發布日期：2022-04-27 點擊率：65
發動機進氣系統噪聲是汽車的主要噪聲源之一，進氣系統不僅需要為發動機提供很好的空氣動力學性能，還需要有良好的消聲能力，本文就進氣系統NVH設計的關鍵點簡單介紹，希望對相關設計人員有所指導。
圖1 進氣系統示意圖
1進氣系統簡介
進氣系統的設計除了優化進氣阻力外，還應對進氣系統的NVH性能進行優化，進氣管路要與發動機進行細致的匹配，防止后期進氣系統噪聲大或者進氣異響。如圖1所示，空濾器是進氣系統的重要部件，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生的離心力而將雜質拋出。在發動機吸氣過程中，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計的軌道進行運動。由于顆粒的密度比空氣大，因此雜質在隨空氣轉動時，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和濾紙以達到凈化空氣的功能。當空氣及其雜質一起通過濾紙時，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的氣流將機油帶起，利用機油的粘性吸附住空氣中的雜質，而機油所產生的油液顆粒則會被進口濾芯所吸收，這樣空氣中的雜質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）從聲學方面考慮，空氣濾清器容積大，傳遞損失可以調整的范圍就相應變寬，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。所以在設計空氣濾清器時，其體積盡量達到各方面最優。空氣量不足，直接導致發動機的動力性、經濟性和排放指標不理想。要保證發動機有足夠的進氣充量，就必須從整個進氣系統入手，力求找出一種最佳的布置方式，使得發動機工作在平穩、經濟和低排放的理想區間。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倍的發動機排量。
一些車型的消聲容積和發動機容積
2進氣噪聲激勵源
進氣噪聲對汽車車內外噪聲都有較大的貢獻。發動機工作時，進氣閥的周期性開閉引起管道內高速氣流在進氣管道各接口處產生氣流分離和漩渦，從而產生壓力波動，成為進氣系統的主要噪聲源。進氣系統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；當進氣門關閉時，同樣產生一個壓力脈沖，也是受到阻尼而迅速消失，在一個工作循環中，共有這樣兩個壓力脈沖。在發動機運轉過程中這樣兩個脈沖交替出現，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，氣流中就會產生壓力的跳動，壓力波通過介質像外傳播，這種由于渦流脫落產生的壓力脈動造成的噪聲稱為渦流噪聲。當氣流流經不規則的障礙物時，渦流的形成，脫落以及排列都不是規則的，渦流噪聲的頻率成分往往是呈寬頻特性；當氣流流經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，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：發動機進氣門關閉后，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。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生對應于該頻率的共振，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 進氣系統的NVH測試
圖4壓力損失試驗臺
（3）進氣系統的聲學性能指標
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出口和直管的聲學出口的聲壓級，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外，還與聲源本身的特性有關，因此適合在開發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消聲器。此方法在開發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）在工程中的應用。
5 NR測量
系統中第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端的聲學特性，它只與自身的結構有關。 在評價單個消音元件的消音效果或者初步評估系統的消音性能時，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
在噪聲實驗中發現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、結構因子、密度、聲音在材料中傳播速度等的影響。 進氣系統的消聲量建議至少＞20dB。
（5）進氣系統噪聲數字預測：
圖11 進氣噪聲的目標
在進氣系統開發對其出口處的噪聲要預先定義，如圖11。聲學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生的空氣動力噪聲，這類機械例如氣泵，風扇，內燃機進排氣系統等。對于該類機械,當管口保持不變時，管口處的聲學負載可以看作是恒定的或者多個開口之間在聲學上是非禍合的，則這些開口的聲學特性可以采用單口聲源模型來進行研究。管子內的聲波假定為平面波,并且具有時不變系統的特性。在屏蔽掉發動機其他噪聲源后,進氣系統的氣動噪聲可以視為單口聲源模型。單口聲源的聲學特性,在頻域內可以用聲源的聲壓和聲阻抗來表述,如下式
圖12進氣系統聲線路圖
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,根據式,四個負載的聲學方程分別為 ：
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，對于發動機進氣系統，高速氣流會使聲壓測量產生很大誤差。因此通常測量距管口距離為r的參考點處的聲壓值，再通過負載的聲學特性推算出Gplm的值。對于簡單負載的聲學特性，可以由理論公式得到，復雜結構的負載，需要采用數值仿真的方法計算其聲學特性。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，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計的進氣管道進行噪聲仿真。
參考文獻：
【1】韓松濤.內燃機的振動噪聲控制及現代設計方法學研究[D].天津大學，2002,146-147
【2】龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動: 理論與應用 ［M］．北京: 北京理工大學出版社，2006．
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