某微型商用车进气系统噪声优化

李 锐，刘淑玉，张玉巧

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州545007）

0　前言

进气系统是汽车发动机空气管理系统的重要组成部分，进气系统设计的好坏直接影响发动机的动力性及经济性。完整的进气系统由发动机进气歧管系统和空气过滤系统两部分组成，两者在功能上相辅相成且联系紧密，但是在整车模块设计划分上却又相互独立的，所以基于整车集成的角度而言，通常将空气过滤系统称为进气系统，本文中提到的进气系统指的是节流阀体之前部分，主要包括进气管、空气滤清器、干净空气管及1/4波长管、谐振腔等消音元件。常用进气系统结构如图1所示。

图1　常用进气系统

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[1]。进气系统中常用的消声元件有扩张消声器、赫姆霍兹谐振腔、1/4波长管等。本文结合进气消声元件消声作用和消声原理，针对某款商用车存在的进气系统噪声问题提出合理的进气系统结构改进方案，并通过整车噪声测试验证了方案成效。

1　进气声源

进气门周期性开/闭引起进气管道内空气压力波动，进而产生进气噪声。进气噪声主要成分为进气脉动噪声、涡流噪声、空气柱共振噪声[2]。

进气脉冲噪声是由于进气门开启时，空气密度与压力呈周期性变化所产生的周期性的噪声。它是进气噪声的主要构成部分，主要频率集中在200 Hz以下的低频范围，见图2.

图2　脉冲噪声

涡流噪声是由于高速气流流经障碍物时，气流受阻在下游区域产生涡流，压力脉动大，从而辐射出噪声，涡流噪声主要是中高频噪声。

空气柱共振噪声是由于进气阀门关闭，进气管道形成一端开口的腔体结构，当振动频率与反射频率相同，相位相同时，从而产生的共振噪声。

2　常用消声元件

扩张消声器由一个扩张腔和两端连接管组成，空气滤清器就是典型的扩张型消声器。主要是利用界面突变引起声波反射来消声的；也可在腔体内增加插入管，使入射声波和界面反射的声波相位相反从而达到消声目的，消声性能取决于扩张腔的扩张比和长度。如图3所示。

图3　扩张消声器

赫姆霍兹谐振腔是在主管道上增加一个一定容积的共振腔，如图4所示。主要是通过共振腔与主管道交界处声阻抗发生变化，声波通过时，经过谐振腔空气振动抵消部分声能量。影响谐振腔消声带宽的主要参数是谐振器的容积，频率越低需要的消声容积越大。

图4　赫姆霍兹谐振腔

1/4波长管是在主管道上增加一个一定长度的管道，如图5所示。主要是通过声波反射回到主管，抵消由于相位相反频率相同的噪声。1/4波长管的消声量取决于与主管道连接的截面积，为了使波长管有足够的消声带宽，波长管直径必须大于主管道直径的1/2.

图5　1/4波长管

3　某微型车噪声优化实例

本案例微车发动机为中置发动机，放置在驾驶员座椅下方，根据总布置要求，进气系统放置在副驶员座椅正下方，进气口布置在大梁外侧。该进气系统由三部分组成：脏侧进气管、空气滤清器总成、干净空气管，初步设计的方案见图6.设计初期进气系统不附带消声元件，主要通过空滤容积消声。

图6　进气系统

首先完成方案样件制作后，整车进入消声室，对发动机进行包裹见图7，在进气口100 mm，偏置45°的位置放置一个麦克风，对进气系统进气口噪声进行测量，得到进气口声压水平如图8所示。

图7　进气口噪声测量

图8　初始状态进气口噪声

根据测量结果显示，进气口总体噪声在1 750 r/min到4 000 r/min时超过目标曲线，阶次噪声在2300 r/min时2阶噪声和3 750 r/min时6阶噪声超过目标值，对应的频率分别为76.7 Hz和375 Hz，针对测试结果，需要对贡献较大频率的噪声进行消除。

在空滤内部增加插入管能降低进气口总体噪声，且一定的长度能够消除对应频率噪声，成本低同时不会额外增加进气系统的容积。针对总体和375 Hz的噪声采用插入管作为消声元件，插入管长度与消声频率关系式：

式中：c为空气声速；L为插入管长度；f为消声频率。

为了消除375 Hz这一频率的噪声，依据式（1）需要在空滤内部增加227 mm插入管。根据目前空滤结构，在空滤下壳体入口内部增加插入管，通过卡扣的方式固定在壳体底部，设计结构见图9.

图9　下壳体增加内插管

增加赫姆霍兹谐振腔对中低频具有很明显的消声效果，且相对于1/4波长管有较宽的消声频带，针对该进气系统的低频噪声，采用赫姆霍兹谐振腔作为消声元件。见图10.

图10　谐振腔示意图

赫姆霍兹谐振腔的共振频率关系式为

式中：S0为孔颈截面积，V 为密闭空腔容积，为孔颈有效长度，＝l0+△l，这里l0为小孔颈长；△l为修正项，对于直径为d的圆孔，△l=0.8d.

为了消除76.7 Hz这一噪声频率，依据式（2）设计在进气系统上增加一个容积1.5 L，孔颈直径为18 mm，孔颈长度为78 mm的赫姆霍兹谐振腔。根据空气滤清器的结构，将赫姆霍兹谐振腔集成在空滤上盖出口端上，谐振腔通过焊接形成密闭的腔体，内部增一段内插管将空滤出口和干净管连接起来，整体机构紧凑，不需单独为谐振腔增加安装点，其设计结构见图11.

图11　空滤出气管增加谐振腔

完成增加消声元件的进气系统样件制作，再次在消声室对新方案进气系统进行进气口噪声测试，测量方法与初步方案的保持一致，并根据测试结构，对消声元件结构进行微调，最终测试结果见图12.

图12　更改后进气口噪声

在进气口增加内插管，进气口总体噪声在发动机整个转速范围都有8 dB左右的降低，并且很好的消除了3 750 r/min时6阶的噪声。

在空滤出气管上增加76.7 Hz的赫姆霍兹谐振腔，消除了进气口低速2阶的峰值。

比较现在的进气口噪声与目标噪声，可以看到总体噪声及阶次噪声已满足目标线的要求。经过消声结构改进，并根据周围的物理边界将消声结构进行了集成设计，最终的方案如图13.

图13　最终进气系统

4　结论

本文以消声元件消声作用和消声原理为基础，探索进气系统噪声控制的方法，通过一款微型商用车进气系统调音的案例，根据消声室中进气口噪声测量结果，结合进气消声元件消声作用和消声原理，提出合理的进气系统结构改进方案，为进气系统设计指明方向。并对进气系统噪声控制方法进行展望，希望本文能对大家以后工作能起到借鉴的作用。

参考文献：

[1]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，2007：2-4.

[2]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，2006：182.