汽车急加速进气噪声的试验测试与分析*

刘志恩，黄 涛，邵炯炀，郑卿卿，杜松泽，李秋悦，屈少举，刘 浩

（1.武汉理工大学，现代汽车零部件技术湖北省重点试验室，武汉 430070； 2.东风汽车公司技术中心，武汉 430070）

前言

为让乘客体验汽车加速过程中动力十足的感觉，车内噪声需要具有动力感声品质。进气噪声作为发动机噪声的主要来源之一，对汽车车内噪声水平和声品质有着重要的影响［1-3］，可以借助进气噪声能量增强车内噪声的动力感。因此，需要对进气噪声进行测试以评估所研究车型进气噪声水平，及其对车内噪声品质的关联性。

传统的进气噪声测试主要在发动机台架上进行，其测试方法一般有两种［4-5］：（1）通过声学管道将进气噪声引入半消声室中进行测量［6］；（2）使用铅板将发动机整体包裹，隔绝发动机本体辐射噪声后在发动机半消声室直接进行测量［7］。这两种测量方法主要用于单纯的降低进气噪声声压级的研究中，通过测试发动机进气噪声大小以确定进气噪声降低方案，可满足传统的汽车NVH设计要求。但这种测试方法，在汽车车内声品质研究中，有明显不足，无法反映进气噪声对车内声品质的影响，尤其是对于急加速变工况下进气噪声与车内噪声的关联性问题。因此必须在整车半消声室NVH底盘测功机上进行。

在整车半消声室进行进气噪声测试，需要屏蔽的噪声源比较多，排气噪声、轮胎噪声、发动机本体辐射噪声等都需要进行隔离。如何有效隔离这些噪声源，使其对进气噪声的影响最小，直接影响测试结果的准确性。国内尚没有见到在整车底盘测功机上测试进气噪声的报道，国外汽车公司虽然有类似成功案例，但他们是通过对发动机进行铅板包裹后，再安装到汽车上［8］，对线束导致的缝隙处理十分繁琐，整个试验周期非常长，工作量大，且降低了发动机本体辐射噪声向车内的传递，影响了车内噪声水平，对分析进气噪声对车内噪声品质的关联性有一定影响。

为满足企业希望通过对进气噪声的控制实现车内具有动力感的声品质的要求，本文中提出了一种在整车半消声室中进行汽车进气噪声的测试方法，通过一些措施屏蔽排气噪声、发动机本体辐射噪声和轮胎噪声，获得了相对纯净的进气噪声频谱和阶次分布，并确定了进气噪声与车内噪声时变非稳态噪声信号的关联性，其研究对汽车声品质设计具有重要意义。

1 进气噪声试验测试

1.1 试验测试台架

本试验在襄樊国家汽车检测中心NVH整车半消声室内进行，配备有汽车NVH底盘测功机。整车NVH半消声室背景噪声为25.6 dB，试验测试台架基本布置如图1所示。

研究车型为一款配备有1.6T增压直列4缸汽油机的轿车，前轮驱动。汽车前轮布置在转鼓台架上，后轮固定。汽车排气管尾部连接一个直径比较大的排气消声管道，将排气噪声穿过地面直接引出半消声室。当需要屏蔽进气噪声时，将进气噪声通过进气消声管道引出半消声室。

图1 基准方案噪声测试示意图

在进行基准方案测试时，汽车内部布置3个噪声测试点，传声器M1设置在发动机舱内，离进气系统进气口100 mm；传声器M2处于发动机舱内，离节气门100 mm；传声器M3布置在车内前排驾驶员位置处。传声器头部均安装风罩，以减小风噪的影响。具体布置位置见图2。

图2 基准方案噪声测试测点布置

发动机转速信号和传声测试数据通过数据线传输到LMS数采系统中，其主要测试设备见表1。

表1 进气噪声测试设备

进行进气管口噪声测试试验时，采用如图3所示方案来测试进气噪声。现场实际测试发现，发动机本体辐射噪声、排气噪声、轮胎噪声对进气噪声的测试结果影响比较大，因此，需要对这些噪声进行隔声处理。发动机本体辐射噪声采用铅板覆盖密封发动机舱的方式来实现；排气噪声采用图1所示方案，用大口径消声管道直接引出整车半消声室；轮胎噪声则需要设计专门的隔声罩来屏蔽。

图3 纯进气管口噪声测试示意图

由于汽车发动机舱内空间有限、结构复杂、数据线缆多，采用铅板直接完全覆盖发动机比较困难，而且数据线缆处孔洞的密封处理也具有较大的工作量。本文中采用的方法是将进气口通过临近的汽车大灯位置引出车外后，再用铅板对汽车头部整个发动机舱进行整体覆盖和密封。这种处理方式工作量小、缝隙处理简单，半天可完成。为了增加隔声效果，采用两层薄铅板中间夹吸音棉方式进行覆盖，经测算，隔声量大于55 dB，隔声效果好。密封方式见图4。

轮胎噪声的隔声罩是一个两面开口的长方体箱体结构，其壁面由钢板、厚铅板和吸音棉构成。试验时，两个隔声罩紧贴车辆左右两边，将车轮和转鼓都密封起来，隔声效果非常好，隔声量大于60 dB。

将发动机舱覆盖铅板和轮胎噪声的隔声罩的连接缝隙密封后，整个汽车头部基本被完全包裹起来，使得发动机本体辐射噪声、轮胎噪声和其它的车辆底部传动系统噪声基本被隔离，现场测试时，测试人员的主观感受非常明显，汽车头部只听见进气口处噪声。同时，该隔离方案不影响发动机噪声向车内的传递，对车内噪声影响不大。

进气管口噪声测试试验时，布置3个测点，位置2和3与基准试验方案相同为M2和M3点处，位置4离引出的进气管口距离100 mm，其测试示意图如图3所示M4处。

1.2 试验工况及方案

图4 纯进气管口噪声测试

汽车急加速过程中，受发动机转速和负荷变化的影响，进气噪声是一个瞬时变化的动态噪声，相比于稳态工况下其噪声更能有效反映汽车实际行驶过程中的进气噪声品质。本试验主要测试3挡全油门急加速过程的进气噪声，发动机转速从1 000-5 500 r／min变化，加速时间约为 10 s，NVH底盘测功机的静音转鼓模拟沥青路面的路谱。

为研究进气噪声对车内噪声的影响，设置了4组试验方案，分别获得进气噪声、纯进气管口噪声、发动机本体辐射噪声；通过多个测试状态对比分析，可获得整个进气系统对进气噪声的影响，以及进气管口噪声与车内声品质的关联性。各试验方案的特点如表2所示。

试验方案P1是基准测试，基于原车状态进行发动机舱内的进气噪声和车内噪声测试。方案P2是在方案P1的基础上，取掉了节气门前的进气消声元件和空滤器，以研究无进气消声元件情况下进气噪声对车内噪声的影响。P3在P2的基础上直接从节气门处连接进气消声引管，直接将进气噪声引出半消声室。

表2 进气噪声试验测试方案

P4则采用图4所示试验方法，在节气门处连接一小段PV管后在连接原进气消声系统和空滤器组件，使得进气口能够伸出车外一段距离，并将伸出车外的进气管与隔离发动机本体辐射噪声的铅板覆盖件之间的缝隙用吸音棉填实，以获得相对纯净的原车进气系统下的进气噪声。

为保证试验测试结果准确，每种试验方案测试3次，如果3次测得的数据曲线基本重合，即误差小于5%，则认为测试的结果有效，选择误差最小的曲线进行分析。如果存在误差较大的曲线，则需要再增加一组数据。试验测试时，监控发动机的冷却水温度和润滑油温度，保证每次方案测试开始时，发动机具有相同的工作状态。

2 数据分析

经过测试，获得了汽车急加速工况下4种方案的进气口噪声、发动机舱内噪声和车内噪声。图5给出了方案P1，P3和P4的测试结果。该图显示了噪声频率和声压级随发动机转速变化而变化的关系，其中几条具有明显线性变化的直线即为发动机的阶次噪声，其大小与发动机的点火阶次有关［9-10］。对于四缸发动机，其主要点火阶次是2，4，6和8阶，相对于半阶次噪声1.5，2.5，3.5等其声压级较大，是主要阶次噪声，且对进气噪声品质影响较大。因此，本文中主要考虑进气噪声中2，4，6，8主阶次噪声的变化。

2.1 进气噪声测试试验方案有效性分析

图5（a）显示了方案P1和P4在进气口位置测得的噪声瀑布图，与P1方案除了阶次噪声外还存在大量其他噪声不同的是，P4测得的进气口噪声相对比较纯净，在320 Hz以下频段，除了主阶次噪声和半阶次噪声外，其他频率噪声值都很低。至于在350-600 Hz频段出现的宽频带噪声，对比P1数据并结合图5（b）中P3数据分析认为，该部分噪声除了由于进气管道和空滤器中气柱共振产生的气流噪声外，还存在空滤器壳体表面振动引起进气系统中气流振动导致的进气口宽频噪声，其亦是进气噪声的一部分。通过对空滤器壳体进行有限元模态仿真计算，获得其1阶至6阶的固有频率分别为407.9，425.4，461.7，492.1，510.8和 556.9 Hz，即表明在350-600 Hz频率范围内出现的宽频带噪声是由空滤器壳体表面振动引起的。

图5 各方案噪声瀑布图

测试和分析数据说明本文中设计的进气噪声测试方案合理，基本屏蔽了发动机本体辐射噪声、排气噪声、轮胎噪声，获得了相对纯净的进气噪声。

2.2 进气噪声测试数据对比分析

根据设计的P1，P3和P4方案，假设P1方案测点M2获得的声压级为Lm2p1，反映的是原车状态下发动机舱内节气门位置处的噪声值，由进气口噪声传递到M2处的噪声Lm2i1，发动机本体噪声辐射到M2处的噪声Lm2e1，以及其他部件如轮胎噪声等传递到M2位置处的噪声Lm2o1构成，根据声级运算法则，有

同理可以获得P3方案M2测点的噪声构成，其反映的是无进气消声元件和空滤器结构，通过进气消声管道直接引走进气口噪声后节气门位置处的噪声 Lm2p3，则有

由于进气噪声被进气消声管道直接引出半消声室，其传递到M2位置处的噪声Lm2i3几乎为0，因此，假设Lm2i3≈0；忽略进气管长度变化对发动机本体噪声Lm2e3和其他部件噪声Lm2o3的影响，则有

一般来说，发动机进气管长度变化会影响进气效率，导致发动机功率和转矩变化，从而影响辐射噪声。在本试验中考虑了这一点，所采用的进气消声管道较长，但其直径较大，使得进气压力损失与原进气管道相差不大，因此对发动机功率和转矩影响不大。但进气管长度变化会影响进气波动效应，从而在个别转速下影响发动机的功率和转矩。因此，对于大部分转速下，忽略进气管长度变化对发动机本体噪声Lm2e3和其他部件噪声Lm2o3的影响的假设是合理的。

方案P4通过屏蔽发动机本体辐射噪声、轮胎噪声和排气噪声等获得相对纯净进气口噪声Lm4p4。假设 Lm4p4=Lm2i1，根据式（1）～式（3），则应有

根据测试结果，提取了在 1 500，2 000，3 000，4 000和5 000 r／min下方案P3节气门M2处的声压级Lm2p3，方案P4进气口M4的噪声Lm4p4，方案P1节气门M2处的噪声Lm2p1，并计算了Lm4p4＋Lm2p3声压级的和，见表3，发现式（4）基本成立，误差皆小于5%。在发动机转速为3 000 r／min时，最小误差为0.4%，即认为方案P1节气门处的噪声为方案P3发动机本体辐射噪声和方案P4纯进气口噪声的叠加。

表3 各测点的声压级 dB（A）

图6显示了P1，P3，P4方案在相应测点的噪声值，图6中“×”点表示声压级Lm2p3＋Lm4p4的值。通过进气噪声测试数据的对比分析，进一步证明测试获得的进气口噪声比较纯净，试验方法合理。

图6 方案P1，P3，P4对应噪声声压级图

2.3 进气系统对进气噪声的影响分析

图7 各方案噪声声压级对比图

由图7（a）可知，由于方案P2拆除了进气系统中消声元件和空滤器，进气噪声没有经过衰减，以及发动机增加振动成分通过结构传递路径进入车内，其在发动机舱内的进气噪声总声压级比基准方案P1整个转速范围内平均高出9.6 dB。由图7（b）可知，进气噪声在1 500-4 000 r／min转速范围对车内噪声贡献量较大，方案P2车内噪声声压级在转速范围内显著高于方案P1，平均高出9.3 dB，尤其是在3 500 r／min时，最高值达到14.2 dB。在研究车辆加速工况下车内动力感声品质时，重点关注转速1 500-4 000 r／min范围内的车内噪声特性［11］，而此转速范围内，正好是进气噪声对车内噪声的影响最大的区域，因此，认为进气噪声是实现车内动力感声品质的重要贡献量。

方案P3在方案P2基础上，将进气口噪声引出半消声室，即认为发动机舱内几乎没有进气口噪声。由图7（a）可知，方案P3节气门处的总声压级相比于方案 P2，在 1 500 r／min转速以上时平均降低19.2 dB，该结果一方面说明进气噪声对发动机舱内噪声的贡献量同样较大，另一方面指出了该研究车型中进气系统的理论最大消声量只能到19.2 dB。对比分析方案P1与P3可知，方案P3相比于方案P1在整个转速范围进气噪声平均降低8.9 dB，即整个进气系统的实际消声量为10.3 dB，离理论最大消声量还有一定优化空间。

由如上数据分析可知，进气噪声将会是车内动力感声品质的重要贡献量，其对车内噪声的影响可以达到14.2 dB，因此不需要额外增加进气发声装置，只需要合理的设计进气消声器，减小影响动力感声品质的相关阶次和频率上噪声的消声量，即可使车内获得所需的动力感声品质。

2.4 进气口噪声与车内声品质的关联性

在车内声品质评价研究中，常用声品质的客观心理声学参量建立评价模型，预测人们对声品质的主观偏好性，即通过客观参量来表示车内声品质的优劣［12］。针对车内动力感声品质的客观参量目前还在研究中，本文中选定4个具有典型代表性的声品质客观参量，即声音粗糙度、尖锐度、响度、语音清晰度［13］，探讨进气口噪声与车内前排声品质的关联性。试验方案P4获得相对纯净的进气口噪声，可认为是原车状态下的纯净的进气口噪声，方案P1获得原车状态下的车内前排声音，对两个声音样本的声品质客观参量进行关联性分析。

利用LMS软件分别计算方案P4进气口噪声和方案P1车内的声品质客观参量，计算结果如图8所示。

从图8（a）可知，整体而言，在整个急加速过程中，车内噪声与进气口噪声的声品质心理学客观参量，随转速的变化趋势均具有高度的一致性，呈正相关的规律。

图8 方案P1和P4车内声品质客观参量对比

试验方案P3完全引走了进气口噪声，车内噪声主要反映了发动机本体辐射噪声的影响；方案P2无进气系统，车内噪声体现了进气口噪声和发动机本体辐射噪声的影响。图9对比了方案P3与P2的车内前排噪声品质的客观参量，该参量值的差异性反映了进气口噪声对车内声品质的影响。

图9 方案P2与P3车内声品质客观参量对比

由图 9（a）可知，进气口噪声主要影响了3 600 r／min转速以上车内噪声的粗糙度值，3 600 r／min以下时对车内噪声粗糙度值影响较小，发动机本体辐射噪声对其的影响占主导。

由图9（b）可知，在全转速范围P2方案的车内尖锐度值比P3方案低，说明进气口噪声对车内尖锐度有明显抑制作用。

由图9（c）可知，由于进气口噪声声压级较大，在急加速过程中2 000-4 000 r／min转速范围内，P2方案车内响度值明显比P3方案大许多。说明进气口噪声将会是车内动力感声品质的主要贡献源。

由图9（d）可知，P3和P2方案的车内语音清晰度曲线基本接近，说明进气口噪声对车内语音清晰度的影响不大。

由以上分析可知，进气口噪声对车内声品质设计具有重要的影响，其不仅对车内声品质的重要客观参量语音清晰度基本没有影响，而且还能显著降低令人烦恼的尖锐声，对于动力感声品质中的另一个重要客观参量响度在急加速过程2 000-4 000 r／min有着正向作用，对粗糙度的作用也主要体现在3 600 r／min以后，这表明进气噪声将会是实现车内动力感声品质一个比较优秀的噪声源。通过合理设计进气消声器，有效控制对进气噪声的阶次分布和频率成分的消声量，将能实现车内动力感声品质。

3 结论

本文中对汽车急加速过程中的进气噪声进行试验测试研究，获得了相对纯净的进气噪声特征，并分析了进气噪声对车内动力感声品质的关联性，其研究结论如下。

（1）提出了一种在整车半消声室进气噪声测试方法，通过一些措施屏蔽排气噪声、发动机本体辐射噪声和轮胎噪声，获得了相对纯净的进气噪声，对试验数据的理论分析验证了试验测试方案的合理性。且该试验方法保证了发动机不同转速下的进气噪声与汽车变速度工况下车内噪声变化的一致性，可用于进气口噪声与车内声品质的关联性研究。

（2）通过试验数据分析可知，进气噪声是车内动力感声品质的重要贡献量，其对所研究车型车内噪声的最大影响可以达到14.2 dB，因此，不需要额外增加进气发声装置，只需要合理设计进气消声器，减小影响动力感声品质的相关阶次和频率上噪声的消声量，即可获得车内所需的动力感声品质。

（3）通过对4个典型的声品质客观参量的对比分析发现，进气噪声是车内动力感声品质实现中比较优秀的噪声源，不仅对车内语音清晰度没有影响，还能显著降低令人烦恼的尖锐声，且对车内动力感声品质的重要客观参量响度有正向作用，这些进一步表明，通过合理设计进气系统，将能获得车内动力感声品质。