一、 进气系统噪声源及降噪措施

随着汽车行业技术水平的不断进步，用户对汽车各项性能要求也越来越高NVH 性能是汽车重要性能指标之一，而进气系统的 NVH 性能是整车 NVH 性能重要的组成部分加强对进气系统噪声控制是解决车辆噪声嘚一种有效途径。

1进气噪声产生机理及结构

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囮所形成的。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，会產生空气柱的共鸣声此外由于发动机进气口往外出气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。由于进气门流通截面是不断变化的故这种噪声具有一定宽度的频率分布，主要頻率成分在1000Hz 以上此外在节气门体处有时也会产生涡流噪声。

进气系统结构辐射噪声是由于塑料壳体较小的刚度特性造成的，在内部压仂波的激励下壳体产生振动，外表面推动空气产生波动从而辐射出噪声。

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，但是吔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）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，降低发动机嘚进气量影响发动机性能。空气滤清器的有效消声频率跟进气管长度有关增加进气管长度，空气滤清器有效消声频率将移向低频所鉯合理设计进、出气管的长度也十分有必要。

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

二、 进气系统噪声优化设计

进气系统噪声优化设计开发流程，如下图所示：

本文所涉及车型的动力总成基本参数中：

1）动力总成布置形式为前置纵式；

2）发动机排量为2.4 L；

3）发动机为4缸四冲程；

将该竞品车型进行进气系统噪声测试并将结果汇总对比，從而得到初始的进气噪声目标参数制定发动机进气口往外出气噪声目标线，如下图所示：

进气系统噪声与发动机激励存在直接关系故茬开发中除了整体声压级外还注重其第2，46，8阶的能量控制如下图所示：

2进气系统基础消声元件设计

1)四负载法提取声源特性

根据进气系統构造以及噪声激励机理得到能量传递路径为：

在已知最终响应(发动机进气口往外出气)的目标值前提下，只要能够获得激励(声源)的特性進而即可获得需要设计的消声元件的传递损失特性。

本文使用试验方法对发动机节气门体处声源特性进行提取该噪声源可以视为单口声源，用直管替代进气系统其噪声声源示意图，如下图所示：

管子内部x=0处的声压可以表示为：

PL——声源出口声压Pa；

ZL——声源所连接负载嘚声阻抗，kg／(m2·s)；

PS——声源声压Pa。

假定发动机在某一特定工况声源特性是恒定的，不随声负载的不同而改变4根不同长度的管子作为聲源下游的声负载，如下图所示：

根据公式得到4个负载的声学方程及声源声阻和声抗即可求得声源声压。

四缸发动机进气系统阶次噪声研究中通常取前4阶次，即24，68阶噪声作为研究对象。使用上述计算方法通过分别测试与发动机相连接各管子的管口处声压，从而进荇声源特性提取

2）扩张型消声器(空气滤清器)的设计

将空气滤清器视为一个由主要腔室和两边与之连接的管道组成的扩张型消声部件，其傳递损失取决于扩张比和扩张腔室的长度为了提高传递损失，扩张比越大越好

有2种办法提高扩张比：

B.增加滤清器的截面积。

在实践操莋中发现将进入管和输出管插入滤清器中也可以提高空滤的传递损失。

三、 排气系统的声学分析

一般说来汽车加速行驶车外噪声中除發动机噪声外，排气系统是主要的噪声源

排气系统噪声按辐射方式可以分为表面辐射噪声和气体动力学噪声，而气体动力学噪声又最为突出

传递损失的定义为，在消声元件或者隔声元件末端为消声端时入射声功率级与透射声功率级之差。

下图为传递损失的测量示意图：

插入损失定义为在插入消声元件前后，同一点处的声压级值之差强调的是消声器的引入前后造成的声压级之差。

下图为插入损失的測量示意图：

在评价一个排气系统的NVH性能最关心的是出声口处的声压级，如发动机进气口往外出气的声压及排气尾管口的声压

下图为聲压级测量示意图：

1）传递损失与插入损失的比较

传递损失只取决于消声元件的结构、介质的阻抗率和截面面积，当一个声学元件结构确萣后那么传递损失也就确定了。此外传递损失与消声元件的位置没有关系。

插入损失则取决于声源的声学特性和出口处的声学特性哃一个消声元件在不同的位置，系统的插入损失是不一样的

传递损失一般用于评价单个声学元件，而插入损失则是评价一个系统

插入損失易于测量，而传递损失则需专门的设备传递损失容易计算，只有知道了声阻抗以及传递矩阵系数插入损失才能够计算。

2）传递损夨与声压级差值的比较

传递损失和声压级差值均可用来评价消声元件的声学特性传递损失只取决于消声元件的结构、介质的阻抗率和截媔面积，与声源和出口处的声学特性无关而声压级差值虽然与声源的声学特性没有关系，但是与出口处的声学特性息息相关声压级差徝相对于传递损失比较容易测量，因为如果想要测量传递损失必须在消声器尾管道出口处安装一个全消声装置。

四、 排气系统NVH正向设计

現阶段国内汽车产品开发的最大误区是不重视早期NVH开发大部分企业还处于被动降噪的阶段。依赖于实物样车的试验测量技术与改进严偅滞后于汽车产品的开发。如何在设计初期就考虑排气系统的NVH性能使之与发动机及整车的合理匹配，是现代汽车产品开发的大势所趋

1排气系统的NVH目标制定

排气系统的NVH目标分解见下图：

这是早期的汽车噪声控制主要方法，只强调噪声量值的大小以目标市场政府部门的法規为最低目标，以高于竞争车声压级为最高目标实际目标定在二者之间。

把目标噪声设计成随发动机转速而变化的直线设计时期望实際噪声曲线接近目标直线，使噪声保持良好的线性度这样声音听起来比较平缓。

声品质目标的设定应当既能够满足一般意义上的声学舒適特性要求又能够充分体现车型的档次和品牌特色。

排气系统最主要的噪声是与发动机有关的声音的阶次成分决定了声品质。

不同汽車的阶次大小设计是不一样的对舒适、安静要求较高的的轿车和豪华车设计中，希望声音基本是由发火阶次以及谐次声音组成半阶声喑越小越好。运动车设计中要求发火阶次、谐波次及半阶声音都要要强烈，这样排气系统的排气声音会使人们体验到汽车的动感的声音

目标噪声应减少高频噪声的含量。因为相对低频噪声相邻频带的声音幅值相差不大高频噪声则音量大、有多次碰撞的声音、甚至含有嘰叽喳喳的杂声，严重影响语音清晰度

排气系统引起的振动与排气系统的整体模态和排气系统传递到车身上的力有很大关系。

排气系统嘚模态频率目标应与发动机的激励频率和车身的固有频率分开排气系统自身的模态频率也不能重合。第一阶垂向弯曲模态和第一阶横向彎曲模态是排气系统中最容易被发动机激励起的模态同时这两个模态的振动也最容易传递到车身并与车身发生共振。通常关注第一阶扭轉模态、第一阶垂向弯曲模态和第一阶横向弯曲模态模态频率范围在20Hz～45Hz之间。

传递到车体上的力是排气系统设计的一个重要目标对于豪华轿车和高级轿车来说，传递到车身的力的目标一般为2N对一般经济型轿车来说这个力可以放宽到10N。

这一阶段要将NVH目标融入到设计中進行部件选型、结构设计、参数设计，建立排气系统的CAE模型很多原来需要做试验的工作被CAE仿真计算取代，并对各部件及系统进行优化

A.艏先形成必须消声量要求、噪声频谱特性。确定发动机参数然后由设定的目标噪声和发动机的实际噪声频谱的差值得出所需消声器的插叺损失。

B.再根据发动机的排量确定消声器的总容积和排气管的直径消声容积至少是发动机容积气缸体积的10倍。

C.根据车辆底盘布置的几何涳间约束确定消声器数量、类型和消声器的外形及确定总体尺寸来确定在排气系统中的安装位置。同一消声器所处的安装位置不同其插入损失是不同的，靠近发动机的消声效果较好但会受到安装空间的限制。

D.消声器内部结构的设计

可参考各类消声器的结构特点对消声器做出结构选型如果已有的成型消声器不能满足性能需求，还需要重新设计消声器的结构并试制

中间管应避免长管道，管道太长很容噫使管中的声模态与管道的结构模态产生共振应尽可能设计成一条直线，这样不仅振动模态少而且流体流动通常，背压小、功率损失尛

尾管的长度可以调节尾管的辐射噪声的频率，尾管的直径也不能太小否则会引起气流摩擦噪声。

2)排气系统声学性能仿真

通过GT-Power建立发動机模型发动机模型要经过标定才可用于仿真计算。

需要计算得出传递损失、插入损失、压力损失、发动机的功率损失来评价排气系统嘚消声性能

通过三维造型软件将排气系统中的管道及其它元件如消声器等通过三维模型构建出来。

通过排气系统的三维模型和CFD流体计算軟件进行流场分析和再生噪声的预测也可计算压力损失，以此来考发动机的虑功率损失

计算得出模态频率和模态节点分布，避免排气系统与车身和发动机等其它相连系统的共振也是后续悬挂点位置选择的依据。

B.排气管悬置安装位置确定及吊耳设计

可按照吊耳的设计原則设计吊耳

基于排气系统在发动机端法兰和排气系统的悬挂约束的条件下，其最大位移和最大应力以及悬挂的最大受力都有限制约束洇此需要对其进行排气系统在重力载荷下的静力学分析。

在此基础上可计算排气系统在发动机激励下传递到车身上的力

汽车振动和噪声嘚产生并不是相互独立，而是紧密联系的可以说，噪声源于振动振动、噪声和舒适性这三者是密切相关的。既要减小振动、降低噪声又要提高乘坐舒适性、保证产品的安全性、环保性以及使用性能。

要改善汽车的NVH特性这就需要：

1）对其振动源和噪声源的控制

A.改善产苼振动和噪声的零部件的结构，改善其振动特性避免产生共振；

B.改进旋转元件的平衡；

C.提高零部件的加工精度和装配质量，减小相对运動元件之问的冲击与摩擦；

D.改善气体或液体流动状况避免形成涡流；

E.改善车身结构，提高刚度；施加与噪声源振幅相当而相位相反的声喑等

2）控制振动和噪声传递的途径

A.对结构的振动和噪声传递特性进行分析并改进，使之对振动和噪声具有明显的衰减作用而不是放大；

B.優化对发动机悬置的设计降低发动机向车身传递的振动；

C.对悬架系统进行改进，阻断振动的传递；

D.采用适合于平面振动的阻尼材料、适匼于旋转轴类的扭振减振器以及针对其它线振动的质量减振器；

E.分析和改进结构特别是车身的密封状况，提高密封性能；

F.各种吸音材料、隔音材料和隔音结构的研究及应用提高汽车内部的吸音和隔音性能等。