發(fā)動機進氣系統(tǒng)噪聲是汽車的主要噪聲源之一，進氣系統(tǒng)不僅需要為發(fā)動機提供很好的空氣動力學(xué)性能，還需要有良好的消聲能力，本文就進氣系統(tǒng)NVH設(shè)計的關(guān)鍵點簡單介紹，希望對相關(guān)設(shè)計人員有所指導(dǎo)。
圖1 進氣系統(tǒng)示意圖
1進氣系統(tǒng)簡介
進氣系統(tǒng)的設(shè)計除了優(yōu)化進氣阻力外，還應(yīng)對進氣系統(tǒng)的NVH性能進行優(yōu)化，進氣管路要與發(fā)動機進行細致的匹配，防止后期進氣系統(tǒng)噪聲大或者進氣異響。如圖1所示，空濾器是進氣系統(tǒng)的重要部件，它有一個或幾個清潔空氣的過濾器部件組成，按照空氣濾清器不同作用形式可將其分為三種類型：慣性式空氣濾清器、過濾式空氣濾清器和油浴式空氣濾清器。
慣性式空氣濾清器：工作原理是利用空氣氣流運動產(chǎn)生的離心力而將雜質(zhì)拋出。在發(fā)動機吸氣過程中，空氣及固體顆粒一起進入空氣濾清器，夾雜著固體小顆粒的空氣按照空氣濾清器設(shè)計的軌道進行運動。由于顆粒的密度比空氣大，因此雜質(zhì)在隨空氣轉(zhuǎn)動時，受到不同離心力的顆粒會被分離出來，這樣可以得到干凈的空氣。
過濾式的空氣濾清器：主要通過金屬制的濾網(wǎng)和濾紙以達到凈化空氣的功能。當空氣及其雜質(zhì)一起通過濾紙時，由于濾紙上的微孔的存在，空氣可以順利通過濾紙，但是顆粒卻不能，并且顆粒被粘在濾芯上，這樣達到凈化空氣的作用。
油浴式空氣濾清器：油浴式空氣濾清器是利用急速旋轉(zhuǎn)的氣流將機油帶起，利用機油的粘性吸附住空氣中的雜質(zhì)，而機油所產(chǎn)生的油液顆粒則會被進口濾芯所吸收，這樣空氣中的雜質(zhì)就被有效的去除而達到了濾清的效果。
在通常情況下，空氣濾清器的容積越大越好。 空氣濾清器容積大的優(yōu)點有三個
（1）空氣濾清器容積大可以保證濾芯的過濾面積大，容納灰塵的容量也大；
（2）從聲學(xué)方面考慮，空氣濾清器容積大，傳遞損失可以調(diào)整的范圍就相應(yīng)變寬，傳遞損失也可能變大，這對于減少進氣噪聲來說是有利的；
（3）空氣濾清器容積大還可以減少進氣阻力。
但是從整車的布置來說，由于車倉的容積是一定的，空氣濾清器容積越小越有利于布置。所以在設(shè)計空氣濾清器時，其體積盡量達到各方面最優(yōu)。空氣量不足，直接導(dǎo)致發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放指標不理想。要保證發(fā)動機有足夠的進氣充量，就必須從整個進氣系統(tǒng)入手，力求找出一種最佳的布置方式，使得發(fā)動機工作在平穩(wěn)、經(jīng)濟和低排放的理想?yún)^(qū)間。對于汽油機轎車和柴油機輕卡空氣濾清器的容積不小于3倍的發(fā)動機排量，中型，重型卡車空氣濾清器的容積不小于5倍的發(fā)動機排量。
一些車型的消聲容積和發(fā)動機容積
2進氣噪聲激勵源
進氣噪聲對汽車車內(nèi)外噪聲都有較大的貢獻。發(fā)動機工作時，進氣閥的周期性開閉引起管道內(nèi)高速氣流在進氣管道各接口處產(chǎn)生氣流分離和漩渦，從而產(chǎn)生壓力波動，成為進氣系統(tǒng)的主要噪聲源。進氣系統(tǒng)的噪聲源主要包括周期性的壓力脈動噪聲、管道氣柱共振噪聲、渦流噪聲以及氣缸的亥姆霍茲共振噪聲。
（1）周期性壓力脈動噪聲：周期性壓力脈動噪聲是由進氣門的周期性開啟和閉合而產(chǎn)生的壓力起伏變化所形成的。當進氣門開啟時，在進氣管中產(chǎn)生一個壓力脈沖隨著活塞的移動，這個壓力波很快受到阻尼；當進氣門關(guān)閉時，同樣產(chǎn)生一個壓力脈沖，也是受到阻尼而迅速消失，在一個工作循環(huán)中，共有這樣兩個壓力脈沖。在發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中這樣兩個脈沖交替出現(xiàn)，這形成了周期性的噪聲。其主要頻率成分為：
（2）渦流噪聲：氣體是存在粘性的，當具有一定速度的氣流在經(jīng)過障礙物后與障礙物背后的氣體相互作用，這樣就會在下流的氣體中形成帶有渦流的氣流，由于渦流中心的壓力相對而言較低，當渦流脫落時，氣流中就會產(chǎn)生壓力的跳動，壓力波通過介質(zhì)像外傳播，這種由于渦流脫落產(chǎn)生的壓力脈動造成的噪聲稱為渦流噪聲。當氣流流經(jīng)不規(guī)則的障礙物時，渦流的形成，脫落以及排列都不是規(guī)則的，渦流噪聲的頻率成分往往是呈寬頻特性；當氣流流經(jīng)幾何形狀簡單的障礙物時，渦流的形成，脫落大都在某一相同的周期內(nèi)，有比較突出的峰值頻率成分，頻率可以用下式進行估算：
（3）氣柱共振噪聲：發(fā)動機進氣門關(guān)閉后，進氣管的末端可以看作為是封閉，而進氣口是打開的，這樣可以等效為“開口-封閉”的等截面管，這樣就形成了一個氣柱共振系統(tǒng)。當聲源的激振頻率與氣柱的某一階固有頻率很接近時氣柱便發(fā)生對應(yīng)于該頻率的共振，使管道強烈振動并輻射噪聲。進氣管氣柱的固有頻率可由下式計算：
圖3 進氣系統(tǒng)的NVH測試
圖4壓力損失試驗臺
（3）進氣系統(tǒng)的聲學(xué)性能指標
當前工程上評價進排氣消聲器性能，通常有以下幾個指標：插入損失（IL），消聲量（NR），傳遞損失（TL）。插入損失的定義是用一段和消聲器近似長度的管子，在有聲源的情況下分別測量消聲器聲學(xué)出口和直管的聲學(xué)出口的聲壓級，兩者的差值就是插入損失（IL）。這一方法除了與消聲器本身的消聲效果有關(guān)外，還與聲源本身的特性有關(guān)，因此適合在開發(fā)的后期進行比對實驗，找到需要消聲的頻率和幅值然后開發(fā)消聲器。此方法在開發(fā)前期無聲源的情況下是不適用的，因此本文主要介紹后兩種，即消聲量（NR），傳遞損失（TL）在工程中的應(yīng)用。
5 NR測量
系統(tǒng)中第1 點、第2 點的聲壓級分別為L P1 、L P2 ，那么消聲量為
傳遞損失，又名傳輸損耗、隔聲量。 被描述為入射和透射聲功率級的相差。 傳遞損失沒有包括聲源和管道終結(jié)端的聲學(xué)特性，它只與自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。 在評價單個消音元件的消音效果或者初步評估系統(tǒng)的消音性能時，通常用傳遞損失。 傳遞損失是評價消音元件消音效果最簡單的一種方法。
圖6 傳遞損失測量圖
圖6是傳遞損失的測量的示意圖。在測量時，在尾端裝上一個全消音裝置，這樣就聲音全部被吸收。在消音元件的入射端安裝兩個麥克風(fēng)來測量入射波的聲壓和速度，從而計算出入射聲功率。在消音元件的后端只安放一個麥克風(fēng)就可以測量到透射聲功率。傳遞損失計算原理如下：
圖7
（4）消聲性能的仿真預(yù)測方法
傳遞損失的計算：目前常用的方法有一維體積法（如GT-power），有限元法，邊界元法，耦合法。利用LMS vitrtual lab就可以實現(xiàn)對傳遞損失的計算。具體操作流程可以參看本公眾號文章《基于AML法的消聲器傳遞損失計算》
（4）消聲性能的仿真預(yù)測方法
傳遞損失的計算：目前常用的方法有一維體積法（如GT-power），有限元法，邊界元法，耦合法。利用LMS vitrtual lab就可以實現(xiàn)對傳遞損失的計算。具體操作流程可以參看本公眾號文章：基于AML法的消聲器傳遞損失計算
圖8 GT 分析模型
圖9 有限元分析模型
圖10有無濾芯NR的趨勢對比
在噪聲實驗中發(fā)現(xiàn)空氣濾清器中的濾芯對中高頻通常600Hz以上噪聲具有明顯的吸聲效果,即具有吸聲材料的特，考慮中高頻的噪聲分析時需要考慮濾芯的聲學(xué)特性,可以將濾芯定義為吸聲材料，多孔材料的吸聲性能,主要受材料的流阻、孔隙率、結(jié)構(gòu)因子、密度、聲音在材料中傳播速度等的影響。 進氣系統(tǒng)的消聲量建議至少＞20dB。
（5）進氣系統(tǒng)噪聲數(shù)字預(yù)測：
圖11 進氣噪聲的目標
在進氣系統(tǒng)開發(fā)對其出口處的噪聲要預(yù)先定義，如圖11。聲學(xué)中的單口聲源模型可以用于計算具有管路開口的機械在管口產(chǎn)生的空氣動力噪聲，這類機械例如氣泵，風(fēng)扇，內(nèi)燃機進排氣系統(tǒng)等。對于該類機械,當管口保持不變時，管口處的聲學(xué)負載可以看作是恒定的或者多個開口之間在聲學(xué)上是非禍合的，則這些開口的聲學(xué)特性可以采用單口聲源模型來進行研究。管子內(nèi)的聲波假定為平面波,并且具有時不變系統(tǒng)的特性。在屏蔽掉發(fā)動機其他噪聲源后,進氣系統(tǒng)的氣動噪聲可以視為單口聲源模型。單口聲源的聲學(xué)特性,在頻域內(nèi)可以用聲源的聲壓和聲阻抗來表述,如下式
圖12進氣系統(tǒng)聲線路圖
PS聲源聲壓,ZS為聲源阻抗,PL為聲源出口聲壓,ZS為聲源所連接負載的聲阻抗.四負載法對聲源特性的提取。
圖13四負載法聲源特性測量
為四根不同長度的管子作為聲源下游的聲負載,根據(jù)式,四個負載的聲學(xué)方程分別為 ：
四個方程按下面的方法依次相除可以得到三個比例因子：
Gplm為聲源與負載管子在x=0處的聲壓值，ZL為四個負載的聲阻抗值。然而直接測量Gplm通常存在一定的困難，對于發(fā)動機進氣系統(tǒng)，高速氣流會使聲壓測量產(chǎn)生很大誤差。因此通常測量距管口距離為r的參考點處的聲壓值，再通過負載的聲學(xué)特性推算出Gplm的值。對于簡單負載的聲學(xué)特性，可以由理論公式得到，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的負載，需要采用數(shù)值仿真的方法計算其聲學(xué)特性。比例因子可以由參考點測得的聲壓表示：
Gpm為參考點F的聲壓值，C、D為直管的四極子參數(shù)，Zr為直管管口向外部空間場的輻射阻抗，比例因子和負載阻抗為已知，聲源阻抗為待求值。求得聲源處的聲壓和阻抗后就可以對新設(shè)計的進氣管道進行噪聲仿真。
參考文獻：
【1】韓松濤.內(nèi)燃機的振動噪聲控制及現(xiàn)代設(shè)計方法學(xué)研究[D].天津大學(xué)，2002,146-147
【2】龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動: 理論與應(yīng)用 ［M］．北京: 北京理工大學(xué)出版社，2006．
