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摘要：进气系统噪声是汽车最主要的噪声源之一，对其进行控制和优化有着重要的意义。进气噪声是由于进气门周期性开闭产生压力起伏变化及进气过程中高速气流流经进气门通道时形成的。根据产生机理不同，进气噪声主要包含如下几种：周期性压力脉动噪声、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；空气滤清器和赫姆霍兹消声器的壁板非常薄，当高速气流通过时，容易被激励而引起辐射噪声。本文对汽车进气系统噪声控制与优化进行探讨分析。
关键词：汽车；进气系统；噪声控制；优化
1、进气系统概述
1.1进气系统结构
一个完整的进气系统可以分为两部分：发动机进气管多支管系统和空气进入系统。本文主要研究空气进入系统，该系统包括空滤器进气管、空滤器出气管、空气滤清器、滤芯、谐振腔、1/4波长管等。
1.2进气系统噪声源
空气噪声包括脉动噪声和流体噪声。脉动噪声是由进气门的周期性开、闭而产生的压力起伏变化所形成的。这部分噪声主要影响进气系统低频噪声特性。另外如果进气管的空气柱的固有频率与周期性脉动噪声的主要频率一致时，会产生空气柱的共鸣声。此外由于进气口和前侧板之间可能形成一个共鸣腔，可能产生额外的共鸣噪声。流体噪声是气流以高速流经进气门流通截面，形成涡流，产生的高频噪声。
2、问题描述及频谱特征
某款在开发中的车型在急加速工况下3300r/min时驾驶员位置有噪声。为了重现该抱怨噪声，组织了5辆同样配置的车辆进行主观评价。评价结果表明，当转速从低到高经过3300r/min时内部噪声突然升高而后下降，同时伴有压迫耳膜的感觉，使人感觉非常不舒服。该异常噪声只在车辆加速工况下存在，和车辆档位及车速没有关系，急加速工况明显差于匀加速工况。5辆车主观评价结果一致，表明抱怨噪声是批量现象。根据抱怨噪声的特征，对车辆的内部噪声进行测试。测试工况为3档急加速，测点位于驾驶员左耳处。测试结果显示在3300r/min处内部噪声有一峰值，频谱分析表明该处峰值主要由发动机4阶噪声引起，频率为220Hz。
根据抱怨噪声的特征，结合主观评价，初步判定抱怨噪声来自进气系统。为了精确识别噪声源，对进气系统进行了解耦测试。结果显示进气系统解耦后的内部噪声在3300r/min处有明显改善，主观评价表明，解耦后抱怨噪声消除，由此断定，抱怨噪声来自于进气系统。
3、进气系统噪声的控制措施
气体流动噪声和结构噪声处理的方法相对比较单一，而且往往不是进气系统的主要噪声。这里主要探讨低频噪声的降噪措施。
（1）合理设计空气滤清器。一般来说，消音容积越大，消音效果越好，但是也需要综合考虑布置空间、零件重量以及零件成本因素。一般情况下，空气滤清器的容积达到发动机容积的3倍以上，就能达到良好的消音效果。
（2）合理设计消声元件。常用的消声元件有谐振腔、1/4波长管、多孔管和编织管等。谐振腔一般是针对低频的，1/4波长管一般用来消除中高频噪声，多孔管和编织管主要应用于消除频带比较宽的噪声。以下就1/4波长管以及赫姆霍兹谐振腔进行分析。
①使用1/4波长管：抱怨频率为220Hz，对应1/4波长管的理论长度为386mm；根据1/4波长管传递损失公式：
TL =101g [1+■（mtan■）2 ]
式中，m为波长管截面面积与主管截面面积的比值；L为波长管的长度；λ为波长。波长管截面面积与主管截面面积的比值越大，其传递损失越大。基于此，考虑到主管直径及耐久性要求，1/4波长管直径设定为36mm；由于1/4波长管在开口处存在辐射声阻抗，其理论长度需进行修正，根据公式：
La = L-■
式中，La为1/4波长管实际长度；L为I/4波长管理论长度；r为1/4波长管半径。计算出I/4波长管的实际长度应为370mm。用Matlab对所设计1/4波长管进行仿真，结果表明，所设计1/4波长管消声频率位于220Hz，和理论值吻合很好。
②使用赫姆霍兹谐振腔：使用赫姆霍兹谐振腔时，设定其工作温度为50℃，根据公式：
c（t ℃）≈331.3+0.6t（m/s）
可知声波的传播速度为361.6m/s，由赫姆霍兹谐振腔消声频率公式可对其余参数进行设置，赫姆霍兹谐振腔消声频率公式为：
式中，f为赫姆霍兹谐振腔消声频率；c为声传播速度；S为连接管道截面面积；V为赫姆霍兹谐振腔容积；l为连接管道长度。考虑到传递损失、空间布局、耐久性、主管截面积等因素，赫姆霍兹谐振腔喉管半径、容积、喉管长度等参数设置如下：r=10mm；V=1.8L；Z=12mm。Matlab仿真结果表明，所设计赫姆霍兹谐振腔和1/4波长管一样，其消声频率位于220Hz，仿真值和理论值吻合。
（3）确定空滤器进出管管径和长度。减小空滤器进、出管管径，提高扩张比，利于降低噪声，但会导致进气系统阻力增加，降低发动机的进气量，影响发动机性能。
4、汽车进气系统噪声的优化设计
因该款车型已经进行到非常关键的开发阶段，正式工装模具已开发完成，由于时间和費用问题的限制，不能对进气系统噪声做重大更改，因此应尽可能考虑不更改其他零件的前提下完成进气系统噪声优化。通过CAE分析计算得知，原进气系统方案中，腔体内的多孔管布置位置并不合理，多孔管需设计在声压较强的位置才能具有起到较好的消声效果。另外，从传递损失分析结果可得出，整个进气系统在76Hz处存在消声水平较弱的谷点。因此，进气系统消声水平的提升需从以上两处进行设计优化。噪声优化方案如下：（1）原进气系统腔体内多孔管结构取消，并移到腔体外的进气管道上，以消除驻波的影响，从而到达降噪目的。（2）在原腔体结构基础上增加插入管结构，设计成谐振腔结构，以消除二阶噪声在76Hz处的噪声峰值。
5、结束语
本文阐述了进气系统噪声产生机理及其影响因素，结合某车型存在的问题进行分析，通过噪声源识别判定抱怨噪声来自进气系统。针对抱怨提出了具体的优化方案：在进气管道上加装1/4波长管或赫姆霍兹谐振腔。作为工程问题考虑具体情况后最终选用了1/4波长管。优化方案实施后，进气管口噪声在发动机3300r/min处峰值消失，驾驶员左耳处声压级降低了6dB（A），消除了进气系统引起的噪声抱怨，提升了车辆的噪声性能。
参考文献：
[1]车用消声器的设计与仿真分析[D].高金瑞.沈阳理工大学2017.
[2]基于精细化建模的进气系统声学性能仿真与改进[J].谢小平，李阳，王茜影，王晨辉，张引引.汽车工程.2018（02）.
（作者单位：保定长安客车制造有限公司）
关键词：汽车；进气系统；噪声控制；优化
1、进气系统概述
1.1进气系统结构
一个完整的进气系统可以分为两部分：发动机进气管多支管系统和空气进入系统。本文主要研究空气进入系统，该系统包括空滤器进气管、空滤器出气管、空气滤清器、滤芯、谐振腔、1/4波长管等。
1.2进气系统噪声源
空气噪声包括脉动噪声和流体噪声。脉动噪声是由进气门的周期性开、闭而产生的压力起伏变化所形成的。这部分噪声主要影响进气系统低频噪声特性。另外如果进气管的空气柱的固有频率与周期性脉动噪声的主要频率一致时，会产生空气柱的共鸣声。此外由于进气口和前侧板之间可能形成一个共鸣腔，可能产生额外的共鸣噪声。流体噪声是气流以高速流经进气门流通截面，形成涡流，产生的高频噪声。
2、问题描述及频谱特征
某款在开发中的车型在急加速工况下3300r/min时驾驶员位置有噪声。为了重现该抱怨噪声，组织了5辆同样配置的车辆进行主观评价。评价结果表明，当转速从低到高经过3300r/min时内部噪声突然升高而后下降，同时伴有压迫耳膜的感觉，使人感觉非常不舒服。该异常噪声只在车辆加速工况下存在，和车辆档位及车速没有关系，急加速工况明显差于匀加速工况。5辆车主观评价结果一致，表明抱怨噪声是批量现象。根据抱怨噪声的特征，对车辆的内部噪声进行测试。测试工况为3档急加速，测点位于驾驶员左耳处。测试结果显示在3300r/min处内部噪声有一峰值，频谱分析表明该处峰值主要由发动机4阶噪声引起，频率为220Hz。
根据抱怨噪声的特征，结合主观评价，初步判定抱怨噪声来自进气系统。为了精确识别噪声源，对进气系统进行了解耦测试。结果显示进气系统解耦后的内部噪声在3300r/min处有明显改善，主观评价表明，解耦后抱怨噪声消除，由此断定，抱怨噪声来自于进气系统。
3、进气系统噪声的控制措施
气体流动噪声和结构噪声处理的方法相对比较单一，而且往往不是进气系统的主要噪声。这里主要探讨低频噪声的降噪措施。
（1）合理设计空气滤清器。一般来说，消音容积越大，消音效果越好，但是也需要综合考虑布置空间、零件重量以及零件成本因素。一般情况下，空气滤清器的容积达到发动机容积的3倍以上，就能达到良好的消音效果。
（2）合理设计消声元件。常用的消声元件有谐振腔、1/4波长管、多孔管和编织管等。谐振腔一般是针对低频的，1/4波长管一般用来消除中高频噪声，多孔管和编织管主要应用于消除频带比较宽的噪声。以下就1/4波长管以及赫姆霍兹谐振腔进行分析。
①使用1/4波长管：抱怨频率为220Hz，对应1/4波长管的理论长度为386mm；根据1/4波长管传递损失公式：
TL =101g [1+■（mtan■）2 ]
式中，m为波长管截面面积与主管截面面积的比值；L为波长管的长度；λ为波长。波长管截面面积与主管截面面积的比值越大，其传递损失越大。基于此，考虑到主管直径及耐久性要求，1/4波长管直径设定为36mm；由于1/4波长管在开口处存在辐射声阻抗，其理论长度需进行修正，根据公式：
La = L-■
式中，La为1/4波长管实际长度；L为I/4波长管理论长度；r为1/4波长管半径。计算出I/4波长管的实际长度应为370mm。用Matlab对所设计1/4波长管进行仿真，结果表明，所设计1/4波长管消声频率位于220Hz，和理论值吻合很好。
②使用赫姆霍兹谐振腔：使用赫姆霍兹谐振腔时，设定其工作温度为50℃，根据公式：
c（t ℃）≈331.3+0.6t（m/s）
可知声波的传播速度为361.6m/s，由赫姆霍兹谐振腔消声频率公式可对其余参数进行设置，赫姆霍兹谐振腔消声频率公式为：
式中，f为赫姆霍兹谐振腔消声频率；c为声传播速度；S为连接管道截面面积；V为赫姆霍兹谐振腔容积；l为连接管道长度。考虑到传递损失、空间布局、耐久性、主管截面积等因素，赫姆霍兹谐振腔喉管半径、容积、喉管长度等参数设置如下：r=10mm；V=1.8L；Z=12mm。Matlab仿真结果表明，所设计赫姆霍兹谐振腔和1/4波长管一样，其消声频率位于220Hz，仿真值和理论值吻合。
（3）确定空滤器进出管管径和长度。减小空滤器进、出管管径，提高扩张比，利于降低噪声，但会导致进气系统阻力增加，降低发动机的进气量，影响发动机性能。
4、汽车进气系统噪声的优化设计
因该款车型已经进行到非常关键的开发阶段，正式工装模具已开发完成，由于时间和費用问题的限制，不能对进气系统噪声做重大更改，因此应尽可能考虑不更改其他零件的前提下完成进气系统噪声优化。通过CAE分析计算得知，原进气系统方案中，腔体内的多孔管布置位置并不合理，多孔管需设计在声压较强的位置才能具有起到较好的消声效果。另外，从传递损失分析结果可得出，整个进气系统在76Hz处存在消声水平较弱的谷点。因此，进气系统消声水平的提升需从以上两处进行设计优化。噪声优化方案如下：（1）原进气系统腔体内多孔管结构取消，并移到腔体外的进气管道上，以消除驻波的影响，从而到达降噪目的。（2）在原腔体结构基础上增加插入管结构，设计成谐振腔结构，以消除二阶噪声在76Hz处的噪声峰值。
5、结束语
本文阐述了进气系统噪声产生机理及其影响因素，结合某车型存在的问题进行分析，通过噪声源识别判定抱怨噪声来自进气系统。针对抱怨提出了具体的优化方案：在进气管道上加装1/4波长管或赫姆霍兹谐振腔。作为工程问题考虑具体情况后最终选用了1/4波长管。优化方案实施后，进气管口噪声在发动机3300r/min处峰值消失，驾驶员左耳处声压级降低了6dB（A），消除了进气系统引起的噪声抱怨，提升了车辆的噪声性能。
参考文献：
[1]车用消声器的设计与仿真分析[D].高金瑞.沈阳理工大学2017.
[2]基于精细化建模的进气系统声学性能仿真与改进[J].谢小平，李阳，王茜影，王晨辉，张引引.汽车工程.2018（02）.
（作者单位：保定长安客车制造有限公司）