大型客车怠速进气噪声控制研究

陈仕捷， 张攀登， 卓建明， 陈海建

(1.厦门金龙联合汽车工业有限公司， 福建 厦门 361023； 2.同济大学 机械与能源工程学院， 上海 200092)

目前公路客车多采用侧置进气的布置，进气口高度与人耳位置相当，车辆怠速时附近人员容易听到一种类似打鼓的“咚咚”声，噪声特性表现极差。本文对发动机进气口噪声进行测试，分析打鼓声频率及来源，在原进气系统基础上增加设计扩张型消声器，在不影响发动机进气的情况下，将原系统消声效果提高20 dB以上，大幅降低进气口噪声，解决打鼓声问题。

1 原进气系统噪声分析

1.1 原进气系统噪声分析诊断

在某客车进气口附近布置传声器，通过频谱分析发现，在120～280 Hz间存在较高的宽频段峰值，在280～480 Hz间存在中等的宽频段峰值，如图1所示。通过LMS.Test.Lab 14A中的Audio Replay模块滤波回放，确定是这两个宽频段的噪声形成了“咚咚”的打鼓声。

拆除空压机软管后在空压机进气口布置传声器，能同样检测到以上两个宽频段噪声，而整车进气口位置的噪声消失，因此可以判断打鼓声来源于空压机。公路客车一般都采用气压制动系统，空压机作为其供能装置与发动机共用进气系统，理论上可以认为是由于空压机活塞上下运动和发动机进气门周期性地开闭，在空压机进气管和发动机进气管内造成压力脉动从而辐射噪声[1]。

1.2 原进气系统消声仿真分析

通过Comsol Multiphysics软件建立某客车进气系统有限元模型，按照网格尺寸低于最小声波波长1/6的原则[2]，对模型进行网格划分，网格由37 279个域单元、8 178个边界单元和1 043个边单元组成，进气入口为声学出口，气流出口为声学入口[3]，如图2所示。其中，空滤器的滤芯为多孔材料，在低频段对声波影响很小[4]，当频率较低时，带有滤纸和不带滤纸的空气滤清器具有相同的消声性能[5]，划分网格时忽略滤芯的影响。

图2 某客车进气系统有限元模型

传递损失反映了消声器自身的固有属性，不受声源和出口阻抗的影响，是消声器研究中最常用的性能指标[6]。传递损失计算公式如下：

式中:Win、Wout分别为消声器输入和输出声功率，W；pin、pout为消声器输入和输出声压，Pa；Sin、Sout为消声器入口和出口截面积，m2[7]。因为打鼓声主要存在于100～500 Hz之间，选取20～1 000 Hz为分析区间，2 Hz 为计算步长，通过计算可以获得进气系统传递损失曲线，如图3所示，该进气系统仅280～380 Hz之间传递损失大于40 dB，其余频率段内传递损失均一般。

图3 某客车原进气系统传递损失曲线

2 进气系统改进及效果

2.1 进气系统改进设计

在进气系统中，一般只使用抗性消声器[8]。一是因为抗性消声器对中低频噪声效果明显；二是因为阻性消声器中使用的棉、毡类材料老化后会对进气不利。在进气系统中，空气滤清器属于扩张型消声器，平均有20 dB以上的消声量，如果继续对空滤器消声进行优化，声学改善空间不大，同时还可能影响滤芯的更换和滤清效果[9]。由于打鼓声来自于空压机，为100～500 Hz间的两个宽频段的中低频噪声，因此在空压机支管口设计安装一个扩张型消声器是最理想的方案。另外，扩张型消声器安装于空压机支路，对发动机进气路线的影响可以忽略不计。

扩张型消声器是利用截面的突变引起声阻抗发生变化，入射波到达扩张室后，一部分能量被反射回进气管，入射波与反射波互相抵消一部分从而消声。单腔扩张型消声器消声量[10-11]为：

式中：m为扩张比，l为扩张腔长度。当sin22kl=1时，消声量R达到最大值。消声量最大值对应的中心频率fc为：

fc=(2n-1)c/4l

式中：n=1，2，3，…；c为声速，取340 m/s。

由于进气噪声为120～480 Hz频段的噪声，消声器的消声范围需覆盖这个区域，所以选取的中心峰值频率需大于300 Hz。原空压机进气管直径为21 mm，综合考虑消声器性能与装配空间，最终确定扩张腔长度为250 mm，直径为133 mm，此时扩张比m=1332/212=40.11，对应中心峰值频率fc=340/(4×0.25)=340 Hz。将各参数代入公式计算，可以算出在中心频率340 Hz位置的消声量R=10lg[1+1/4×(40.11-1/40.11)2×1]=26.05 dB。

设计完成后建模并进行网格划分，改进后的有限元网格模型如图4所示。通过软件仿真得到传递损失曲线，如图5所示。对比改进前和改进后的传递损失曲线，可以发现120～480 Hz间各频率对应的传递损失分别提高了约20 dB，效果显著。340 Hz位置传递损失改进前为85.95 dB，改进后为111.55 dB，提高了25.60 dB，与计算得到的R值相吻合。

图4 某客车进气系统改进后有限元模型

图5 某客车进气系统改进前后传递损失曲线

2.2 改进效果及实验验证

增加空压机扩张型消声器后，在原车上进行进气口噪声测试，通过频谱分析发现120～280 Hz、280～480 Hz两个宽频段之间的高峰已基本消除干净，120～480 Hz间各频率的噪声幅值分别降低了约20 dB，进气口整体噪声从88.5 dB(A)降低到77.1 dB(A)，降低了11.4 dB(A)，与仿真结果相吻合，从主观感受上打鼓声也明显消失。改进前后进气日噪声频谱如图6所示。

图6 某客车进气系统改进前后进气口噪声频谱

空压机上安装扩张型消声器后，工作情况测试结果如表1所示。可以看到，安装消声器以后，空压机满足空压机厂提供的正常工作的限值。

表1 安装消声器后空压机工作情况测试结果

3 结束语

本文通过设计一款扩张型消声器，对空压机进行消声处理，能有效提高系统传递损失，并在不影响发动机进气的情况下降低进气口噪声，消除进气系统中不舒服的打鼓噪声问题。

[1] 王亮，罗虹，褚志刚，等.货车怠速空压机进气噪声控制研究[J]. 噪声与振动控制，2009,29(6)：147-150.

[2] 崔淑梅，于天达，宋立伟.基于ANSYS和SYSNOIS的电机噪声仿真分析方法[J].电机与控制学报，2011，15(9)：63-67.

[3] 李恒，郑旭，刘联鋆，等.空滤器声学特性及进气口噪声声品质试验[J].噪声与振动控制，2016,36(5)：75-81.

[4] 郭艳茹.某车排气系统的性能分析及改进研究[D].合肥:合肥工业大学,2012.

[5] 朱廉洁,季振林.汽车空气滤清器声学性能数值计算及分析[J].噪声与振动控制，2017,27(2)：55-58.

[6] 谭延峥，李舜酩，程春，等.一种进气消声器设计及其在拖拉机中的应用[J].噪声与振动控制，2017,37(3)：189-192.

[7] 边颖娜，李志远，卢文婷.空压机消声器声学及阻力特性数值仿真[J].四川兵工学报，2014,35(5)：146-148.

[8] 庞剑,湛刚,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，2006：204.

[9] 张袁元，李舜酩，刘建娅，等.基于 CAE 的柴油机进气系统声学优化[J].机械科学与技术，2012,31(4)：656-663.

[10] 孙影，雷蕾，昂金凤，等.某发动机进气系统噪声优化分析[J].汽车零部件，2016，11(8)：33-36.

[11] 何渝生.汽车噪声控制[M].北京：机械工业出版社，1995：57-58.