汽车进气系统噪声的消声设计与优化

刘　顺

（安徽机电职业技术学院 数控工程系，安徽 芜湖 241002）

汽车产生的噪声主要来源于汽车发动机，按噪声产生的机理划分，发动机噪声可分为结构振动噪声和空气动力噪声。进气噪声就是进气过程中发动机发生的空气动力噪声，因此优化整车消声设计和降低进气系统噪声是降低汽车噪声的重要手段［1-3］。在某型汽车的研发过程中，笔者在3档节气门全开工况（3^WOT）条件下的测试中，发现司机左耳（DLE,driver left ear）位置的噪声在发动机转速等于3 150 r/min时产生，其中6阶激励产生的噪声最为突出。针对这一问题，笔者从进气噪声产生的机理出发，设计、优化和改进了谐振腔的结构，降低了进气系统的噪声，在一定程度上消除了噪声对整车的影响。

1　赫姆霍兹共振消声器的设计

1.1　赫姆霍兹消声器的结构

进气系统的共振消音器包括赫姆霍兹消声器和四分之一波长管两部分。赫姆霍兹消声器的传递损失是指针对某一个频率和以该频率为中心的窄带噪声。通常情况下，低频噪声都是通过赫姆霍兹消声器降低的，图 1 为赫姆霍兹消声器的结构示意图［4－5］。

图1　赫姆霍兹消声器的结构

赫姆霍兹消声器的谐振频率为

其中，c为空气中的声速，lc为连接管长度，Sc为连接管的截面积，V为谐振腔的容积。

1.2　谐振腔的工作原理

赫姆霍兹消声器类似于动力减振器（图2）。动力减振器中附加一个质量为m2的吸振器和一个阻尼为k2的弹簧组成的子系统，子系统的运动可以抵消主系统中某个频率的振动。

赫姆霍兹消声器的空腔类似于弹簧，连接管中的空气类似于动力减振器中的吸振器。声波在管道中传播，经过赫姆霍兹消声器时，声波的阻抗发生了变化，部分声能被反射，构成了反射波，该反射波与进气管道中声波的对应频率的相位正好相反，能量可以相互抵消，这就起到了消除某个频率声波的作用，因而也就降低了某个频率的噪声。

图2　动力减振器的结构

由式（2）和式（1）可以看出，影响赫姆霍兹消声器传递损失的因素有容器的容积、连接管的长度和连接管的截面积。

2　实际问题的分析及解决

在某型汽车的开发和后期验证阶段，笔者发现在3^WOT工况条件下，发动机转速等于3 150 r/min时，驾驶室内DLE位置的噪声峰值是由进气系统产生的。在该转速下，发动机的6阶激励产生的影响最突出。

频率f、转速r和阶次n的关系为

由于噪声峰值在发动机转速等于3 150 r/min时产生，故由式（3）可以得出峰值噪声的频率为315 Hz。

针对进气系统产生的315 Hz噪声，笔者在进气系统中增加了一个谐振腔。根据式（1），在设计谐振腔时，应根据驾驶室内为进气系统增加赫姆霍兹消声器预留空间的大小确定lc与Sc，再把f代入式（1）算出V，最后得出赫姆霍兹谐振腔的尺寸。

图3　初始设计的赫姆霍兹谐振腔

在进气系统中增加赫姆霍兹谐振腔以后，根据插入损失原理（系统中插入消声器前后在系统外某定点测得的声级差）通过进气口噪声试验进行验证，结果如图4所示。

从图4可以看出，测得的赫姆霍兹谐振腔的消声频率约为270 Hz，而要求的消声频率为315 Hz，造成这种不一致的原因是在手工制作样件时，赫姆霍兹谐振腔的本体尺寸存在误差，同时，谐振腔连接管的长度和截面积也存在一定的误差。

图4　赫姆霍兹谐振腔消声频率的试验结果

根据以上分析，笔者对此赫姆霍兹谐振腔进行了适当的改进。根据赫姆霍兹谐振腔的计算公式和赫姆霍兹谐振腔的试验结果，通过人工手段逐步减小它的体积来提高其消声频率。经过反复试验和验证，确定了改进后的赫姆霍兹谐振腔的尺寸，它们分别为改进前后的赫姆霍兹谐振腔结构对比如图5所示。

图5　改进前后的谐振腔

改进了赫姆霍兹谐振腔以后，笔者利用插入损失原理测试了其消声频率，发现其消声频率为319 Hz，而进气系统产生噪声时，其峰值频率为315 Hz，这说明改进后的谐振腔基本上能够满足设计要求。

改进后的谐振腔的试验结果如图6所示。从图6可以看出，改进取得了比较好的消声效果。

图6　改进后的赫姆霍兹谐振腔消声频率的试验结果

将改进后的赫姆霍兹谐振腔安装到试验车的进气系统中，并在3^WOT工况下进行验证试验，测量进气系统噪声及3^WOT工况下驾驶室DLE位置的噪声。图7是赫姆霍兹谐振腔改进前后3^WOT工况下的进气口噪声及车内噪声的overall对比结果。

从图7可以看出，增加赫姆霍兹谐振腔以后，进气口噪声和车内噪声都明显降低。因此，改进后的赫姆霍兹谐振腔具有明显的消音效果。

图7　改进前后3^WOT工况下进气口噪声及车内噪声的overall对比结果

3　结束语

针对发动机转速等于3 150 r/min时进气系统产生的噪声峰值对驾驶室内环境的影响，加装319 Hz的谐振腔能取得比较明显的消声效果，达到了降低车内噪声的目的。

赫姆霍兹消声器是进气系统中重要的降低特定频段噪声的部件，采用分析、计算与试验相结合的方法才能取得满意的消声效果。