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发表于 2015-9-3 01:28:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
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进气噪声的相关研究与分析

进气噪声的相关研究与分析

        图1  3档加速时驾驶员耳旁及进气口噪声图

        汽车进气系统有噪声是正常的,但是如果噪声过大或存在异响,则说明进气系统存在问题,需要进行及时调整。本文针对国内某款微型面包车在开发过程中出现的进气噪声过大问题进行了研究与分析,为降低汽车车内噪声提供了解决思路。
        进气系统是汽车中一个非常重要的部件,不仅影响发动机的动力性、经济性、排放性,对汽车的NVH性能也有重要影响,因此,对进气系统的噪声产生机理以及噪声控制措施进行系统研究具有重要意义。
        本文针对国内某款微车在开发过程中,由于进气系统导致的车内噪声过大问题,采用分别运转法、频谱分析法等方法来降低进气系统噪声,进而降低车内噪声,同时阐述了进气系统噪声产生机理、控制方法,以及优化设计进气系统对车内、车外噪声及发动机性能的影响,也为汽车工程技术人员NVH开发提供借鉴。
        空调系统噪声分析
        1.汽车进气噪声源分析
        当发动机进气门打开时,由于活塞下行容积不断变大,产生一个压力差,此压力差形成一个稀疏波脉冲,向进气门口传播,这就是初级进气噪声,一般为低频成分。另外,当进气门打开,气流会进入气缸,当发动机转速较高时,气流速度也会相应提高,高速气流流经空滤、稳压箱等部件会产生涡流声和湍流声,并向管口传播,形成所谓的次级进气噪声,一般为中高频噪声。
       

进气噪声的相关研究与分析

进气噪声的相关研究与分析

        图2  3档加速时进气口10cm处噪声colormap图

        控制进气噪声首先可以优化配气定时、凸轮型线等,但由于这两个因素对发动机的动力性、经济性等有很大影响,因此在设计配气定时、凸轮型线时,主要考虑动力性、经济性。其次,就是在进气管路上添加各种进气消声器,首先是空滤和进气管,空滤不仅可以过滤吸入空气中的灰尘等,还是一个主要的进气消声元件,其作用是一个扩张室。消声量与消声频率主要与容积及空滤及进气管的尺寸有关。
        2.车辆状态描述
        表1为某型微车的主要配置参数。车辆在加速情况下车内噪声非常严重,尤其是在发动机转速为2500r/min、3750r/min和4250r/min附近时,车内产生非常明显的轰鸣噪声,初步感觉声音来自于车辆中部。
        噪声源识别
        1.主观评价
        保持3档加速,从1000r/min加速至6000r/min后,车辆熄火开始滑行;保持滑行直至车辆停止运动。
       

进气噪声的相关研究与分析

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        图3  3档加速时加长进气管后与原状态驾驶员耳旁噪声图

        车辆上装载GPS以记录行车速度,在熄火滑行时,明显感觉到来自于车辆中部的粗糙轰鸣声,尤其是在车辆速度为35km/h、53km/h和61km/h处,分别对应3档时的发动机转速为2500r/min、3750r/min 附近和4250r/min,车辆噪声轰鸣严重,声音来自于车辆中部,判断为进气系统所在区域。由于车辆熄火滑行时,发动机噪声基本可以忽略,同时变速器噪声相对容易被分辨以及排气管噪声主要来自于车辆尾部,因此可以初步判定噪声主要来源于车辆进气系统的进气过程。
        2.判断噪声来源
        按照GB/T 18697-2002《声学 汽车车内噪声测量方法》布置驾驶员测量点,分别测量驾驶员右耳处以及进气管管口处的噪声。
        (1)在进气口10cm处和驾驶员右耳旁处同时布置声学测量点,测量进气口噪声及驾驶员耳旁噪声,测量结果见图1。图中红色线为总声压级,绿色线为驾驶员耳旁4阶噪声,蓝色线为驾驶员耳旁6阶噪声。
        从图1(a)可以发现,在加速行驶中,驾驶员耳旁在转速分别为2500r/min、3750r/min 与4250r/min 处出现很明显的噪声峰值,其中,3750r/min处主要贡献阶次为4阶;2500r/min和4250r/min处主要贡献阶次为6阶,与主观感觉异响状态相吻合。
        从图1(b)可以发现,发动机转速在2500r/min、3750r/min与4250r/min处时,进气管管口噪声同样出现噪声峰值,贡献阶次同样分别为4阶和6阶,与驾驶员耳旁噪声相吻合。初步判断在加速工况下,2500r/min、3750r/min与4250r/min处噪声即为进气管管口噪声所导致。
        由图2可知,进气口在发动机转速为2500r/min和3750r/min处的噪声是由250Hz的频率所导致,贡献阶次分别是6阶和4阶,同时在4250r/min处的噪声主要是425Hz的频率引起,主要阶次覆盖整个转速范围,以6阶次最为明显。
        3.验证噪声来源
        (1)安装一根2m长的软管至进气管管口,软管初始管口尽量远离发动机,延伸至车身前部,用长的进气管可以有效屏蔽进气噪声对车内噪声的影响;按照GB/T 18697-2002《声学 汽车车内噪声测量方法》布置驾驶员测量点。
        (2)重新测量3档全油门加速时驾驶员右耳处的噪声。
        由图3可以看出在加速情况下,进气软管开口10cm处及驾驶员耳旁在发动机转速为2500r/min、3750r/min与4 250r/min处噪声峰值消失,同时相应的贡献4阶及6阶贡献阶次也消失,由此可以判定3档加速工况下,在发动机转速2500r/min、3750r/min与4250r/min处进气管管口噪声为引起驾驶员耳旁轰鸣异响的主要原因。
       

进气噪声的相关研究与分析

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        从图3可以看出,安装长进气软管后,驾驶员耳旁在2500r/min、3750r/min与4250r/min转速处噪声峰值消失,同时相应的主要贡献阶次2500r/min、4250r/min处6阶;3750r/min处4阶也消失,由于此时长的进气软管屏蔽进气管噪声,进气系统的噪声对车内噪声的影响基本消失,因此可以判定,3档加速工况下,在2500r/min、3 750r/min与4 250r/min转速处,进气管管口噪声为引起驾驶员耳旁轰鸣异响的主要原因。
        理论分析
        1.管道声学
        在管道中,声波被认为以平面波的形式在传播。声波在传输过程中,当到达管道顶端的时候,一部分声波会透过管道继续传播,另一部分则会被管道反射回去,形成反射波。
        声音在管道内传播,当管道截面积发生改变时,声阻抗也发生变化。由于进排气管的长度都是有限的,一个长度为L的管道,假设管道两端的声阻抗已知道,即x=0处的声阻抗为Z(0),在x=L处的声阻抗为Z(L),我们可以得到任何一点的声阻抗:
       

进气噪声的相关研究与分析

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                                 (1)
        将经过变化Z(0)和Z(L)分别代入式(1),经过变化我们可得到
       

进气噪声的相关研究与分析

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                                   (2)
        其中,Pi入射声波声压幅值,Pr是反射声波声压幅值,k是声波的波数,U是管道截面积。
        2. 1/4波长管理论分析
        当声音在开口-封闭的管道内传播声波碰到刚性的封闭端时,声波被全部反弹回来,再往回传播。对于一个刚性的封闭口来说,其声阻抗为无穷大,即

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,根据式(2)则有

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, 则有

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。当上式满足下面的条件,当声阻抗为零时

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,那么这个开口-封闭管道就会发生共振,其固有频率为:
       

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                     (3)
        当n=1,2,3……n时,分别对应管道第1阶、第2阶……第n阶次频率。图4为管道声波的第1阶模态和第2阶模态。这个声波在封闭端时,声压达到最大值,然后反射到入口处,使得入口端的声压为零,即在开口端形成驻波节点。1/4波长管就是应用这个原理工作的。
       

进气噪声的相关研究与分析

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        图5  添加1/4波长管后进气波纹管

        将式(3)转化为管道长度与波长的关系:
       

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                   (4)
        当n=1时,管道的长度是波长的1/4,即
       

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                  (5)
        所以这种开口-封闭的管道通常叫作1/4波长管。
        3.分析结果
        由1/4波长管的理论分析可知,对于车辆加速工况下在2500r/min、3750r/min与4250r/min转速处,进气系统噪声峰值可以用1/4波长管来消除。在消除进气管噪声峰值的情况下,车内噪声峰值也会得到很好的改善。
        由图1(b)可以看出,进气系统噪声在2500r/min、3750r/min转速处由于导致噪声的主要贡献阶次是6阶和4阶,由图2我们也可以得出目前在这两种转速下噪声的中心频率为250Hz;同样,4250r/min处由于噪声的主要贡献阶次是6阶,其中心频率为425Hz,消除了这两个频率下的进气系统噪声峰值,即可以降低相应转速下的车内噪声。
       

进气噪声的相关研究与分析

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        图6  添加1/4波长管后进气管口colormap图

        根据1/4波长管的理论,对于进气系统相应频率下噪声的消减,我们只需要设置相应频率的1/4波长管即可解决,根据式(5)可以得出我们需要设置的1/4波长管的长度为:L=c/f×(1/4),即管长分别为L1=340/250×1/4=0.34m;L2=340/425×1/4=0.2m。其中c为声音在1个标准大气压和15℃的条件下的速度,约340m/s。
        解决措施
        根据以上的分析结果,我们在进气波纹管上设置了两根长度分别为340mm和200mm的波长管,用于消除中心频率为250Hz和425Hz的进气管噪声峰值,从而降低车内噪声。
       

进气噪声的相关研究与分析

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        图7  添加1/4波长管后驾驶员右耳旁噪声

        根据式(5)可知,1/4波长管对特定频率噪声的降低与波长管的截面积无关,波长管截面积大小可以影响特定频率下进气系统噪声幅值的大小。据此原理我们设置波长管的截面积为进气波纹管截面积的1/4,运用此截面积可以有效减少该特定频率下的噪声幅值,又不至于因材料的增加导致成本增加太大。
        制作出该1/4波长管后,将这两个1/4波长管装在进气波纹管上(见图5),重新进行测试。由图6可以看出,进气系统在2 500r/min、4 250r/min转速处的6阶噪声峰值消失,同时3750r/min处的4阶噪声峰值也消失;从图7可以看出,在2500r/min和3 750r/min处,即250Hz频率处,驾驶员耳旁的噪声分别下降了3dBA和5dBA,相应的6阶和4阶噪声下降了7dBA和3dBA;同时在4 250r/min,即425Hz频率处,驾驶员耳旁的噪声下降了10dBA,相应的6阶噪声降低近17dBA。
       

进气噪声的相关研究与分析

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        安装1/4波长管后,有效地降低了车辆在发动机转速2 500r/min、3 750r/min及4 250r/min处的进气噪声。通过进气系统噪声的降低,使得车内噪声也得到了明显降低,有效改善了车内的噪声品质。
        结语
        在汽车噪声的降低上,1/4波长管并不是仅仅用于进气系统,在很多排气管消音器上也用到了1/4波长管,只不过使用的方式和方法更加复杂而已。对于单个中等频率的进气系统噪声,我们一般用1/4波长管就能很好地解决其问题,但对于频率比较低的进气系统噪声,则可以用亥姆霍兹共振腔来解决其噪声问题。
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