带穿孔管空气滤清器传递损失性能研究

韩坤 屈晓峰 宋艳冗

（北京汽车研究总院有限公司，北京 101300）

带穿孔管空气滤清器传递损失性能研究

韩坤 屈晓峰 宋艳冗

（北京汽车研究总院有限公司，北京 101300）

针对某越野车进气口噪声引起车内噪声大的问题，采用GT-POWER软件计算空气滤清器传递损失，结果显示其传递损失偏低，从而导致进气口噪声大。研究穿孔管消声器传递损失特性与穿孔率的关系，基于研究结果设计了带有穿孔管的空气滤清器以提高传递损失。经实车试验验证，传递损失增加后进气口噪声和车内噪声减小，即新空气滤清器有效。

主题词:进气噪声 空气滤清器 传递损失 穿孔管

1 前言

空气滤清器是发动机进气系统最重要的消声元件，对降低进气噪声以及整车噪声水平至关重要。国内研究学者对空气滤清器的理论和仿真计算研究较多，且仿真结果与试验结果一致性好[1～6]。评判空气滤清器消声性能的一个重要参数是传递损失。增加空气滤清器体积可以提高空气滤清器传递损失，但发动机舱空间有限，因此通过改变空气滤清器本身的结构来提高其消声能力尤为重要。本文针对某车在1 350 Hz进气口噪声较大的问题，对空气滤清器结构进行优化设计，在其出口位置添加穿孔管结构，以提高空气滤清器的传递损失。

2 空气滤清器进气噪声理论计算方法

2.1 扩张消声器理论

空气滤清器在不考虑滤芯时是一个扩张消声器，从结构（图1）角度定义扩张消声器的传递损失为[7]:

式中，m=S2/S1为扩张比；L为扩张腔的长度；λ为波长；TW为传递功率系数。

图1 扩张腔结构

当空气滤清器空间确定后，其传递损失也基本确定，若提高传递损失，则要改变空气滤清器内部空间。

2.2 基于GT-POWER传递损失计算原理与方法

从能量角度定义传递损失TL为：

式中，LW1和LW2为入口和出口的升功率级；W1和W2为入口和出口的升功率；p1和p2为入口和出口位置的声压。

GT-POWER软件计算传递损失是利用基于能量角度定义的公式，该软件基于一维非线性流体动力学模型，以时域方法为理论基础，采用有限体积法计算系统内气体的动力学问题。

3 某车型进气噪声问题分析

3.1 问题来源

某车加速试验时，测得车内噪声如图2所示。

图2 加速工况车内噪声总级曲线

由图2可知，在1 700 r/min时存在峰值，影响了曲线的线性度，表明在该转速时噪声过大。

加速时进气口噪声测试结果如图3所示。可知，在1 700 r/min时进气口噪声峰值与图2峰值一致，即进气口噪声趋势和车内一致，进气口噪声大导致车内噪声增加。

图3 加速工况进气口噪声总级曲线

图4为对应图3的频率图。在纵坐标1 700 r/min、横坐标1 335 Hz处存在噪声带，图3和图4在1 700 r/min时的峰值可以认为由1 330 Hz频率引起。

图4 加速工况进气口频率图

3.2 空气滤清器传递损失计算

基于以上原理和方法，在GT-POWER中进行空气滤清器传递损失计算，图5为空气滤清器传递损失计算结果。

文献[6]指出，在1 600 Hz以下，GT-Power软件预测消声性能有较高的有效性和精度，因此重点关注1 600 Hz以内的传递损失。该计算结果表明，在1 300 Hz处空气滤清器传递损失存在谷值，传递损失小而造成进气口噪声大，与进气口试验测量结果一致。因此，需要优化空气滤清器的传递损失。

图5 传递损失计算结果

4 空气滤清器结构优化方案

针对该车型进气噪声问题，在原空气滤清器的出口位置增加穿孔管结构，改进前后的空气滤清器模型如图6所示。

图6 空气滤清器结构示意

4.1 传递损失随穿孔率的变化

为了研究新空气滤清器的性能，首先考察穿孔管上小孔的直径和个数对穿孔管消声器传递损失的影响。

图7为一个直通的穿孔管消声器模型，在GT-POWER中建模，其由一个方腔和圆形的穿孔管组成，方腔的边长为90 mm，长度是130 mm，穿孔管的长度是140 mm，管直径是65 mm。在穿孔管上分别均布表1中所列个数和直径的孔，保持个数不变，增加孔径来增加穿孔率。

图7 穿孔管模型

由GT-POWER分别计算出对应的传递损失，结果如图8所示。

由图8可知，随着穿孔率的增加，传递损失曲线右移，达到相同传递损失值对应的频率变大。因此，可以通过改变穿孔率使穿孔管消声器作用于目标频段。在1 300 Hz频段内，孔径由3 mm变化到4 mm，传递损失所能达到的最大值逐渐增大，而孔径由4 mm增加到5 mm，传递损失所能达到的最大值逐渐降低。

表1 孔径和个数

图8 不同孔径传递损失对比

4.2 穿孔率不变传递损失对比

以孔径4 mm，个数120时的穿孔率为基准，保证穿孔率基本不变，改变孔径和个数，可得表2所示穿孔方案。

表2 穿孔率不变穿孔方案

由GT-POWER分别计算出对应的传递损失，结果如图9所示。

图9 相同穿孔率传递损失对比

由图9可知，在800 Hz以内，4条传递损失曲线基本重合，800～1 600 Hz时，曲线差异化明显，但峰值对应的频率基本相同，峰值随小孔直径的增加而变大，即穿孔率相同的穿孔管消声器作用频段不变。

5 新空气滤清器传递损失计算和试验验证

5.1 新空气滤清器传递损失计算

根据设计方案及对穿孔管消声器的研究，穿孔管设计为孔径4 mm，均布120个。GT-POWER对该空气滤清器难以离散化，为简化空气滤清器结构，将空气滤清器拆分为扩张腔和穿孔管两部分，如图10所示。在GT-POWER软件中，对扩张腔和穿孔管分别进行离散化，通过两者串联的方式计算出空气滤清器的传递损失，结果如图11所示。

图10 新空气滤清器简化示意

图11 新、旧空气滤清器传递损失对比

由计算结果可知，新空气滤清器的传递损失在600 Hz处及1 200 Hz以后都有明显提升，解决了原空气滤清器在1 300 Hz附近传递损失偏小的问题。

5.2 新空气滤清器实车试验

将新空气滤清器安装在原试验车辆上，测量原车辆加速时车内噪声和进气口噪声，图12为加速工况车内噪声的Overall曲线。

图12 加速工况车内噪声对比

由图12可知，在1 600 r/min以下新空气滤清器噪声曲线在上方，噪声增加；1 600～3 000 r/min转速范围内，新空气滤清器曲线在原空气滤清器曲线的下方，噪声减小，尤其在1 700 r/min处曲线峰值明显降低；3 000 r/min以后，空气滤清器的降噪效果对整车噪声影响不明显，因而曲线无大的差别。更换空气滤清器后曲线线性度提高，车内噪声降低了约1.5 dB（A）。

图13为加速工况进气口噪声的Overall曲线。

图13 加速工况进气口噪声对比

由图13可知，1 600 r/min以下，由于共振频率的降低导致新空气滤清器的曲线在原来的上方；进气口噪声在转速1 700 r/min时的峰值明显降低，在1 700～3 300 r/min，由于新空气滤清器传递损失增加，使得噪声减小；3 300 r/min以上，新空气滤清器噪声曲线在原空气滤清器噪声的上方，这主要是因为穿孔管结构使得气阻和气流再生噪声增加，气流再生噪声以中高频为主，辐射功率与气流速度的6次方成正比，因而随转速的提高，气流再生噪声增加，新空气滤清器噪声曲线在原空气滤清器噪声曲线上方，但相差不大。

图14为新空气滤清器进气口噪声的频率图。

图14 新空气滤清器加速工况进气口频率图

由图14可知，1 335 Hz处的噪声带消声，因此可以判断车内噪声和进气口噪声降低是由新空气滤清器在1 350 Hz处传递损失增加导致的，这与仿真计算结果对应，因而可以证明仿真计算是正确的。

6 结束语

a.仿真结果和试验结果的一致性表明，新空气滤清器增加了目标频率对应的传递损失，降低了进气口噪声和车内噪声，因此带有穿孔管的空气滤清器可以用来降低整车噪声水平；

b.空气滤清器消声性能限于发动机舱室空间的限制，但可以改进空气滤清器的内部结构，提升其性能，降低进气口噪声，降低对整车噪声的贡献。参考文献

1 Rusch P A,Dhingra A K.Numerical and Experimental Investigation of Acoustic and Flow Performance of Intake Systems.Journal of Vibration and Acoustics,2002,124:334～339.

2 朱廉洁，季振林.汽车空气滤清器声学性能数值计算及分析.噪声与振动控制，2007（2）:55～58.

3 朱廉洁，季振林.汽车发动机空气滤清器消声特性研究.汽车工程,2008,30（3）:260～263.

4 刘联鋆，郝志勇，刘迟.空气滤清器流动阻力与噪声特性的仿真和优化.汽车工程,2011,33（12）:1092～1097.

5 石来华,冯仁华.基于GT-POWER模型的发动机进气系统优化.客车计算与研究,2010,3:18～21.

6 刘晨,季振林,胡志龙.高温气流对穿孔管消声器声学性能的影响.汽车工程,2008,30（4）:330～334.

7 庞建,谌刚,何华.汽车噪声与振动—理论与应用.北京：北京理工大学出版社,2006.

8 Seybert A F,Ross D F.Experimental Determination of Acoustic Properties Using a Two-microphone Random-excitation Technique.Journal of the Acoustical Society of America，1977,61（5）:1362～1370.

（责任编辑 晨 曦）

修改稿收到日期为2016年3月22日。

Research on the Transmission Loss of Air Filter with Perforated Pipe

Han Kun,Qu Xiaofeng,Song Yanrong
（Beijing Automotive Technology Center,Beijing 101300）

Intake noise of an off-road vehicle causes high interior noise,to solve this problem,the transmission loss of air filter is calculated by GT-POWER,which shows that the transmission loss is low leading to high noise at the air intake.The relationship is studied between the transmission loss characteristics of perforated pipe and muffler and punching rate.A new air filter with perforated pipe is designed based on the research to increase transmission loss.The vehicle test showed that,after the transmission loss is increased,the noise at the air intake and the interior is reduced,verifying the effectiveness of the new air filter.

Intake noise,Air filter,Transmission loss,Perforated pipe

U464.134+4

A

1000-3703（2016）11-0016-04