两个腔室谐振箱在汽车进气系统降噪中的应用①

汤志鸿， 侯永平， 朱贞英， 门永新

(1.同济大学，上海 201804;2.浙江吉利汽车研究院有限公司，浙江 杭州 311228)

0 引言

发动机进气噪声是汽车最主要的噪声源之一.进气系统噪声主要是指进气口处的噪声，这个噪声源离车厢很近，所以对车内噪声贡献非常大.同时，进气口噪声也是汽车最主要的通过噪声源[1].因此，进气噪声控制在整车NVH性能中具有非常重要的作用.

发动机进气噪声的主要成分包括周期性压力脉动噪声、涡流噪声、汽缸的赫姆霍兹共振噪声、进气管的气柱共振噪声等.改善进气噪声主要有两种途径，分别是降低发动机自身噪声水平和提高进气系统降噪能力.在发动机已定型的情况下一般都采用后者，而增加谐振箱是提高进气系统降噪性能的主要手段之一.

文献[3]介绍了进气系统常用消声元件及传递损失分析方法.文献[4]对多腔消声器数字优化技术进行了讨论.

1 赫姆霍兹消声器工作原理

赫姆霍兹消声器是由一个刚性容器和一个连通的颈所组成的结构，如图1所示.

当声波进入孔颈时，由于孔颈的摩擦阻尼，声能变为热能，使声波衰减.当声波频率接近共振器的固有频率时，共振器孔颈处的空气柱振动特别强烈，声能吸收较大;远离共振频率时，则较小.赫姆霍兹共振器的吸声频带比较窄，在共振频率时吸收最大.赫姆霍兹共振器的共振频率可由下式求得:

式中，V为共振器空腔体积(m3)，L为颈的实际长度(m)，R为颈口半径(m)，c为声速(m/s).提高空气滤清器的降噪能力，常见的谐振箱即是一个赫姆霍兹消声器.

图1 单个腔室赫姆霍兹消声器

2 两个腔室赫姆霍兹消声器结构及特点

赫姆霍兹消声器只能消除一个频率及其附近频带的噪声.除了传统单个腔室结构外，也有两个腔室的赫姆霍兹消声器，图2(a)和(b)分别表示外部串联和内部串联的腔室结构.

两个腔室的赫姆霍兹消声器可以消除两个频率的噪声，如果两个腔室的容积与一个腔室消声器容积一样的话，那么两个腔室消声器传递损失对应的峰值要低些.图3表示一个腔室和两个腔室赫姆霍兹消声器传递损失对比.

图2 两个腔室赫姆霍兹消声器[1]

图3 一个腔室和两个腔室赫姆霍兹消声器传递损失对比[1]

3.2 改进思路及方案:采用两个腔室结构的谐振箱

首先，对原进气系统进行传递损失分析，判断是否存在设计缺陷，分析结果如图5.

图5 原进气系统传递损失分析结果

传递损失曲线在245Hz附近并未出现低谷，由此判断非进气系统存在设计缺陷，而是由发动机本身在此频率存在噪声峰值.改进方法为针对噪声峰值，增加工作频率为245Hz的谐振箱.考虑原进气系统有三个谐振箱，结合布置空间、模具修改和成本控制等因素，采用将消声容积为4L的谐振箱隔成两个腔室的方案，如图6.

图6 原进气系统示意图

3 两个腔室谐振箱降噪应用案例

3.1 问题来源:加速过程中存在进气噪声问题

NVH试验发现:某中高级轿车在加速工况下，发动机转速在2410rpm和3650rpm附近出现噪声峰值，主要由进气系统噪声引起，噪声频率为245Hz左右，如图4所示.

图4 加速工况下驾驶员外耳噪声及阶次图

根据赫姆霍兹消声器工作原理，用一个带管子的隔板将发动机罩谐振箱隔成2个腔，根据隔板位置不同，提出两种改进方案，位置及尺寸如图7.方案1中较小谐振箱远离进气主管道，尺寸为颈长L=50mm，半径 R=15mm，容积 V=0.48L，根据赫姆霍兹共振器的共振频率计算公式得f0=245Hz.方案2中较小谐振箱靠近进气主管道，颈与原谐振箱共用，通过计算得到谐振箱容积为1.05L.对两种方案进行传递损失分析，结果如图8、图9所示.

对比两种方案传递损失分析结果可以看到，方案1谐振箱作用频带很小，实际降噪能力可能不够理想.方案2谐振箱作用频带比方案1大，初步判断可满足优化要求.

图7 进气系统改进方案示意图

图8 进气系统改进方案1传递损失分析结果

图9 进气系统改进方案2传递损失分析结果

此外，方案1原谐振箱传递损失几乎不受影响，而方案2原谐振箱传递损失峰值和频率均降低.对于此现象，专门建立了谐振箱模型进行研究，如图10所示.

用一个带管子的隔板将谐振箱分隔为2个腔室，隔板靠近和远离主管道分别为位置A和B，较小的两个腔室消声容积接近，对其进行传递损失分析，结果如图11.分析结果与上述进气系统改进方案相似.另外，两个腔室容积比例关系的影响情况值得进一步研究.

3.3 试验验证:加速噪声明显降低

基于方案2制作进气系统样件，并装车进行验证.改进前后试验结果对比如图12所示，改进后发动机转速在2410rpm和3650rpm附近噪声峰值有明显降低，改善效果较好.

4 结语

通过优化谐振箱有效地解决了进气系统噪声问题，与单独增加一个谐振箱相比，分隔谐振箱形成两个腔室的方案有如下优点:

(1)不影响布置空间;

图10 不同隔板位置的两个腔室谐振箱模型示意图

图11 不同隔板位置的两个腔室谐振箱传递损失分析结果

图12 进气系统改进前后加速工况下驾驶员外耳噪声对比

(2)模具改动小;

(3)单台成本增加较少.

机舱内的布置空间有限，两个腔室的谐振箱在节约空间和成本上具有一定的优势，在进气系统需要两个及以上谐振箱时可优先考虑此类设计方案.

对于将原谐振箱分隔成两个腔室的方案，当较小谐振箱靠近进气主管道时，其消声性能优于远离主管道，但对原谐振箱消声性能的影响也较大.两个腔室容积比例关系的影响情况值得进一步研究.

[1]庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动[M].北京:北京理工大学出版社，2006.

[2]汤志鸿.汽车进气系统传递损失分析及优化研究[C].2009中国汽车工程学会年会论文集.

[3]林进修，林晓.空气滤清器与进气消声[J].振动与噪声，1996，(6).

[4]Numerical Optimization of a Three－Chamber Muffler Hybridized with a Side Inlet and a Perforated Tube by SA Method[J].Journal of Marine Science and Technology，2010，Vol.18，No.4，pp.484－495.