价，实验结果如图2，结果表明，不同的末端边界条件，数据结果差异明显。

图2 内外麦克风声压差

对于无吸声材料的全反射边界条件，驻波特性明显，采用吸声管道末端，驻波特性减弱，但是测试结果明显与末端边界条件相关，非管道管壁本身声学特性。

使用管道内入射声的声压级与外部麦克风声压级差作评价，结果如图3。

图3 入射与透射声压级差

针对同一种管道末端边界条件，声源分别用1 V和2 V激发，测试结果一样，说明这种测试方法可以有效避免声源特性的影响。但是2种不同的管道内末端边界条件，虽然不同条件驻波影响差异不大，测试结果还是有较大差异。

通过式(6)的方法，计算管道内末端无反射声能量时，管道内入射声压级与管道外透射声压级的差。分别测试了3 种不同组合的边界条件下的结果，见图4。

图4 声压级传损

3 种组合分别是管道末端为无吸声全反射末端和管道末端为弱吸声末端；管道末端为无吸声全反射末端和管道末端为强吸声末端；管道末端为弱吸声末端和管道末端为强吸声末端。3种不同测试结果数据一致性强，说明该方法测试结果与管道末端声学特性无关，可以得到管道管壁本身传递损失。

2 进气管道声学性能测试

2.1 塑料管道与金属橡胶管道测试

针对汽车进气管道，采用管道管壁声压级传递损失和声强扫描法对金属＋橡胶管道和塑料管道的透射噪声的性能进行测试。管道内上游测试管道与下游测试管道均为2个1/4英寸压力场麦克风，管道外为前、中、后3个1/2英寸自由场麦克风。

图5、图6、图7结果表明，在2 050 Hz，2 种方案声压级传递损失接近，低于2 050 Hz，塑料件具有更大的传递损失，声学性能更好。高于2 050 Hz，金属+橡胶的传递损失更大，声学性能更好。塑料的在3 000 Hz左右有明显的一段较差区域。

图5 前麦克风测试结果

为了更好地研究2 种方案的差别，用声强探头在管道上方10 cm 处进行扫描，采用1/12 倍频程分析。测试结果为图8声功率，结果表明在2 050 Hz，2种方案的声功率相同。

在低频区域，金属+橡胶方案的声功率更高，在高频区域，塑料方案的声功率更高。声强法与声压级传损的频率趋势一致。扫描声强法没有消除测试系统声源、末端特性等影响。传递损失测试消除管道内声源特性和末端边界条件的影响，能更加准确地评价管道管壁声学特性，。

图6 中麦克风测试结果

图7 后麦克风测试结果

图8 声强扫描法声功率

2.2 塑料、橡胶管道声学性能测试

对汽车进气系统的塑料管和橡胶管，分别进行声压级的传递损失、声功率的传递损失和声强扫描测试，分析2 种材料的管道隔声性能差异。管道的声压级传递损失测试管道外麦克风布置在管道上方和侧方距离管道10 cm处。传损测试管道外麦克风按照标准的声功率半球10点测试方法分布麦克风。

对比图9、图10、图11可知，声功率传递损失给出的结果是管道管壁本身声学特性，相对于某点声压级的传递损失测试结果，不但消除了管道内测试系统如声源特性，末端边界条件的影响，也更好地体现了管道外的声能量特性。

定点声压级传递损失是管道外某一点的测试结果，受测点位置影响大。而声功率的传递损失是远场多测点的测试，能够更加合理客观地评价管道管壁的隔声性能。

图9 声压级传损上方测点结果

图10 声压级传损侧方测点结果

图11 声功率传损结果

图12声强法扫描声功率测试结果表明，声强扫描法带有管道内声学特性，因此声源能量高的频率，测量的声能量也高。

图12 声强扫描法声功率测试结果

传递损失测试结果与声功率测试结果均表明，在1 600 Hz以前，塑料管道相对于橡胶管道，具有更好的隔声性能，辐射的声功率更小。在2 000 Hz 左右，塑料管道的隔声性能差于橡胶管道，因此辐射的声功率多。传递损失测试结果表明，橡胶管道在800 Hz 左右有明显的隔声薄弱区域，而塑料管道在2 000 Hz左右有明显的隔声薄弱区域。

图13、图14声强分布结果表明，对于塑料管道和橡胶管道，主要的辐射声均来源于波纹管。

图13 塑料件声强分布

图14 橡胶件声强分布

3 结语

本文针对管道管壁传递损失进行测试系统开发，得到管壁本身声学特性。通过与扫描声强法对比，证明管壁传损测试系统在测试频率范围内有效，测试系统消除管道内噪声源，管道末端边界条件，外部声场影响，是管道管壁自身声学特性有力评价指标。对比塑料件与金属橡胶件，塑料件和橡胶件，塑料件管道在2 000 Hz左右隔声性能差。