某中型客车进气噪声声学优化

韩杨 周鋐 靳畅 张芳

（同济大学 新能源汽车工程中心）

某中型客车进气噪声声学优化

韩杨 周鋐 靳畅 张芳

（同济大学 新能源汽车工程中心）

通过对某中型客车空气滤清系统的声场仿真计算和整车进气噪声试验分析，提取其进气噪声声源特性并进行了声学优化。首先采用四负载法提取进气噪声声源特性，建立进气系统声学边界元模型，预测进气系统进气口噪声并与试验测试数据对比，验证提取声源的准确性；然后进行整车进气系统噪声试验，分析进气噪声频谱特性，确定消声频率；最后通过仿真设计了消声元件，并提出优化方案用于实车验证。整车进气噪声试验结果表明，优化后进气系统声学特性得到明显改善。

1 前言

进气系统噪声是汽车最主要噪声源之一[1]，降低进气噪声对改善汽车NVH性能具有重要作用。对于进气噪声声学优化，Swati M等[2]提出了插入式赫姆霍兹共振消声器来解决进气噪声低频问题，为进气消声设计开辟了一条新思路；浙江大学郝志勇等[3]采用边界元法对空气滤清器系统进气声学预测，通过简单的空气滤清器数模在数值计算和试验中进行了低频降噪研究。上述研究主要针对轿车的进气噪声问题，而对商用车的进气噪声声学优化研究较少。为此，本文对某中型客车进气噪声声源特性进行了提取，并基于进气噪声的声源特性仿真预测了进气噪声，提出了优化方案，进而改善了该中型客车进气系统声学特性。

2 进气噪声声源特性参数提取理论和方法

2.1 声源特性参数提取理论

进气噪声是从发动机与进气系统连接处发出，再通过空气滤清器及消声系统辐射到大气中，因此可将进气噪声声源定义在节气门所在端面[4]，空气滤清器及消声系统可看作声学负载，其中声源阻抗与声学负载阻抗串联，组成的声电类比线路图如图1所示。

当屏蔽掉发动机等其它噪声源后，进气噪声声源可视为单口声源，即进气噪声声源声学特性参数包括随频率变化的声源声压和声源阻抗，表达式为：

式中，Ps为声源声压；Zs=（Rs+jXs）为声源阻抗，包括声阻和声抗；PL为声源与声学负载连接端面的声压值；ZL=（RL+jXL）为进气系统中声学负载阻抗；W为在声平面的声功率。

2.2 声源特性参数提取方法

声源特性参数提取方法分为直接法和间接法。因间接法容易实现且预测结果较精确[5]，而其中的多负载法具有较高的预测精度，因此本文采用四负载法[6]提取声源特性参数。

在某一工况下，发动机进气噪声声源特性是线性不变的，即声源声压和声源阻抗不随下游连接的声学负载的不同而改变[7，8]，则四负载法声源特性参数提取原理如图2所示。

利用4根不同长度的直管作为声学负载。图2中x=0处的声压值即为声源与声学负载连接端面的声压值PL，可表示为:

式（3）中，ZL可通过边界元法仿真计算获得，PL可通过测量点声压（声学负载末端声压Pout）和ZL计算得到。Ps和Zs是复数域变量，由实部和虚部组成，因此式（3）包含了实部方程和虚部方程，计算声源声压和声源阻抗即为计算其实部和虚部4个未知变量，所以采用4个不同的声学负载联立4个方程进行求解。

2.3 声源特性参数提取试验

采用四负载法对某中型客车4缸4冲程柴油机的进气系统声源特性参数进行提取试验，利用传声器测量声学负载末端声压Pout。图3为声源特性参数提取试验现场，试验工况为3挡节气门全开急加速工况，转速范围为1 000～4 000 r/min，采样间隔为40 r/min，4个声学负载及其安装位置如图4所示。

3 进气噪声预测及其准确性验证

3.1 声源特性参数提取结果

进气噪声具有明显的谐次特性[3]，主要以2、4、6、8阶次噪声为主，因此本文主要计算2、4、6、8阶声源特性参数。图5为Zs与管道特征阻抗Z0相除得到的无量纲声源阻抗，其中Z0=ρc，ρ为空气密度，c为声速。

3.2 声源特性参数提取结果试验验证

因边界元方法网格较少、易于操作且计算精度较高，因此采用边界元方法进行进气噪声仿真计算。图6为原始空气滤清器总成网格模型，该模型共划分9 655个单元，其中四边形单元9 251个，三角形单元404个，总节点数为9 455个。利用Virtual.Lab的Acoustic模块进行进气口噪声计算，在入口端定义所求得的PL和ZL作边界条件，出口端定义全吸声的边界条件，可仿真计算出发动机在3挡全油门急加速工况下进气口处噪声值。

整车进气噪声试验在室内低噪声道路模拟转鼓上进行，利用德国GRAS公司生产的ICP压电式麦克风采集噪声信号，数据采集设备为LMS公司SCA⁃DASⅢSC316W信号放大和智能采集系统。为减少发动机其它噪声的影响，采用铅板和毛毡片屏蔽其它噪声源，并将排气管外接消声包，试验布置如图7所示。

进气口噪声各阶次仿真结果与试验结果对比如图8所示。由图8可看出，各阶次进气噪声的仿真结果与试验结果较吻合，说明所提取的声源特性参数是准确的，符合该发动机进气系统各阶次实际声学特性。

4 进气系统声学优化

4.1 进气噪声消声频率的选择

进行进气系统声学优化时，首先要确定优化频率。图9为3挡发动机节气门全开急加速工况下进气噪声SPL（Sound Pressure Level）曲线，由图9可看出，进气噪声总声压级在整个加速过程中均超过目标值，阶次噪声值在一些转速下超过阶次噪声目标值；图10为试验得出的进气噪声瀑布图，由图10可看出，噪声主要集中在中低频段（260～420 Hz）内，因此确定降噪频率范围为260～420 Hz，该降噪频带较宽。

4.2 消声元件的仿真优化设计

进气系统声学优化基本使用抗性消声器[9]，为此，本文利用Virtural.Lab软件的声学模块，针对该中型客车仿真设计了抗性消声器。抗性消声器包括扩张腔式消声器、赫姆霍兹消声器、1/2波长管、1/4波长管等。因该中型客车进气噪声降噪频频带较宽，应选择中间频率进行降噪，以使整个频率范围得到较好的降噪效果，而在该频率范围内赫姆霍兹消声器和1/4波长管可以起到良好的消声作用，因此，针对260～420 Hz的降噪频率范围提出了2种优化方案。方案1如图11a所示，选取350 Hz作为赫姆霍兹消声器设计计算的消声频率，考虑到发动机舱的安装空间，该消声器设计容积为0.29 L，连接管直径为25 mm，长度为20 mm；方案2如图11b所示，是在方案1的基础上加1/4波长管，选择380 Hz作为1/4波长管设计计算的消声频率，其连接管直径为25 mm,长度为220 mm。通过边界元仿真计算出各方案进气噪声总声压级，并与原方案（图9中进气噪声总声压级）进行对比，结果如图12所示。

由图12可看出，方案1中进气噪声总声压级在整个转速下普遍低于原始状态，但某些转速下超过目标噪声值；方案2中进气噪声总声压级在整个转速下低于原始进气噪声，并且小于进气噪声目标值。对比2种方案仿真结果可知，对于较宽的消声频带，采用2个消声元件的降噪效果明显好于单个消声元件,即方案2降噪效果明显优于方案1。

4.3 设计方案试验验证

为验证方案2的可行性，将根据方案2设计的消声器应用于该中型客车，通过整车进气噪声试验对该方案进行验证。由于发动机舱空间限制，将消声元件安装在进气管处，如图13所示。

采用优化方案后，该中型客车进气噪声声压级曲线如图14所示，优化前、后进气噪声瀑布图如图15所示。由图14和图15可看出，在降噪频率范围内噪声明显降低；进气噪声总声压级整体上降低了2.5～7.0 dB，达到了降噪目标，进气系统的声学特性得到明显提升。

Acoustic Optimization for Intake System of Commercial Bus

Han Yang,Zhou Hong,Jin Chang,Zhang Fang
（Clear Energy Automobile Engineering Center,Tongji University）

Air filter system sound field simulation and vehicle intake noise test analysis of a commercial bus are conducted,the source characteristic of intake noise is extracted for acoustic optimization.Firstly four-load method is used to extract the intake noise source characteristic,and an acoustic boundary element model is built for the intake system.Then the values of intake noise calculated are compared with the values measured from test to verify the extract acoustic source.Then vehicle intake noise test is made to analyze spectrum characteristic of intake noise and determine the damping frequency.Finally damping elements are designed with simulation and optimization plan is proposed for vehicle verification.Vehicle intake noise test results show that the optimized intake system is improved significantly in acoustic performance.

Commercial bus,Intake noise,Acoustical source characteristic,Acoustic optimization

商用客车 进气噪声 声源特性 声学优化

U467.1

A

1000-3703（2015）02-0016-04