基于车内动力感特征的进气声浪设计与试验研究

赵 明 李 恒

（上海大创汽车技术有限公司 上海 201804）

引言

随着某些驾驶群体（尤其是某些中青年驾驶群体）对车辆行驶时NVH 性能的特殊需求，动力感设计已成为当下乘用车领域开发的热点之一。提高整车驾驶的动力感，在特殊工况获得激进的听觉爆发力与冲击感，俨然成为当下某些年轻驾驶群体的热切需求。

对于车辆声浪增强技术的研究，目前主要关注排气系统的声学调校与声浪设计[1-3]。而对车内驾乘人员的主观动力感音效设计，目前主要通过3 种途径实现：电子模拟[4]、主动发声[5-6]、声音引导增强[7]。电子模拟，即将事先录制好的音频进行存储，在特定工况通过喇叭释放。主动发声，即根据车辆行驶工况，采用电子控制技术，通过程序合成配比不同的噪声成分，实现特定噪声成分增强的目的。上述2 种途径均依托于硬件特性，长时间运行，性能会下降甚至失效，且音效容易单薄失真。声音引导增强则完全采用机械式结构将发动机管路本身的脉动压力[7]以共振的方式进行放大、引导至驾驶室，因结构简单，成本较低，且性能稳定，可作为车内动力感声学定制的主要技术方案进行研究。

本文以国内某1.4T 4 缸涡轮增压紧凑型乘用车为研究对象，基于声音引导增强技术设计开发了进气声浪结构，完成整车搭载试验，对比安装进气声浪结构前后的车内噪声频谱特性，分析进气声浪结构对车内动力感的优化效果。

1 进气声浪结构

图1 所示为进气声浪结构模型，整个结构由上、下壳体以及中间的弹性膜片组成，内部分为左右2部分腔体，弹性膜片通过螺栓固定在上、下壳体结合的中间部位，因此构成了左上腔、左下腔、右上腔、右下腔4 个空腔。其中，弹性膜片的外圈由橡胶制成，中间则由塑料制成，整个弹性膜片可以绕着中间转轴实现一定角度的旋转摆动。图中箭头所指为入射声波成分，具有很强的脉动压力，激起左侧空腔内的膜片产生振动，而左侧膜片的振动带动右侧膜片振动，从而在右侧空腔内产生特定频段的振动声波成分，最终将该频段声波成分引至驾驶室内，形成车内强烈的动力感特征。

图1 进气声浪结构模型

因此，实现该结构特定声波成分放大的核心在于获得一个强烈的脉动压力源。发动机进气歧管分别给发动机各气缸供气，由于各缸的工作存在相位差，因此各歧管内的气流存在一定的相位差，即管内存在强烈的脉动压力成分。特别是涡轮增压型车辆，中冷器出口至进气歧管的管路内部均存在相当强烈的脉动压力，因此将中冷器出口至进气歧管的管路作为进气声浪结构入口的优选位置。

2 声波传递性能试验

将进气声浪结构安装于阻抗管设备[8]，采用声压级为120 dB 的宽频声源，声源频段为20～20 000 Hz，声源通过功率放大设备输出声波，传递至阻抗管管路，经过进气声浪结构，最终辐射至大气。试验时，将传声器测点布置于进气声浪结构出口截面中心，对比安装进气声浪结构前后的噪声频谱特性，最终获得声波传递性能曲线如图2 所示。

图2 进气声浪结构声波传递性能试验结果

该进气声浪结构，对于声波传递起主要作用的频段为150～400 Hz，尤其在200～350 Hz 频段，其声波传递效率最高，透射声波成分能量最高。因此可以预计，该进气声浪结构安装于整车后，在150～400 Hz频段，噪声成分能得到增强，而低频噪声成分主要表现为强烈的低沉感，可提高驾驶动力感。

3 整车声学性能验证

整车试验通过路试进行，试验道路为平坦的试车专用道，环境噪声小。将进气声浪结构安装于节气门体前端管路，即中冷器出口至节气门体的管路，采用3D 打印金属三通管进行连接固定。进气声浪结构的进口通过胶管连接至三通管，出口采用塑料管连接并引导至发动机机舱靠近前挡下方的导水槽位置。因此，节气门体前端管路内部的强烈脉动压力激起进气声浪结构内部的弹性膜片产生简谐振动，最终通过输出管路引至导水槽内。声波在导水槽空腔内形成强烈的混响，通过钣金件传递至驾驶室内，最终达到增强车内声波能量的目的。

试验过程中，于驾驶员右耳处布置一个传声器，用于采集评估车内声学特性。声学采样频率设为25 600 Hz，频率分辨率设为2 Hz，时域信号经快速傅里叶变换可获得相应的噪声频谱。试验分别在2挡、3 挡节气门全开（Wide Open Throttle，WOT）工况进行。

3.1 2 挡WOT 工况

图3 所示为2 挡WOT 工况驾驶员右耳测点的噪声频谱。

图3 2 挡WOT 工况驾驶员右耳测点噪声频谱

原状态无进气声浪结构，车内噪声成分整体较“纯净”，声波能量较低，主要为2 阶发火阶次以及其他高转速区域的高阶成分为主，因此车内整体较静谧，舒适性较好，但驾乘过程中缺乏动力感与力量感。安装进气声浪结构后，150～400 Hz 频段的声波能量明显增强，主要表现在4 阶次、6 阶次以及其它半阶次高阶噪声成分增强，尤其在200～300 Hz 频段，声波能量集中，且在整个加速过程均有明显的声波能量激励。因此，整车路试加速过程中，随着油门踏板的深度变化，车内动力感声波随之此起彼伏，在特殊工况充满激进的听觉爆发力。

3.2 3 挡WOT 工况

图4 所示为3 挡WOT 工况驾驶员右耳测点的噪声频谱结果。

图4 3 挡WOT 工况驾驶员右耳测点噪声频谱

与2 挡WOT 工况相类似，安装进气声浪结构后，150～400 Hz 频段声波能量明显增强且集中。尤其在200～300 Hz 频段，4 阶次噪声成分被彻底激发出来，为加速过程的主要声波能量。整车加速过程中，深踩油门踏板，车内动力感声波随之显现；而在低速、匀速行驶工况，车内仍然保持静谧的声学环境。由于声波能量来源于发动机的管路内部压力脉动，因此进气声浪的音效贴近内燃机辐射噪声的音效，真实且饱满。

综上可知，原状态车辆，车内声波能量较弱，尤其体现在4 阶以上的高阶次噪声成分均较弱，车内整体声学环境较安静。为满足动力感定制化需求，针对年轻人细分市场开发动力感特别款车型，安装进气声浪结构后，车内150～400 Hz 频段噪声成分显著增强，尤其体现在200～300Hz 频段，激发了中高转速的4 阶以上高阶次、半阶次噪声成分，整体车内动力感声学特征明显提高。深踩油门，车内驾驶动力感明显增强，饱满且真实，大大提高了车内驾乘的力量感，效果良好，满足开发预期目标。

4 结论

1）本文设计的进气声浪结构，在200～350 Hz 频段，声波传递效率最高，透射声波成分能量最高。

2）进气声浪结构有利于增强150～400 Hz 频段车内声波能量，主要表现在4 阶次、6 阶次以及其它半阶次高阶噪声成分增强，尤其在200～300 Hz 频段，声波能量集中，且在整个加速工况均有明显的声波能量激励。

3）进气声浪结构可以实现加速过程车内驾驶动力感声学激励，饱满且真实，而在低速、匀速行驶工况，车内仍然保持静谧的声学环境。

4）针对进气声浪结构设计过程的理论计算与数值模拟技术有待进一步研究，以探究更深层次的声波能量增强机理，分析其相关影响因素与定量关系。