發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲是汽車的主要噪聲源之一，進(jìn)氣系統(tǒng)不僅需要為發(fā)動(dòng)機(jī)提供很好的空氣動(dòng)力學(xué)性能，還需要有良好的消聲能力，本文就進(jìn)氣系統(tǒng)NVH設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)簡(jiǎn)單介紹，希望對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)人員有所指導(dǎo)。
圖1 進(jìn)氣系統(tǒng)示意圖
1進(jìn)氣系統(tǒng)簡(jiǎn)介
進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)除了優(yōu)化進(jìn)氣阻力外，還應(yīng)對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的NVH性能進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)氣管路要與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行細(xì)致的匹配，防止后期進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲大或者進(jìn)氣異響。如圖1所示，空濾器是進(jìn)氣系統(tǒng)的重要部件，它有一個(gè)或幾個(gè)清潔空氣的過濾器部件組成，按照空氣濾清器不同作用形式可將其分為三種類型：慣性式空氣濾清器、過濾式空氣濾清器和油浴式空氣濾清器。
慣性式空氣濾清器：工作原理是利用空氣氣流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力而將雜質(zhì)拋出。在發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣過程中，空氣及固體顆粒一起進(jìn)入空氣濾清器，夾雜著固體小顆粒的空氣按照空氣濾清器設(shè)計(jì)的軌道進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。由于顆粒的密度比空氣大，因此雜質(zhì)在隨空氣轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，受到不同離心力的顆粒會(huì)被分離出來，這樣可以得到干凈的空氣。
過濾式的空氣濾清器：主要通過金屬制的濾網(wǎng)和濾紙以達(dá)到凈化空氣的功能。當(dāng)空氣及其雜質(zhì)一起通過濾紙時(shí)，由于濾紙上的微孔的存在，空氣可以順利通過濾紙，但是顆粒卻不能，并且顆粒被粘在濾芯上，這樣達(dá)到凈化空氣的作用。
油浴式空氣濾清器：油浴式空氣濾清器是利用急速旋轉(zhuǎn)的氣流將機(jī)油帶起，利用機(jī)油的粘性吸附住空氣中的雜質(zhì)，而機(jī)油所產(chǎn)生的油液顆粒則會(huì)被進(jìn)口濾芯所吸收，這樣空氣中的雜質(zhì)就被有效的去除而達(dá)到了濾清的效果。
在通常情況下，空氣濾清器的容積越大越好。 空氣濾清器容積大的優(yōu)點(diǎn)有三個(gè)
（1）空氣濾清器容積大可以保證濾芯的過濾面積大，容納灰塵的容量也大；
（2）從聲學(xué)方面考慮，空氣濾清器容積大，傳遞損失可以調(diào)整的范圍就相應(yīng)變寬，傳遞損失也可能變大，這對(duì)于減少進(jìn)氣噪聲來說是有利的；
（3）空氣濾清器容積大還可以減少進(jìn)氣阻力。
但是從整車的布置來說，由于車倉的容積是一定的，空氣濾清器容積越小越有利于布置。所以在設(shè)計(jì)空氣濾清器時(shí)，其體積盡量達(dá)到各方面最優(yōu)。空氣量不足，直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo)不理想。要保證發(fā)動(dòng)機(jī)有足夠的進(jìn)氣充量，就必須從整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)入手，力求找出一種最佳的布置方式，使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作在平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)和低排放的理想?yún)^(qū)間。對(duì)于汽油機(jī)轎車和柴油機(jī)輕卡空氣濾清器的容積不小于3倍的發(fā)動(dòng)機(jī)排量，中型，重型卡車空氣濾清器的容積不小于5倍的發(fā)動(dòng)機(jī)排量。
一些車型的消聲容積和發(fā)動(dòng)機(jī)容積
2進(jìn)氣噪聲激勵(lì)源
進(jìn)氣噪聲對(duì)汽車車內(nèi)外噪聲都有較大的貢獻(xiàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，進(jìn)氣閥的周期性開閉引起管道內(nèi)高速氣流在進(jìn)氣管道各接口處產(chǎn)生氣流分離和漩渦，從而產(chǎn)生壓力波動(dòng)，成為進(jìn)氣系統(tǒng)的主要噪聲源。進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲源主要包括周期性的壓力脈動(dòng)噪聲、管道氣柱共振噪聲、渦流噪聲以及氣缸的亥姆霍茲共振噪聲。
（1）周期性壓力脈動(dòng)噪聲：周期性壓力脈動(dòng)噪聲是由進(jìn)氣門的周期性開啟和閉合而產(chǎn)生的壓力起伏變化所形成的。當(dāng)進(jìn)氣門開啟時(shí)，在進(jìn)氣管中產(chǎn)生一個(gè)壓力脈沖隨著活塞的移動(dòng)，這個(gè)壓力波很快受到阻尼；當(dāng)進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)，同樣產(chǎn)生一個(gè)壓力脈沖，也是受到阻尼而迅速消失，在一個(gè)工作循環(huán)中，共有這樣兩個(gè)壓力脈沖。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中這樣兩個(gè)脈沖交替出現(xiàn)，這形成了周期性的噪聲。其主要頻率成分為：
（2）渦流噪聲：氣體是存在粘性的，當(dāng)具有一定速度的氣流在經(jīng)過障礙物后與障礙物背后的氣體相互作用，這樣就會(huì)在下流的氣體中形成帶有渦流的氣流，由于渦流中心的壓力相對(duì)而言較低，當(dāng)渦流脫落時(shí)，氣流中就會(huì)產(chǎn)生壓力的跳動(dòng)，壓力波通過介質(zhì)像外傳播，這種由于渦流脫落產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)造成的噪聲稱為渦流噪聲。當(dāng)氣流流經(jīng)不規(guī)則的障礙物時(shí)，渦流的形成，脫落以及排列都不是規(guī)則的，渦流噪聲的頻率成分往往是呈寬頻特性；當(dāng)氣流流經(jīng)幾何形狀簡(jiǎn)單的障礙物時(shí)，渦流的形成，脫落大都在某一相同的周期內(nèi)，有比較突出的峰值頻率成分，頻率可以用下式進(jìn)行估算：
（3）氣柱共振噪聲：發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門關(guān)閉后，進(jìn)氣管的末端可以看作為是封閉，而進(jìn)氣口是打開的，這樣可以等效為“開口-封閉”的等截面管，這樣就形成了一個(gè)氣柱共振系統(tǒng)。當(dāng)聲源的激振頻率與氣柱的某一階固有頻率很接近時(shí)氣柱便發(fā)生對(duì)應(yīng)于該頻率的共振，使管道強(qiáng)烈振動(dòng)并輻射噪聲。進(jìn)氣管氣柱的固有頻率可由下式計(jì)算：
圖3 進(jìn)氣系統(tǒng)的NVH測(cè)試
圖4壓力損失試驗(yàn)臺(tái)
（3）進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)性能指標(biāo)
當(dāng)前工程上評(píng)價(jià)進(jìn)排氣消聲器性能，通常有以下幾個(gè)指標(biāo)：插入損失（IL），消聲量（NR），傳遞損失（TL）。插入損失的定義是用一段和消聲器近似長度的管子，在有聲源的情況下分別測(cè)量消聲器聲學(xué)出口和直管的聲學(xué)出口的聲壓級(jí)，兩者的差值就是插入損失（IL）。這一方法除了與消聲器本身的消聲效果有關(guān)外，還與聲源本身的特性有關(guān)，因此適合在開發(fā)的后期進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)，找到需要消聲的頻率和幅值然后開發(fā)消聲器。此方法在開發(fā)前期無聲源的情況下是不適用的，因此本文主要介紹后兩種，即消聲量（NR），傳遞損失（TL）在工程中的應(yīng)用。
5 NR測(cè)量
系統(tǒng)中第1 點(diǎn)、第2 點(diǎn)的聲壓級(jí)分別為L P1 、L P2 ，那么消聲量為
傳遞損失，又名傳輸損耗、隔聲量。 被描述為入射和透射聲功率級(jí)的相差。 傳遞損失沒有包括聲源和管道終結(jié)端的聲學(xué)特性，它只與自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。 在評(píng)價(jià)單個(gè)消音元件的消音效果或者初步評(píng)估系統(tǒng)的消音性能時(shí)，通常用傳遞損失。 傳遞損失是評(píng)價(jià)消音元件消音效果最簡(jiǎn)單的一種方法。
圖6 傳遞損失測(cè)量圖
圖6是傳遞損失的測(cè)量的示意圖。在測(cè)量時(shí)，在尾端裝上一個(gè)全消音裝置，這樣就聲音全部被吸收。在消音元件的入射端安裝兩個(gè)麥克風(fēng)來測(cè)量入射波的聲壓和速度，從而計(jì)算出入射聲功率。在消音元件的后端只安放一個(gè)麥克風(fēng)就可以測(cè)量到透射聲功率。傳遞損失計(jì)算原理如下：
圖7
（4）消聲性能的仿真預(yù)測(cè)方法
傳遞損失的計(jì)算：目前常用的方法有一維體積法（如GT-power），有限元法，邊界元法，耦合法。利用LMS vitrtual lab就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳遞損失的計(jì)算。具體操作流程可以參看本公眾號(hào)文章《基于AML法的消聲器傳遞損失計(jì)算》
（4）消聲性能的仿真預(yù)測(cè)方法
傳遞損失的計(jì)算：目前常用的方法有一維體積法（如GT-power），有限元法，邊界元法，耦合法。利用LMS vitrtual lab就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳遞損失的計(jì)算。具體操作流程可以參看本公眾號(hào)文章：基于AML法的消聲器傳遞損失計(jì)算
圖8 GT 分析模型
圖9 有限元分析模型
圖10有無濾芯NR的趨勢(shì)對(duì)比
在噪聲實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)空氣濾清器中的濾芯對(duì)中高頻通常600Hz以上噪聲具有明顯的吸聲效果,即具有吸聲材料的特，考慮中高頻的噪聲分析時(shí)需要考慮濾芯的聲學(xué)特性,可以將濾芯定義為吸聲材料，多孔材料的吸聲性能,主要受材料的流阻、孔隙率、結(jié)構(gòu)因子、密度、聲音在材料中傳播速度等的影響。 進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲量建議至少＞20dB。
（5）進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲數(shù)字預(yù)測(cè)：
圖11 進(jìn)氣噪聲的目標(biāo)
在進(jìn)氣系統(tǒng)開發(fā)對(duì)其出口處的噪聲要預(yù)先定義，如圖11。聲學(xué)中的單口聲源模型可以用于計(jì)算具有管路開口的機(jī)械在管口產(chǎn)生的空氣動(dòng)力噪聲，這類機(jī)械例如氣泵，風(fēng)扇，內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)等。對(duì)于該類機(jī)械,當(dāng)管口保持不變時(shí)，管口處的聲學(xué)負(fù)載可以看作是恒定的或者多個(gè)開口之間在聲學(xué)上是非禍合的，則這些開口的聲學(xué)特性可以采用單口聲源模型來進(jìn)行研究。管子內(nèi)的聲波假定為平面波,并且具有時(shí)不變系統(tǒng)的特性。在屏蔽掉發(fā)動(dòng)機(jī)其他噪聲源后,進(jìn)氣系統(tǒng)的氣動(dòng)噪聲可以視為單口聲源模型。單口聲源的聲學(xué)特性,在頻域內(nèi)可以用聲源的聲壓和聲阻抗來表述,如下式
圖12進(jìn)氣系統(tǒng)聲線路圖
PS聲源聲壓,ZS為聲源阻抗,PL為聲源出口聲壓,ZS為聲源所連接負(fù)載的聲阻抗.四負(fù)載法對(duì)聲源特性的提取。
圖13四負(fù)載法聲源特性測(cè)量
為四根不同長度的管子作為聲源下游的聲負(fù)載,根據(jù)式,四個(gè)負(fù)載的聲學(xué)方程分別為 ：
四個(gè)方程按下面的方法依次相除可以得到三個(gè)比例因子：
Gplm為聲源與負(fù)載管子在x=0處的聲壓值，ZL為四個(gè)負(fù)載的聲阻抗值。然而直接測(cè)量Gplm通常存在一定的困難，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)，高速氣流會(huì)使聲壓測(cè)量產(chǎn)生很大誤差。因此通常測(cè)量距管口距離為r的參考點(diǎn)處的聲壓值，再通過負(fù)載的聲學(xué)特性推算出Gplm的值。對(duì)于簡(jiǎn)單負(fù)載的聲學(xué)特性，可以由理論公式得到，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的負(fù)載，需要采用數(shù)值仿真的方法計(jì)算其聲學(xué)特性。比例因子可以由參考點(diǎn)測(cè)得的聲壓表示：
Gpm為參考點(diǎn)F的聲壓值，C、D為直管的四極子參數(shù)，Zr為直管管口向外部空間場(chǎng)的輻射阻抗，比例因子和負(fù)載阻抗為已知，聲源阻抗為待求值。求得聲源處的聲壓和阻抗后就可以對(duì)新設(shè)計(jì)的進(jìn)氣管道進(jìn)行噪聲仿真。
參考文獻(xiàn)：
【1】韓松濤.內(nèi)燃機(jī)的振動(dòng)噪聲控制及現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)研究[D].天津大學(xué)，2002,146-147
【2】龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動(dòng): 理論與應(yīng)用 ［M］．北京: 北京理工大學(xué)出版社，2006．
