某车辆进气系统消声性能分析与优化研究

钮炳瑜

（合肥工业大学 噪声与振动研究所，合肥 230009）

工程车辆在工作时会产生诸多噪声，其中发动机的进气噪声是主要噪声源之一。因此，降低发动机进气噪声对于控制整车噪声有着重要作用。文中对某工程车辆的进气系统进行了实验测试分析和仿真分析，获得该进气噪声优势频率及传递损失等数据，并根据分析结果，提出改进意见。改进后的进气系统降噪效果满足标准要求，验证了设计理论及方案。

1 实验分析

1.1 噪声信号采集及分析

根据相关标准（ISO 6394：2008）对某型挖掘机进行整车噪声振动实验测试。在标准条件下，噪声测点分别布置在驾驶室内（驾驶员左右耳处）、进排气、液压泵、液压阀。图1、2所示驾驶室内和进气口噪声测点位置。测试发动机转速区间为1 700 r/min～2 200 r/min，即车辆工作时常用挡位的发动机转速。实验测得驾驶室内左耳处平均噪声值超过77 dB（A），最大噪声值达到 79.0 dB（A），如图 3 所示。

在图4、图5中，发动机转速2 200 r/min时驾驶室左耳和进气口测得的噪声频谱，优势频率为220 Hz，即发动机6阶激励频率。

使用Test.lab对整车噪声信号进行相干分析和阶次分析，得到驾驶室内左传声器测得声压水平主要与进气辐射噪声相关的结果。因此，需要针对该频段对进气系统进行具体分析。

1.2 进气系统传递损失测量

传递损失是消声元件和简单系统消声效果的重要评价指标之一，只取决于该元件的结构、介质的阻抗率和截面面积，与源特性和尾端辐射特性没有关系，计算简单精确。

当被测元件的出口无反射且出入口的横截面积大小相等时，计算传递损失可简化成：

式中：TL为传递损失，L1和L2分别表示入射声压和透射声压。

对原车进气系统空气滤清器和连接管道进行静态声学实验（见图6）。在消声室内，由信号发生器发出白噪声、单频信号，经过功率放大器，由扬声器发出声波进入管道入口，管道出口采用全消声装置。并且在系统入口处用一对传声器测量入射波，出口用一个传声器测量反射波。

根据测量数据，经过计算后得到系统传递损失曲线，如图7。从曲线上可以看到系统对较低频段消声效果很差，并且在200～250 Hz频段存在低谷，消声量不足10 dB，与进气口噪声频谱和驾驶室左耳处噪声频谱相对应，所以有必要优化进气系统结构。为方便优化设计和快速了解系统中的不合理结构，故采用计算机仿真方法对进气系统进行分析，针对进气噪声频谱优势频率和声压值较强的结构提出改进方法。

2 进气系统CAE分析

2.1 模型建立及条件设定

根据进气系统实物模型，在三维CAD软件Catia中绘制出产品的三维几何模型，抽取模型内表面，导入HyperMesh软件中建立有限元网格模型（见图8），网格尺寸小于最小波长1/6，并取整数。由于空滤滤芯为多孔材料，其低频吸声效果很差，在计算中影响可忽略，故建模时不予考虑，并对模型的圆角及其他局部特征进行适当的简化处理。

将Hypermesh中的有限元网格模型导入Virtual.lab软件中，定义声学模型，并设定边界条件。在进气系统入口处添加单位速度，出口处设置全吸声边界，即模拟无反射效果。参数定为：声速c=340 m/s，介质密度ρ=1.225 kg/m3，计算频率范围设置为20～800 Hz，步长取 2 Hz。

2.2 分析结果

进气系统声传递损失曲线，如图9所示。分析发现，原系统在400 Hz以下的低频消声效果很差，并且在220 Hz处的传递损失值小于5 dB。这与实验结果中，发动机转速2 200 r/min时驾驶室声频谱优势频率点相符合，并且和实验得到传递损失曲线趋势基本一致。在进气系统220 Hz声压云图中（见图10），可以看到空气滤清器和连接管道靠近滤清器段的声压较高，可能存在噪声辐射问题。因此，应对空气滤清器或连接管道进行优化设计，提高进气系统在220 Hz及附近频率段消声量。

3 改进方案分析及验证

根据实验结果及原系统仿真分析数据，提出三种改进方案，并分别建立有限元模型，计算进气系统传递损失加以对比。

方案1：在连接管道的弯道处，安装扩张腔，扩张腔容积为15 L，如图11所示。

方案2：在连接管道靠近滤清器端添加亥姆霍兹共振器（见图12），根据已知参数，设计共振腔容积为2 L，消声频率f=200 Hz，实际制造时需要加管道尺寸、壁厚等补偿参数。

方案3：滤清器内部构造，添加共振消声器，容积接近7L，如图13。

对比三种方案传递损失曲线（如图14所示），改进方案1，能够在较宽频段提高系统传递损失，对进气系统在220 Hz处消声量有大幅度提高，个别频率消声量有所降低。改进方案2、3能够在220 Hz（见图15）及附近频率很大幅度提高进气系统消声量，在220 Hz及附近频率的平均消声量比原系统增大17dB，对其他频段传递损失几乎没有影响。并且改进后的系统声压值也有所降低。

受车体舱部空间限制，使得方案1中扩张腔的安装较为不便，并且管道数量也要增加，因此在满足声学性能要求的条件下，优先考虑方案2或方案3；安装外置亥姆霍兹共振器，由于采用人工安装，会造成共振器消声频率偏移，不能保证其使用可靠性，因此，最终选择方案3，将共振腔设计在滤清器内部，安装方便，使用稳定，避免了其他元件改动，图16为方案3的实物样品。

图17是在改进测试结果，驾驶室内左耳处的噪声水平平均降低4 dB，已达到项目要求，验证了方案的有效性。

4 总结

（1）对某工程车辆进气系统进行试验分析和仿真计算，了解系统的消声性能，为结构优化提供了依据。

（2）综合分析后，针对进气噪声优势频率和声压值较高的结构进行优化，提出改进方案。

（3）采用优化方案后，实车测试中进气系统消声性能符合预期值，满足项目要求，也为工程车辆方面降噪提供了参考。

［1］ 庞剑，谌刚，何华，等.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.

［2］李增刚，詹福良，等.Virtual.Lab Acoustics声学仿真计算高级应用实例［M］.北京：国防出版社，2010.

［3］郭付洋.内燃机进排气系统降噪研究［D］.合肥工业大学硕士论文，2011.

［4］ 杜功焕，朱哲民，龚秀芬，等.声学基础［M］.南京：南京大学出版社，2001.

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