空滤器声学特性及进气口噪声声品质试验

李　恒，郑　旭，刘联鋆，甘庆良

（1.浙江大学 能源工程学院，杭州 310027；2.上海思百吉仪器系统有限公司 Brüel&Kjær部门，上海 200125）

空滤器声学特性及进气口噪声声品质试验

李恒1，郑旭1，刘联鋆2，甘庆良1

（1.浙江大学 能源工程学院，杭州 310027；2.上海思百吉仪器系统有限公司 Brüel&Kjær部门，上海 200125）

为研究空滤器总成的声学特性，在半消声室内通过静态实验测试系统的消声量、传递损失，并进行发动机台架试验，评估进气口噪声水平及声品质特性。首先，实验测试获得空滤器壳体的声学特性，并与有限元仿真计算结果相对比，验证实验值的准确性。其次，分别研究空滤器壳体、滤芯材料的消声量、传递损失，发现滤芯结构的存在，在中高频尤其是500 Hz以上大大提升空滤器的消声性能，而对中低频影响微小。再者，搭建发动机台架进行试验，对比分析安装空滤器总成前后进气口噪声的声压级水平。先后进行稳态工况、加速工况试验，发现空滤器总成几乎在全频段内对进气噪声均有明显的降噪功能。最后，提取稳态工况进气口声压频谱，编程处理数据，分析进气口噪声声品质水平，研究空滤器总成对进气口响度、尖锐度的影响。为进一步研究并提高发动机进气口噪声声品质提供基础与指导。

声学；空滤器；滤芯；消声量；传递损失；声品质；台架试验

发动机噪声主要由空气动力噪声与结构辐射噪声组成［1］。针对结构辐射噪声的研究已较为广泛，空气动力噪声的研究仍有待深入。为使排气噪声得到有效控制，进气噪声的研究与控制显得尤为重要。

进气系统主要由空气滤清器（以下简称空滤器）以及进气管路组成。针对进气系统的NVH研究主要体现在两方面：系统声学特性研究、进气管口噪声预测［1］。而进气口噪声试验往往作为验证评估预测方法是否准确的重要标志之一，因此试验在研究中尤为重要。同时，空滤器本身作为典型的进气噪声消声元件，研究其声学特性有助于指导工程设计开发，最终有利于进气噪声的控制。贾维新通过实验测试了空滤器壳体的消声量（noise reduction，NR），并将此作为仿真计算的验证值［2］。刘联鋆等研究了纸质滤芯的声学性能，发现传递损失（transmission loss，TL）主要在中高频600 Hz以上发挥较好的消声性能，但未进行实际工作状态进气口噪声试验评估［3］。因此，本文主要就某空滤器、滤芯结构进行声学特性试验，并与有限元法（FEM）仿真结果相验证，分别分析壳体以及滤芯的主要消声特性。而在进气口噪声测试方面，李恒等通过整车试验获得了某汽油机乘用车的进气口噪声频谱，但试验中不能有效屏蔽风噪、路面噪声等其它环境因素的严重干扰［4］。因此，本文搭建发动机台架进行试验，尽可能准确地测量进气口噪声水平。

此外，涡轮增压器的配备［5］，其高速运转下产生的高频噪声，会显著改变发动机整机辐射噪声，尤其影响进气系统的声学特性［6］。因此选择增压型发动机进行台架试验，并提取进气口噪声频谱，数据经后处理后，分析与研究增压性发动机进气口声品质水平。主要研究空滤器总成对进气管口噪声声品质的改善作用，为进一步提高发动机进气口噪声声品质水平提供基础与指导。

1　理论背景

1.1消声量

消声量［7］为声波流经声学元件的入口侧声压级Lpi与出口侧声压级Lpo的差值，可作为评价消声性能的指标之一

式中pi为消声元件声波入口侧声压；po为出口侧声压。其与管道末端特性有关，因此在仿真计算需注意末端大气压边界的模拟。

1.2传递损失

传递损失［7］（TL）为声波流经声学元件的入射声功率级LWi与透射声功率级LWt的差值，反映消声元件本身的声学特性，其未包括声源及管道末端特性，因此常用传递损失评价消声性能

1.3声品质分析

声品质的指标参数有响度和尖锐度［8-10］。

响度是反映人耳对声音强弱主观感受程度的心理学参数（单位为sone），可通过Zwicker提出的ISO532B标准计算获得，它以1/3倍频带为基础，引入特征频带作修正，如式（3）所示

式中N'（z）N'（z）为临界频带z上的特征响度。

尖锐度是表征高频成分在声音频谱中的所占比例（单位为acum）。Zwicker提出的尖锐度计算模型，如式（4）所示

式中 g（z）为Zwicker依据不同临界频带设置的响度计权函数，如式（5）所示

2　空滤器声学特性研究

2.1NR、TL实验测量

静态声学特性实验于半消声室内进行。声源置于半消声室外，用铁质金属管将声源引入至半消声室。采用厚质PPR管连接空滤器。声学特性测试设备及仪器型号如表1所示。

表1　静态声学特性测试设备及仪器型号

图1所示为空滤器NR测试现场，分别于空滤器上、下游各设置一个传声器用于测量两侧声压级。声学入口测点传声器头部端面与管壁齐平，出口测点传声器头部端面置于出口截面中心。声源端发射全频范围内幅值为94 dB的声波，相应获得声学入口、出口侧的声压级。

图1　空滤器NR测试现场

图2所示为空滤器TL测试现场，测试时在空滤器下游分别安装两种不同阻抗的负载（Za：原PPR管；Zb：延长一段小截面PPR管，并在末端张贴吸声棉），采用四传声器基于传递矩阵法测量空滤器的静态TL［11］。测量中传声器头部端面与管内壁齐平，PPR管内径为90 mm，上、下游每对传声器间距为60 mm，最高分析频率fm设为2 000 Hz，据ASTM标准E1050-1990［12］，足以满足要求。

图2　空滤器TL测试现场

2.2NR、TL仿真计算

FEM在仿真计算消声元件声学特性方面，其准确性已经得到普遍的认可［2］。因此为了验证实验的准确性，将采用FEM仿真计算空滤器的NR、TL。如图3所示建立了空滤器壳体的FEM模型，实际工作中声波由发动机侧流经空滤器总成，最终从进气管口辐射向大气。因此，声学出口即为进气入口，声学入口为气流出口。空滤器腔体即为扩张腔作用，声波在其内部传播引起共振起到消声作用。

图3　空滤器壳体FEM模型

在TL仿真时，为保证声学出口末端全消声，于声学出口侧设置特征声阻抗为416.5 kg/m2·s，且后处理时需分离入口的入射声波与反射声波，据式（2）即可获得系统的TL。其余壁面设为刚性壁面，且不考虑气流及温度的影响。

2.3结果分析

图4所示为半消声室实验测试与FEM仿真计算获得的空滤器NR曲线对比。可以发现：两者在1 500 Hz频率范围内趋势基本相吻合，NR曲线各峰谷值所对应的频率点基本一致。整体而言，实验值的各消声峰值、谷值发生了略微的偏移，表现为实验值略比仿真值大，而幅值上略比仿真值小。这主要是由于在FEM仿真时，设置的声速大小与实际管内声波传播速度并非不一致，而引起频移；同时FEM仿真时将壁面视为刚性壁面，而实际中空滤器壳体为塑料材质，存在略微的声波透射及声振耦合引起的壳体振动辐射噪声，且传播过程中存在一定的能量耗散［4］等，故造成NR实验结果幅值略小。空滤器在250 Hz～650 Hz声学表现较好，其NR均高于20 dB；且在765 Hz、1 220 Hz处均存在消声峰值，其幅值高达40 dB以上，为空滤内腔体局部结构产生的消声峰值。但也存在若干消声谷值，如185 Hz、730 Hz、810 Hz等，表现为消声性能较差。总体而言，通过对比实验测试结果与FEM仿真结果，印证了静态NR实验的准确性。

图4　空滤器NR实验结果

图5所示为实验测试与FEM仿真计算获得的空滤器TL曲线对比。两者在1 500 Hz频率范围内趋势基本相吻合，TL曲线各峰谷值所对应的频率点基本一致。且消声峰值所在的频率与图4中NR所述相一致，在765 Hz、1 220 Hz处，其TL幅值分别高达20 dB、36 dB；TL幅值为零处与NR消声谷值所对应的频率也相吻合，依次位于730 Hz、810 Hz等附近。而空滤器作为扩张腔元件，其基本消声范围100 Hz～500 Hz内，其TL幅值达10 dB左右。但在TL实验测试时于195 Hz左右产生一个局部的峰值，而在FEM计算时并不存在，可能是实际测试时空滤与连接管路间存在略微的安装间隙或传声器置于PPR管内引起声波的扰动等引起。通过两者TL结果的对比，进一步验证了半消声室内测试空滤器声学特性的准确性与有效性，也肯定了B&K设备与仪器在NR、TL测试方面的精确性。

图5　空滤器TL实验结果

2.4滤芯声学特性研究

实际工作过程中，空滤器内部附带滤芯结构，以此达到过滤空气的作用，因此有必要研究滤芯结构的静态声学特性。一般滤芯材料包括无纺布材料、纸质材料两种，该滤芯由多孔无纺布材料制成，其安装示意如图（6）所示。

图6　空滤器内部滤芯材料安装示意

将滤芯安装于空滤器上下壳体内部，并加以实际工装固定，放置于半消声室内进行静态声学特性的测试，分别获得NR、TL如图（7）所示。结果可知：

图7　带滤芯的空滤器声学特性

在频率范围450 Hz内，滤芯的存在基本不影响NR、TL曲线，即消声性能并无明显的改变。而高于450 Hz时，滤芯的存在显著地提高了空滤器的整体消声性能。NR平均提高8.0 dB左右，最为显著的提升出现于1 140 Hz处，幅值达39.7 dB，其不带滤芯时有明显的消声谷值，而滤芯的存在不但“抹平”了低谷，还表现为较好的消声性能。同时，TL也因为滤芯的存在平均提升达8.2 dB。然而，滤芯的存在也降低了765 Hz、1 220 Hz处的消声峰值，使其曲线更为平滑。由此分析，滤芯在低频范围内消声能力并不明显，而主要表现在中高频段，尤其为500 Hz以上。

3　发动机进气口噪声台架试验研究

发动机台架试验于半消声室进行，试验发动机参数如表2所示。

图2是在77 K，采用N2作为吸附质，选取典型改性样品St1、St3、ST1 和原样活性炭SA，测得活性炭的吸附等温线。根据国际理论(化学)与应用化学联合会(IUPAC)定义的4类吸附等温线的类型，样品均为有H1迟滞环的Ⅳ型的中孔毛细凝聚类型。当相对压力P/P0<0.1时，低压端的吸附曲线偏向Y轴，微孔对N2有较强的吸附。当0.3

表2　试验发动机参数

进气口采用PVC管延长引出，同时于测试进气口处，采用多孔吸音棉做屏蔽，尽可能地避免发动机本体噪声的干扰，如图（8）所示。

图8　发动机台架试验现场及传声器布置

测试进气口辐射噪声，传感器置于进气口法向轴线45°，距离10 cm处，采用防风罩包裹，避免气流对传感器压片薄膜的影响，减小测量误差。另外设置振动加速度传感器于发动机机体，用于提取发动机转速信号，传感器为B&W12100型压电加速度传感器。

3.1稳态工况进气口噪声

分别进行了发动机为怠速、1 000 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min工况的台架试验，获得了相应的进气口噪声频谱，如图（9）所示。

在各稳态工况下，空滤器总成（带滤芯，下同）的存在均使得进气口噪声有明显的降低，也进一步印证了空滤器具有过滤空气的主要功能外，还对降低发动机进气噪声有显著的作用。特别地，在脱轴（发动机与测功机传动轴脱离）怠速工况，空滤器总成的存在大大降低了100 Hz～700 Hz频段内的噪声，这也与图7所述空滤器的声学特性相一致；而在800 Hz以上，进气口噪声存在略微的降低，但降低幅值不明显，主要是因为怠速工况进气管内几乎无气流存在，进气噪声主要表现为中低频的周期性压力脉动，高频气流噪声不明显，因此消声性能表现也较明确。而在发动机转速1 000 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min稳态工况下，进气气流的存在使得进气噪声中高频气流噪声较为明显，因此空滤器总成的存在对该频段噪声的衰减最为突出。特别在800 Hz～1 150 Hz频段内，增加空滤器总成后，进气口噪声出现显著的降低，同时在1 450 Hz以上范围也表现为较好的消声性能。此外，在测试过程中，发动机与测功机传动轴相连接，测功机尤其是传动轴引起的噪声也会对进气口造成干扰。

图9　各稳态工况进气口噪声频谱

在频域范围内，将无空滤、有空滤状态进气口噪声作差，即可获得该发动机空滤器系统的插入损失（insertion loss，IL）1/3倍频程结果，如图（10）所示。

图10　各稳态工况下空滤器的插入损失

可以发现：空滤器总成的存在，各稳态工况下进气口噪声均得以有效的降低；尤其是脱轴怠速工况，其IL在80 Hz特征频带最高幅值达35.3 dB（A），平均值达25.3 dB（A）。总体而言进气气流的存在，会使得空滤器总成的消声能力在中高频表现的更为突出，IL平均值达15.0 dB（A）；而无气流（怠速）工况，则相反，这与上述进气口噪声频谱分析结论相一致。此外，除怠速外，其它稳态工况下，IL曲线在特征频带高于163 Hz范围基本无明显差异，而在低频区域差异较明显。

3.2加速工况进气口噪声

图11　加速工况进气口噪声时频图

为研究该发动机进气口噪声瞬态特性，测试获得了发动机转速1 200 r/min～5 400 r/min的WOT加速工况进气口时频分析结果，如图（11）所示。对比安装空滤器总成前后的进气口噪声时频谱可知，有空滤器的情况下，进气口噪声得到了显著的降低，主要表现为两方面：一方面是阶次噪声成分，安装空滤器总成后，原状态中最为明显的2、4、6、8阶次成分得到了很好的衰减，仅存留一部分的2阶、4阶成分，而此为发动机曲轴旋转工作时特有的成分，存留是必然的。另一方面是中低转速工况600 Hz～2 000 Hz频段内的宽频气流噪声成分（图（a）中虚线框所示）。安装空滤器总成后，该区域宽频成分得到明显的衰减。当然其它转速、频段也有相应的降低，而局部区域也存在略微的恶化（图（b）虚线框所示），可能是测功机及传动轴等其它噪声干扰所致。因为安装空滤器总成后，进气口噪声水平得以降低，而传动轴等其它噪声仍未变化，以致误差存在。

根据发动机瞬态加速测试结果，分别提取加速过程中的不同转速工况进气口声压级水平，发动机转速1 800 r/min～4 800 r/min，每隔600 r/min提取一个结果，如表3所示。安装空滤器总成后进气口噪声水平得到显著的降低，声压级总值平均降低幅值达16.2 dB（A），2阶降低33.0 dB（A）、4阶降低31.1 dB（A）、6阶降低27.1 dB（A）。因此空滤器总成系统在进气系统噪声控制方面有着不可或缺的作用，设计优良的空滤器总成，在达到过滤空气的同时也将达到良好的声学性能，而这些实验数据也将更好地指导空滤器总成的前期设计开发。

表3　不同发动机转速工况进气口声压级总值及阶次噪声水平

3.3进气口噪声声品质分析

如图12所示为发动机台架试验不同稳态工况下，计算处理获得的进气口声压级总值Overall、响度Loudness以及尖锐度Sharpness参数。安装空滤器总成后，进气口声压级总值、响度、尖锐度明显降低。4种工况下声压级总值降低值11.9、12.3、14.1、13.1 dB（A），降低幅度依次为16.0%、12.4%、12.8%、11.5%。响度降低幅值分别为15.5、84.6、166.1、210.0 sone，降低幅度依次为48.3%、60.5%、64.5%、63.3%。尖锐度降低幅值分别为-0.1、0.4、0.5、0.5 acum，降低幅度依次为-7.7%、21.1%、20.9%、19.1%。3个参量基本随发动机转速的升高而呈现递增的趋势，安装空滤器总成后声压级总值的降低值保持较为平稳；响度的降低值则随发动机转速的升高而增大，但降低幅度也相对较平稳；而尖锐度则略有差异，尤其在发动机脱轴怠速工况，进气口噪声尖锐度反而增大了，但增大幅度并非很大。这与怠速稳态频谱分析结论相一致，中高频区域噪声降低并不明显，而中高频成分对声品质参数尖锐度的影响较为敏感，因此出现略微的不降反增的结果。总体而言，安装空滤器总成后，进气口噪声声品质得到了明显的改善，可为后期深入研究发动机进气口噪声声品质提供基础与指导。

图12　各稳态工况进气口噪声声品质指标

4　结语

（1）采用B&K声源及功放、B&K数据采集器，基于Pulse分析系统，于半消声室内实验测试获得空滤器壳体的静态声学特性，并与FEM仿真计算结果相对比，验证了测试数据的可靠性、准确性；

（2）分别通过实验研究了空滤器壳体、滤芯材料的NR、TL，发现滤芯结构的存在，主要对中高频尤其是500 Hz以上消声能力有较高的提升，而对中低频并无显著的作用；

（3）搭建发动机台架试验，对比分析了安装空滤器总成前后进气口噪声的噪声水平。依次通过稳态工况、加速工况试验，发现空滤器总成几乎在全频段对进气噪声均有明显的降噪功能；且分析了进气口噪声声品质水平，发现响度、尖锐度均得到较大幅度的降低，其降低幅度分别高达59.2%，13.4%左右，为进一步研究进气噪声声品质提供基础；

（4）试验中仍不可避免部分测功机传动轴、发动机本体辐射等其它环境噪声影响，导致测试结果产生了略微的误差，需要在后期进行改进与完善。

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Tests ofAcoustic Performance ofAir-filters and Sound Quality of Intake Noise

LIHeng1，ZHENGXu1，LIU Lian-yun2，GAN Qing-liang1
（1.College of Energy Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；2.Brüel&Kjær Dept.Spectris Instrumentation&System Shanghai Co.Ltd.，Shanghai 200125，China）

In order to investigate the acoustic performance of the air-filter assembly，the static noise reduction and transmission loss are measured in a semi-anechoic room.Furthermore，the engine bench test is carried out.Accordingly，the sound pressure level and the sound quality of the intake noise are evaluated.First of all，the acoustic performance of the airfilter is measured and the results are verified though the finite element simulation.Then，the noise reduction and the transmission loss of the air-filter are obtained and analyzed though the tests with/without filter element inside.The results indicate that the filter element performs well in noise attenuation in the frequency range above 500 Hz，but does not so well in the middle-and-low frequency range.Subsequently，the engine bench test is conducted under the condition of steady state and accelerating state.It is found that the air-filter with the filter element inside has good intake noise attenuation effect almost in the whole frequency range.Finally，the intake sound pressure frequency spectrum is acquired in the steady state operation condition and the sound quality is analyzed.In addition，the influence of the air-filter assembly on the loudness and sharpness of the intake noise are analyzed.This work provides a basis for further improvement of the sound quality of the intake noise of internal-combustion engines.

acoustics；air-filter；filter element；noise reduction；transmission loss；sound quality；bench test

TK417+.125

ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.05.016

1006-1355（2016）05-0075-07

2016-04-05

李恒（1989-），男，浙江省兰溪市人，博士研究生，主要研究方向为发动机现代设计CAE及进、排气系统NVH性能研究。E-mail:alfred0622@163.com