进气系统声学性能优化的试验研究

钱欣怡，郝志勇，刘联鋆，胡先锋

（浙江大学能源工程系，浙江 杭 州 310027）

进气系统噪声是汽车最主要的噪声源之一，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，影响到车辆的乘坐舒适性［1］。降低进气噪声对于提高车辆的NVH性能有重要的意义。

进气系统性能的评价指标主要包括消声性能和气动性能两个方面。消声性能采用传递损失、消声量、插入损失进行评价；气动性能采用压力损失进行评价［2］。优化进气系统声学性能、降低进气噪声的方法主要是试验和仿真。采用仿真的方法进行进气系统声学性能的优化具有便捷和成本低等优点，而试验方法具有的直接性、可靠性、最大程度地接近实际使用情况等优势使其成为工程实践和研究领域不可或缺的手段。Ming－Hung Lu［3］等使用试验的方法研究了进、排气系统降噪的措施，肯定了台架试验作为一种便捷、有效的手段应用于进气系统声学性能优化时所起到的良好作用；Liu［4］等使用试验和仿真相结合的方法，提出了进气系统低噪声优化设计的系统方法；杜江［5］等通过试验的方法研究了插入管消声器在气流作用下，内部和外部的声学特性。

本研究通过一系列试验对进气系统进行了声学性能的优化。通过整车道路试验测量了车辆的原始进气噪声，并依据进气噪声的阶次瀑布图，针对其噪声贡献突出的频率段设计了内插管，内插管的使用有效降低了全转速段的进气噪声；同时，本研究对进气系统引气管上开孔的降噪效果进行了静态声学性能和发动机台架试验研究，结果表明，开孔有助于降低进气噪声。

1 整车进气噪声路试评估及初步优化

1.1 试验设备及方法

测试车辆装备1.8L涡轮增压汽油机，5速手动变速器。试验在某自主品牌乘用车专用试车场进行，测量场地环境噪声为51.3dB。使用支架将传声器固定在进气格栅处，传声器轴线与进气气流方向成45°夹角，头部距离进气口端面中心10cm（见图1）。为尽量减小发动机本体和附件噪声对进气噪声测量的影响，在格栅部位贴附隔音材料进行适当屏蔽。测试设备为B＆K 3560C数据采集器和KMT RPM－8000－PRO发动机转速计。待水温、油温达到正常使用温度时，将变速器置于2挡，发动机转速稳定在800r／min左右，待车辆缓慢稳速前行时，立即将油门踏板踩到底加速前进，同时开始记录数据，直至发动机转速超过5 500r／min的标定转速后停止采集数据。

1.2 试验结果与分析

试验中，首先测量了安装原车进气系统时车辆在加速过程中的进气噪声，发现进气噪声总值在全转速范围内都偏大。从进气噪声的阶次瀑布图（见图2）中发 现，4 阶、5 300r／min（对 应频率 为353Hz）为中心的区域有一片弧形的高亮成分，对高速时的进气噪声贡献较大，应设法对其进行消减。

插入管型抗性消声器具有良好的消声效果，容易调节消声频率，其安装在空滤器内部不会对整个进气系统的外观产生影响，并且造价低，其插入长度La与共振频率关系见式（1）。

式中：c为声速；La为插入管长度；f为共振频率［6］。

针对353Hz这一噪声突出的频率，选择使用内插管对其进行抑制。依据式（1）设计插入长度为241mm的内插管（见图3）。将内插管安装在空滤器的气流出口端并重复了试验，试验结果见图4和图5。

由图4可以看到，安装了内插管后，进气噪声总值在全转速范围内有了明显降低，特别是1 700～2 700r／min这一区间降幅在5dB左右，2 700r／min以上的转速区间进气噪声总值的降幅也都在3dB左右。

对比图2和图5可以发现，安装了内插管后，在设计频率点及其附近的高亮区域明显变暗，说明内插管在设计频率及其附近频率区间起到了良好的消声作用。值得一提的是，安装内插管后，进气噪声的3～15阶次中，中高转速对应的频率成分降幅明显。以上两处噪声幅值的降低对于3 000r／min以上进气噪声总值的下降起到了较大的作用。2阶以下的低阶次高转速对应的频率成分也有一定程度的降低。通过对比还可以发现，在1 200r／min以内，进气噪声的高阶次成分有不同程度的降低，1 200～2 800r／min区间内的部分高阶成分也得到不同程度的抑制，这些对于低转速段的进气噪声降低有贡献。

为进一步说明，单独提取出进气噪声具有代表性的2，4，6，8阶成分进行比较（见图6）。安装内插管后，进气噪声的2阶成分在2 600r／min之前和4 500r／min之后得到了抑制，但在2 600～4 500r／min这一区间有不同程度的升高；4阶成分除1 500～1 800r／min这一区间相比不安装内插管时有小幅提升外，其余转速段内都得到了降低；6阶成分除超过5 400r／min之后变差外，其余转速段都有不同程度的下降；8阶成分在1 400r／min之后的整个转速段都有降低。总体而言，安装内插管后，进气噪声的4，6，8阶次成分都得到了较好的抑制。

为考察安装内插管对进气系统气动性能的影响，在稳态气动性能试验台上测量了此进气系统在设计流量下的流阻，结果表明，原车进气系统的流动阻力为7.70kPa，增加内插管后流动阻力为8.04kPa。流阻的增加幅度较小，在厂家可以接受的范围内。

整车道路试验中，安装内插管前后发动机转速从1 000r／min加速到5 500r／min的时间分别为11.2s和11.5s，两者相差0.3s，导致加速性能略微变差的原因应是安装内插管后进气系统的流阻变大，在420m3／h的设计流量下流阻增加的幅值大约为4.4%。

2 引气管开孔的降噪效果研究

在进气系统引气管上的适当位置开孔，具有降低进气噪声的作用。德国曼胡默尔公司在其生产的几款空滤器引气管上使用了开孔的设计；日产和奥迪公司也在其几款量产车型的进气系统引气管上采用了开孔降噪的措施。对于开孔的位置，以上三家公司都选择了引气管上位置较高处。引气管上开孔后进气噪声得到降低的原因之一是声泄漏，此种措施导致的发动机舱内噪声的升高并最终对车内噪声的影响并不明确，需要进一步研究。

鉴于此款车型的引气管后段在整车上所处的位置较高，选择在此处开孔对车辆涉水性能不会产生不利影响，因而选择在引气管后段的上方位置开孔（见图7）。开孔孔径为7mm，数量为8个，开孔面积307.7mm2，原进气口面积约为3 000mm2。对开孔前后的进气系统进行了静态声学性能试验和动态发动机台架试验，以研究开孔对进气系统声学性能的影响。

2.1 传递损失试验与结果分析

传递损失（Transmission Loss，TL）只与消声元件本身的结构有关，而不受声源和尾管辐射特性的影响［6］，是消声元件声学性能研究中常用的指标之一。目前消声元件传递损失的测量方法主要有两负载法、两声源法、脉冲法和声波分解法［7］。其中，两负载法允许测量管道下游存在反射，在实验室内具有较强的可操作性，所以本研究采用两负载法测量传递损失。

试验在浙江大学振动噪声实验室内进行，半消声室容积为310m3，背景噪声30.3dB。试验时声源被放置在半消声室外部，用内壁光滑的刚性圆管将声源引入半消声室内并与进气系统相连（见图8）。将1，2传声器安装在内径为75mm的入口直管段，3，4传声器安装在内径为45mm的出口直管段，并使传声器头部与管道内壁面平齐。其（1，0）模态的平面波截止频率可依据式（2）计算：

式中：c0为声速；D为管道直径。依据最大管径75mm，可算得最低截止频率为2 656Hz，高于本试验所考察的频率上限（1 000Hz）。根据ASTM标准E1050—90，一对传声器之间的距离与所测量的最高频率须满足式（3）［8］：

式中：fm为最高测量频率。本试验中，取两对传声器间的距离都为50mm，可满足在消声元件安装管道的截止频率范围内测量消声元件声学特性的要求。本试验中分别使用膨胀比约为2.0和3.5的2个膨胀腔作为末端负载。

传递损失测量结果见图9。可以发现，在引气管的后部开孔后，进气系统的传递损失明显比不开孔时大。50Hz以内，开孔后传递损失有小幅的提高；在150～370Hz频率范围内，传递损失普遍有8dB左右的提升，特别是328Hz处有17dB左右的提升；370～1 000Hz频率段内传递损失有2～5dB的提升；但是在80Hz附近频段内，开孔后的传递损失并未得到提升。总体而言，开孔后的传递损失相比不开孔时，在大部分频率段内都有了提升。

2.2 消声量试验与结果分析

消声量（Noise Reduce，NR）的定义如下：

式中：Lpi和Lpo分别为消声元件入口端和出口端的声压级［9］。

消声量的测量试验装置见图10，测量结果见图11。由开孔前后消声量随频率变化的曲线也可看出，开孔对低于370Hz频率段（除80Hz附近一小段外）消声量的提高有帮助，特别是在310Hz处消声量提高16dB左右，这在传递损失曲线上也有体现。在370～1 000Hz频率段，除650Hz附近频段消声量有所下降外，其余频段的消声量都有一定程度的提高，这与传递损失曲线所反映的情况大致相同。

2.3 发动机台架试验

在实际装车使用时，进气系统内部是有气流流动的，为验证在进气系统引气管上开孔的措施在有气流作用下仍能够有效降低进气噪声，进行了台架试验。由于实验室台架上没有原试验车辆上搭载的1.8L涡轮增压汽油机，因而用1台2.0L自然吸气汽油机替代，以200r／min为间隔测量了全负荷工况下1 000～4 000r／min各点的进气噪声。传声器轴线与进气气流方向成45°夹角，头部距离进气口端面中心10cm。为尽量减小发动机本体噪声的影响，将进气系统用内壁光滑的直管引出至离发动机3m处，同时在进气噪声测点与发动机本体之间使用隔音材料进行屏蔽，使发动机本体传来的噪声不能直接传播到测点处，试验布置见图12，测量结果见图13和图14。

由图13进气噪声总值能够发现，在引气管的后部开孔后，进气噪声总值，在全转速段都减小了，尤其是在1 000～1 400r／min区间内降幅较大，在1 800r／min附近和3 400～4 000r／min区间也都有2dB左右的降幅。

对比进气噪声中贡献最大的2，4，6，8阶次成分（见图14），不难发现在引气管后部开孔后，进气噪声的这4个阶次在大部分转速区间都有不同程度的下降，其中2阶成分在2 350r／min之前得到了较好的抑制。由图6可知，2 000r／min内的进气噪声中2阶成分较为突出，因而在引气管的后部开孔对降低车辆2 000r／min内的进气噪声有积极的作用。

开孔后，2阶成分在2 400r／min时反而升高了，从传递损失和消声量的静态试验中可以看到，在频率为80Hz附近处，开孔后传递损失并没有得到提升，而消声量则比不开孔时要低。2阶成分在2 400r／min时对应的频率为80Hz，正好处于开孔后进气系统声学性能降低的频率段上。而4阶成分在1 200r／min处对应的频率也是80Hz，所以在1 200r／min处也出现了开孔后幅值变大的情况。

综上所述，在进气系统的引气管上开孔后，进气噪声总值在整个转速区间内都得到了降低；进气噪声的2，4，6，8阶次成分在大部分转速区间内得到了降低，只在部分转速区间稍有升高。可以预测，在整车上对引气管采用开孔的措施也能够有效降低进气噪声。

3 结论

a）针对1款即将量产的车型在整车道路试验中暴露的进气噪声过大问题，结合试验数据，快速设计了内插管，成功降低了整个转速区间的进气噪声；整车试验结果表明，内插管的设计是有效的；流阻实验表明，内插管对进气系统的流阻影响甚小；

b）通过静态试验，使用传递损失和消声量2个声学性能评价指标，研究了在引气管后部开孔前后进气系统声学性能的差异，发现开孔后进气系统的传递损失和消声量在大部分频率段都得到了不同程度的提高；通过发动机台架试验的验证，进一步表明开孔具有降低进气噪声的作用；

c）预测在整车的进气系统引气管上采用开孔措施，对降低进气噪声也能起到一定的作用，有助于车辆满足通过噪声测试的限值要求，但其对车内噪声的影响还需进一步研究；

d）通过对进气系统的传递损失、消声量和整车进气噪声的测量，对进气系统声学性能优化中涉及的静态试验、发动机台架试验和整车道路试验进行了系统性的研究。

［1］ 贾维新.发动机结构噪声和进气噪声的数字化仿真及优化技术研究［D］.杭州：浙江大学，2008.

［2］ 张晓东.发动机进气系统消声器的气动—声学性能研究［D］.上海：上海交通大学，2007.

［3］ Ming－Hung Lu，Ming Une Jen.Intake／Exhaust Noise Reduction with Rig Test Optimization［C］.SAE Paper 1999－01－1660.

［4］ Chi Liu，Zhi－yong Hao，Xin－rui Chen.Optimal Design of Acoustic Performance for Automotive Air－cleaner［J］.Applied Acoustic，2010，71（5）：431－438.

［5］ 杜 江，欧阳华，杜朝辉.气流影响下的插入管消声器声学特性的实验研究［J］.噪声与振动控制，2010（4）：104－109.

［6］ 庞 剑，谌 刚，何 华.汽车噪声与振动——理论与应用［M］.北京：北京理工大学出版社，2006：225－226.

［7］ Munjal M L.Acoustics of Ducts and Mufflers［M］.New York：Wiley－interscience，1987.

［8］ 徐航手，康钟绪，季振林.排气消声器传递损失的实验测量与分析［J］.噪声与振动控制，2009（4）：228－232.

［9］ 刘联鋆，郝志勇，钱欣怡.空滤器滤芯声学性能的仿真方法［J］.浙 江大 学 学 报：工 学 版，2012，46（10）：1785－1789.