基于Virtual Lab的汽车进气系统NVH性能优化

杨德银　吴孟兵　麻金贺　张利　何延刚

摘 要：文章针对某MPV汽车车内噪声大的问题，通过屏蔽法识别进气噪声为主要噪声源，为降低车内噪声提高汽车NVH性能，运用三维软件LMS Virtual Lab对进气系统进行仿真分析，找出问题原因，提出改进措施，通过结构改进有效地降低了进气噪声，改善了整车NVH性能。关键词：传递损失;赫尔姆兹消声器;内插管;Virtual Lab中图分类号：U464.136  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）01-105-04

Abstract： This paper aims at the problem of high interior noise of a MPV vehicle， the intake noise was identified as the main noise source by shielding method， then 3d software LMS Virtual Lab was used to simulate and analyze the intake system， cause of the problem were discovered， and then modification measures were proposed.Through structure optimization， the intake noise was reduced effectively， and thus the overall NVH performance of the vehicle was improved.Keywords： Transmission Loss; Helmholtz muffler; Internal intubation; Virtual LabCLC NO.： U464.136  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）01-105-04

引言

随着经济社会的高速发展，人民生活水平的不断提高，人们对汽车产品的要求也不只是代步工具那么简单，对于汽车的品质要求越来越高，对于汽车的振动噪声性能（NVH）性能提出了更高、更新的要求。汽车的NVH性能的优劣以及声品质是否满足消费者的需求，现已成为决定消费者是否购买某车型的重要因素。进气系统噪声是汽车的主要噪声源之一，对汽车的 NVH性能会产生重要影响，因此，进气系统噪声优化对改善汽车车内噪声品质、提高乘坐舒适性意义重大。本文针对某汽车进气口噪声大的问题，运用Virtual lab仿真分析软件对进气系统气噪声进行仿真分析，对进气系统提出改进意见，然后进行整车试验验证其可行性。

1 进气系统噪声产生机理[1]

发动机进气系统结构复杂，其噪声产生的机理及组成也较复杂，主要有四类：（1）周期性压力脉动噪声，即由进气门开闭引起的进气管道中空气压力、速度及密度的波动而产生的周期性压力脉动噪声;（2）涡流噪声，即高速气流流入气缸过程中遇到毛刺、尖角等障碍物形成涡流继而产生的涡流噪声;（3）汽缸的赫姆霍兹共振噪声，即气缸内产生赫姆霍兹共振所激发的辐射噪声;（4）进气管的气柱共振噪声，即当发动机进气阀门关闭后，进气管可以认为形成了气柱共振系统，被与其固有频率接近的周期性进气噪声激励后产生的声能量较大的辐射噪声。

2 问题提出

某2.0NA SMPV车在进行整车NVH测试时发现，3档WOT工况车内可明显听到进气噪声，严重影响了整车乘坐舒适性。

为验证进气噪声对车内噪声的影响，在进气口加装大消声器对进气噪声进行屏蔽，如图1所示，监测3档WOT工况进气噪声屏蔽前后车内噪声的变化。

图2为3档WOT工况进气噪声屏蔽前后车内驾驶员右耳的测试结果对比，图3为3档WOT工况进气噪声屏蔽前后车内后排的测试结果对比，测试数据显示屏蔽进气噪声后，车内前后排在2000rpm-3800rpm总噪声曲线明显下降，整体平均降低约4dB（A），阶次噪声分析发现，2000rpm-3300rpm常用转速区间二阶次噪声明显下降，整体平均降低约8dB（A），因此需要对进气系统2000rpm-3200rpm 2阶次噪声进行优化。

3 阶次噪声频率与发动机转速关系[2]如下

其中，f为频率，τ为冲程常数，4冲程选2，2冲程选1，i为发动机缸数，n为发动机转速。

经上式计算得出进气系统需衰减频率段为66Hz-110Hz。

4 模型建立、分析及優化

4.1 声学模型的建立及分析

前面的数据测试及分析结果表明，要改善车内噪声水平，即需要提升进气系统在60Hz-110Hz的降噪能力。消声元件和系统的消声性能通常有四个衡量指标：传递损失 TL、插入损失IL、声压级差和声压级。本文采用传递损失进行评价。

其中，TL为传递损失;Win、Wout分别为进、出气口声功率;pin、pout分别为进、出口处的声压;Sin、Sout分别为进、出气口的截面积。

近年来，随着计算机技术的发展，有限元法越来越多被用到进气系统声学分析中，其分析结果与实际声场符合性较好。Virtual lab Acoustics软件是专门用于声学仿真计算的CAE软件，具有强大的计算分析能力，能够计算各种各样的声学数据[3-5]。本文运用Virtual lab Acoustics软件进行进气系统传递损失分析，采用的是声学有限元法在频域内进行计算。声学有限元用于计算封闭腔体内的声场，要求把所计算的声场离散成实体网格。本文采用的是在Altair Hypermesh里根据原进气系统模型建立有限元体网格，然后将体网格输入到Virtual lab里进行分析计算。

原进气系统由进气导流管、空气滤清器及空滤器出气管组成，无其它声学消音元件;图4为该车型原进气系统的几何模型，图5为该进气系统的声学分析有限元模型，图6为Virtual lab软件分析得到的传递损失结果。

由分析结果可知，在110Hz以内进气系统传递损失较低，在10dB（A）以下，说明进气系统在该频率段消声能力很弱，从而造成车内噪声大，影响了乘坐舒适性。需要对进气系统进行改进，提升传递损失。

4.2 结构优化

针对该车型的进气系统噪声频率特性，要提升60Hz- 110Hz的消声量，可从以下四个方面考虑进行改进：

4.2.1 增加空滤器容积

原状态空气滤清器为典型单节扩张式消声器，图7为典型单节扩张式消声器的结构简图[6]：

图中S0为连接管截面积，S1为扩张室的截面积，L1为扩张室的长度。扩张室与连接管截面面积之比称为膨胀比m，一般来说膨胀比m越大，则扩张式消声器的最大消声量越大，消声效果越好。但该车型现阶段由于发动机舱布置已结束，整车其它部件已完成工装件开发，不能增大空滤器容积，因此该参数不能改进。

4.2.2 增加进气脏管长度

增加进气脏管长度对消减中低频噪声有效果[7]，但同样受制于发动机舱布置空间，无法将进气导流管长度增加。

4.2.3 增加内插管

可以通过将连接管插入到扩张室中来改变典型单节扩张式消声器的传递损失，并且插入管会大大地提高传递损失[8]。优化方案在空滤器下壳体进气口增加内插管结构，见图8。

4.2.4 增加谐振腔

原空气滤清器容积为8L，容积偏小，考虑原进气系统110Hz以下传递损失太低，而该车对应该频段需要的衰减的声能量较大，为进一步改善低频段的消声性能，通过增加一中心频率在70Hz的谐振腔进行辅助消声，图9为该车型最终优化后进气系统的几何模型。

4.3 优化分析

综上分析，最终通过增加内插管及谐振腔来改进进气系统的低频消声性能。图10为优化后进气系统的声学分析有限元模型，图11为Virtual lab软件分析得到的优化前、后的传递损失对比结果。改进后进气系统传递损失在250Hz以内均有明显提升，在66Hz-110Hz频率段传递损失平均增量在10dB（A），明显优于改进前。

5 试验验证

根据改进方案制作样件，再次进行试验验证，测试工况3档WOT，测点位置为车内前排驾驶员右耳位置、车内后排右侧座位，试验对比结果如图12、图13所示，从试验数据可以看出：

（1）前排驾驶员右耳位置，车内噪声总声压级在4000 rpm以内明显降低，最大达到5dB（A）;在1800rpm- 3100 rpm，2阶次噪声有大幅度下降，基本达到12dB（A）;主观感受车内噪声明显得到改善。

（2）后排右侧座位，车内噪声总声压级在1600rpm-3400 rpm以内均有降低，最大达到3.5dB（A）;在1700rpm-3100rpm，2阶次噪声有明显下降，最大达到20dB（A）。

综合以上，进气系统改进效果良好，车内噪声得到明显改善，解决了该车型出现的问题。

6 结论

进气系统噪声是汽车噪声的最主要的噪声源之一，对车内噪声贡献非常大。本文通过对某SMPV车加速过程中车内噪声大的问题进行分析，运用屏蔽法识别出噪声源来自于进气系统（进气系统对车内噪声的贡献量）。在进气系统优化设计过程中，利用Virtual lab仿真软件分析原状态传递损失，找出问题原因，为性能优化提供方向，通过增加内插管及谐振腔来提高进气系统传递损失，经试验验证优化方案有效地降低了进气口噪声，车内噪声明显改善。实践证明，应用 Virtual lab 软件可以对汽车发动机的进气系统噪声进行控制研究，能够方便地进行结构优化设计，节省大量的试验和样件制作工作，缩短产品优化周期，减少研发费用的投入。

参考文献

[1] 杨诚，邓兆祥，阮登芳，等.进气噪声产生机理分析及其降噪[J].汽车工程，2005，27（1）：68-71.

[2] 李锐，谢志清，林嘉.谐振腔的设计与应用[J].大众科技，2012（7）：147- 149.

[3] 李增剛，詹福良.Virtual.Lab Acoustics声学仿真计算高级应用实例[M].国防工业出版社，2014：49-72.

[4] 程红，马文明.进气系统声学性能分析及工程运用[J].中国汽车工程学会年会论文，2013：1233-1235.

[5] 许自顺，张强，咸凯，等.基于LMS virtual lab的抗性消声器声学性能研究及优化[J].内燃机与动力装置，2016，33（1）：72-77.

[6] 马大猷.噪声与振动控制工程手册[M].北京：机械工业出版社， 2002，489-490.

[7] 赵伟丰，赵骞.进气系统设计参数对进气噪声及车内车外噪声影响研究[J].内燃机，2011（2）：50-56.

[8] 庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动[M].北京：北京理工大学出版社， 2006：224-226.