邢阳++杨浩++郑悦
摘 要：基于以声学有限元法为基础，建立了汽车进气系统声学仿真平台，通过改变赫姆霍兹消声器导管长度和管径截面积等参数，对进气系统进行结构改进。首先，结合进气噪声理论，以某款经过试验分析得出某特定频率对车内车外噪声贡献明显的进气系统为例，通过理论公式的指导改变相应的参数，对进气系统进行结构改进，再对改进后的系统进行传声损失计算与分析。研究结果表明，理论公式能有效指导进气系统的设计与结构改进，结合传声损失仿真的验证，能为进气系统噪声优化提供一种可靠实用的途径。
关键词：进气系统；传声损失；声学有限元；赫姆霍兹消声器
中图分类号：U461.99 文献标识码：A
Simulation Analysis and Improvement for a Vehicle Intake System Based 0n on Transmission Loss
Xing Yang1，2，Yang Hao1，2，Zheng Yue3
（1. China Automotive Engineering Research Institute Co. Ltd，Chongqing 401122，China；2. State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology，Chongqing 401122，China；3. Chongqing University，College of Automotive Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China）
Abstract：Based on acoustic finite element method，an acoustic simulation platform is set up for automobile air intake system. By changing the length of Helmholtz muffler pipe， the diameter cross-sectional area and the other parameters，the intake system is improved. First，combined with the intake noise theory ，a vehicle intake system is exemplified，which is already proved that a specific frequency contribute significantly to the pass-by and interior noise through the method of noise identification. By changing corresponding parameters，the intake system is improved， which is based on the guidance of the theoretical formula. Then， transmission loss of the improved intake system is calculated and analyzed. The results show that theoretical formula can not only effectively guide the design and structure improvement of the intake system， but also can provide a reliable and practical way for the optimization of noise of intake system， which is based on the sound transmission loss simulation.
Key words：intake system； transmission loss； acoustic finite element method； Helmholtz muffler
随着人们生活品质的不断提高，车辆NVH性能优劣已经成为消费者是否购买某车型的重要因素。经研究发现，汽车进气系统噪声是车辆最主要的噪声源之一，同时这个噪声源离车厢非常近，对车内噪声影响尤其明显[1-，2]。因此，汽车进气系统的NVH设计与优化是在车辆NVH性能开发过程中必不可少的重要设计指标[3]。
进气系统是车辆中一个非常重要的部件，对汽车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[4]。影响进气系统消声性能的因素比较多，包括扩张消声器（空气滤清器）和旁支消声器（赫姆霍兹消声器和1/4波长管）的匹配，各消声元件的容积，各管道的截面积与长度等[5-7]。本文将以某款经过试验分析得出某特定频率对车内车外噪声贡献明显的进气系统为例，建立进气系统声学有限元模型，进行传声损失分析，。并针对目标频率，，通过改变赫姆霍兹消声器导管的长度和管径等，使进气系统达到目标消声频带要求，从而改善车内噪声与通过噪声，同时，赫姆霍兹消声器的压力损失都非常小[8]，改变它的相关参数，基本不会影响发动机性能。
1 进气系统噪声产生机理与消声元件中心频率
1.1进气噪声产生机理
进气系统噪声属于空气动力性噪声，其主要成分包括周期性的压力脉动噪声，涡流噪声，气缸的赫姆霍兹共振噪声和进气管的气柱共振噪声等[9]，如图1所示。首先，与发动机直接相连的进气系统，在发动机活塞下行产生一个压力降时，压力降形成的脉冲波会通过进气系统向进气管口传播，从而形成低频的初级进气噪声。其次，在发动机转速升高时，气流速度也会相应提高，高速气流流经空滤器，赫姆霍兹消声器导管口和弯管等部件会产生涡流噪声和湍流噪声，并向管口传播，形成次级进气噪声，此时一般为中高频噪声。
图1 进气噪声
控制进气噪声的方法首先可以优化配气定时，凸轮型线等，但因为这两个因素对发动机的动力性和经济性影响很大，对设计它们设计时，以考虑动力性与经济性为主。所以，进气系统的噪声控制一般都是针对消声元件的设计与优化。研究发现，一个合适的消声元件可以使气流噪声降低20dB～-40dB，相应的响度能够降低75%-～93%[10-，11]。
1.2 消声元件中心频率
消声元件包括扩张消声器、赫姆霍兹消声器和1/4四分之一波长管等。各消声元件消声时，都存在中心频率，在此中心频率处消声量最大。对进气系统进行设计时，可以针对噪声大的频段来改变消声元件参数，使消声元件针对特定频率消音，从而使进气系统发挥最好的消声效果。扩张消声器与1/4四分之一波长管消声的中心频率为：
。（1）
式中， 为声速，m/s； lk为扩张器或波长管的长度，m。由此可以得出，扩张器和波长管的长度增大，能够使消声中心频率降低。
赫姆霍兹消声器的中心频率为：
。（2）
式中， 为声速，m/s； 为赫姆霍兹消声器导管的截面积，m2； 为消声器的容积，m3； lh为消声器连接导管的长度，m。所以，通过赫姆霍兹消声器的容积，导管的长度和截面积的配合设计，能够使消声器消声的中心频率为任意需要的频率。
2 传声损失
传声损失表明声音经过消声元件后声音能量的衰减，传声损失用TL表示：
。 （3）
式中， Wi为入射声功率，W； Wt为投射声功率，W。
由式（3）和各消声元件的特性可推导进气系统消声元件的传声损失计算公式，扩张消声器传声损失（扩张消声器两边的进气管和出气管截面面积相同）为：
。（4）
式中，m为扩张比；，Llk为扩张腔的长度，m； λ为某声波的波长，m。
赫姆霍兹消声器的传声损失：
。（5）
式中，V为消声容器的容积，m3； lch与 Sch分别为连接管道的长度和截面积，m和m2； Sm为主管道的截面积，m2； f为赫姆霍兹消声器的中心频率，Hz； fr为频率成分，Hz。
四分之一1/4波长管的传声损失为：
。（6）
式中， m为波长管截面积与主管截面积的比值；， Llb为1/4波长管的长度，m； λ为某声波的波长， m。
3 进气系统噪声优化
3.1 进气系统的几何结构
本文的研究对象是某款需改善车内噪声的汽车进气系统。经噪声源诊断试验分析可知，该汽车的进气噪声对车内噪声贡献较大，且频率为66 Hz和225 Hz时的贡献量最大。因此，该进气系统声学性能需要重新优化以满足噪声要求。此进气系统结构主要由管道、，空滤器、，赫姆霍兹消声器组成。几何模型如图2所示。
图2 进气系统几何模型
3.2 进气系统声学有限元模型
声学有限元模型是建立在进气系统内腔的空气介质上，且要空间封闭。因此，需要先对进气系统几何模型做前处理，只保留几何模型的内表面，并填补所有开口使整个系统成为一个封闭的整体。针对此封闭体以每个波长内需含6六个或以上单元为原则划分四面体网格，并注意避免金字塔网格的出现。建立好的声学有限元模型如图3所示。 根据计算需要确定网格的大小，本文只需要计算到2 000 Hz，网格不大于25 mm都满足，网格共计节点数113 054个，单元数124 679个 。
图3 进气系统声学有限元模型
其中计算边界条件为，进口处施加一个单位的声功率，出口处为自由场无反射边界条件。材料设置为空气，考虑流速和气压等的影响，其参数为密度1.15kg/m3，，声速350 m/s。计算频率和载荷步（载荷不步，载荷步是一个物理量名称）需要根据关注范围和计算机配置进行设定，本文针对的频率都在低频范围，为节约计算机资源，在20Hz～-400 Hz范围内步长设为1 Hz，，400Hz-～1 000 Hz步长为10 Hz，1 000Hz-～2 000Hz步长为20 Hz。
3.3 原始进气系统传声损失
由于滤纸对低频消声性能影响很小，本次分析关注的频率为66 Hz和，225 Hz，因此，不用考虑滤纸的影响。分析得到该车型进气系统传声损失曲线如图4所示。
传声损失 TL/
频率f/
图4 进气系统原始传声损失图
由图4可知见，此进气系统消声情况良好，高频部分在加入滤纸后会有明显提高，在100～Hz-300Hz范围内有两个峰值，分别为121 Hz和261 Hz，对应为两个赫姆霍兹消声器消声的中心频率。在66 Hz和225 Hz处的消声量分别为13.01 dB和9.86 dB，消声量明显不足，从而车内噪声明显。此进气系统结构特殊，除外部赫姆霍兹消声器外，空滤器里还有一个，如图5所示。
图5 空滤器内部赫姆霍兹消声器
由赫姆霍兹消声器消声的中心频率公式可知，消声器容积越大，连接管截面积越小，中心频率越小。通过对两个消声器的观察与分析，外部消声器容积明显大于空滤器内部消声器，外部赫姆霍兹消声器与内部赫姆霍兹消声器消声的中心频率应分别为121 Hz和261 Hz。为验证理论与仿真计算的一致性，分别去掉两个俩消声器做两次计算，得出传声损失曲线，通过3三个曲线比较，仿真计算结果与理论公式结果一致，如图6所示。
传声损失 TL/
频率f/
图6 三种情况传声损失图
3.4 66 Hz和225 Hz消声优化
首先针对66 Hz处噪声的优化。在节约成本，改动最少的前提下，确定一个改进方向：不增加任何消声元件，充分利用现有消声元件，即改动赫姆霍兹消声器相关参数用以降低66 Hz处的噪声。所以，本文需要将更接近目标频率的外部消声器消声中心频率由121 Hz降低到66 Hz。加大外部赫姆霍兹消声器容积需要从重新开模，成本较大，故本文在连接管道处下手，根据理论公式，需降低消声中心频率，有两种方式可以做到：其一，减小导管的截面积；其二，加长导管的长度。如果将截面积和导管长度两个参数互相结合，有三种方法，即分别改变截面积和导管长度，截面积和导管长度同时改变，本文考虑发动机舱空间限制和结构的稳定性，采用改变截面积和截面积与导管长度结合改变两种改进方案，具体情况如下。
方案一，消声器连接导管内径由50 mm改为24 mm，其它他参数均不变， 如图7所示。
A.（a）原始导管内径 B.（b）改进管内径
图7 方案一（改导管内径）
对减小导管内径后的进气系统作传声损失计算，观察计算结果，发现第一个峰值由原始的121 Hz降到了现在的66 Hz，正好实现了我们对目标频率的优化。同时传声损失量比原始系统有所减小，这是赫姆霍兹消声器导管管径减小所致。但消声量已达到了28 dB，，比原始13.01 dB增加了15 dB，， 满足消声要求。传声损失曲线见图8。
传声损失 TL/
频率f/
图8 方案一传声损失图
方案二，延长赫姆霍兹消声器连接导管至消声器腔内，延长长度103 mm，形状为圆台，始端内径不大于50 mm（原始）即可，末端内径18 mm。如图9红色部分所示。
A.（a）原始导管 B.（b）延长导管
图9 方案二（延长导管）
方案二的消声器消声中心频率也降低到66 Hz，且中心频率消声量达到了65 Hz，比原始13.01 dB增加了51.99 dB，比方案一28 dB增加了37 dB，取得了比方案一更好的消声效果。传声损失图见图10。
传声损失 TL/
频率f/
图10 方案二传声损失图
针对进气225 Hz的噪声问题，本文利用空滤器内部现有的赫姆霍兹消声器改进参数来实现。改变消声器容积会影响空滤器容积且成本增大，此系统导管长度也不易改变，只能改变开口面积（即导管截面积），从而使此消声器消声的中心频率由261 Hz降低到225 Hz。为保证改动尽量少，只减小消声器开口面长度，高度不变。长度由原始的43 mm减小到20 mm，如图11所示。
A.（a）原始开口（43mm） B.（b）减小开口（20mm）
图11 优化前后模型对比图
对优化后的模型做传声损失仿真，观察计算结果，见如图12所示。由低频到高频，在第二个峰值处（第一个峰值为外部赫姆霍兹消声器作用所致）频率为226 Hz，消声量达到47 dB，相应的225 Hz消声量也达到了38 dB，比原始9.86 dB增加了28.14 dB，完全满足消声要求。
传声损失 TL/
频率f/
图12 优化后传声损失图
4 结论
综上所述，本文基于进气噪声理论和传声损失仿真，探索了汽车进气系统声学设计的方向，验证了优化结果。通过进气系统各种消声元件的理论公式，对进气系统各消声元件的设计与优化提供方向和理论基础，完成了进气系统消声元件针对目标频率的设计与优化。再以传声损失仿真来验证优化后的系统能否满足目标消声频带的要求。
（1）本文所做的工作，为进气系统的噪声优化起到了参考作用，并且是一种有效的进气噪声优化方法，为车辆进气系统消声元件的声学性能设计提供定量的依据，为进气系统噪声优化提供一种可靠、实用、便捷的途径。
（2）赫姆霍兹消声器对低频消声非常有效，针对性强，在消声器容积、腔外导管长度和消声中心频率相同的情况下，增加腔内内插管比减小导管截面积的消声量要大。
（3）本文没有研究消声元件的变化对整个系统压力损失的影响，可作为今后研究的内容。
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作者简介：
邢阳（1987-），男，四川省泸州市人。，硕士，工程师，主要从事空气动力学与车身结构仿真工作。
Tel：15215151150
E-mail：446479698@qq.com
