车用空气滤清器减声量优化研究 - 文章

车用空气滤清器减声量优化研究

作者：同济大学封珺周鋐

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摘要：减声量是系统声学性能指标之一，表征了空滤抑制从发动机处传出噪声的能力。本文以减声量为评价指标，采用试验手段对某车用空气滤清器消声性能进行优化。分别设计了导流管、1/4 波长管和穿孔板结构提高目标频率减声量并对各种措施的的效果进行了分析讨论。试验结果表明，原空滤在改进后减声量得到了很好的改善。
关键词：减声量空气滤清器插入管 1/4 波长管穿孔板

1 引言

车用空气滤清器安装于发动机舱，一端与发动机进气歧管相连，另一端与大气相通，主要起到过滤空气杂质功能。发动机工作噪声可通过空气滤清器经空气传播在空滤的进气口形成噪声源；另一方面空滤进气口布置接近乘坐室，成为影响车内噪声水平的重要因素之一。随着目前对车内噪声要求越来越高，要求空滤的设计除了最基本的过滤空气的功能，必须考虑消声能力，尽可能降低通过空滤的发动机工作噪声。

车用发动机一般采用活塞式，其进气噪声主要与发动机发火频率有关。减声量是评价空滤消声能力的重要指标，表征了空滤抑制从发动机处传出噪声的能力。本文基于试验方法，对某车用空气滤清器进行改进设计，以提高主要频率的消声能力，从而达到优化目的。文中主要以插入管、1/4 波长管和穿孔板结构为例，分析了这几种结构对空滤减声量的影响。

2 减声量简介

消声元件的消声特性可以用减声量（Level Difference）来描述。减声量为声学系统进出口声压级差，减声量越大，表明系统声学特性越好，降噪的能力越强。减声量测量系统如图1 所示，传声器1 和2 分别布置于噪声入口和出口，测量点的声压级分别为L1 和L2，那么减声量可以表示为：

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图 1 减声量测量示意图

3 空滤减声量优化改进设计

某车型空气滤清器原型由进气管、壳体、波纹管、滤芯等组成，壳体内部被分为三个膨胀腔，滤芯安装在中间膨胀腔。空气由进气管进入空滤内部，通过滤芯由波纹管到达发动机进气歧管；发动机噪声传递路径恰相反。该空滤在实车使用中发现325Hz、620Hz 和750Hz 下消声效果不太理想，需要改进。

一般消声系统的消声能力与其空腔大小有关，改善空滤消声效果的方法很多，如共振腔法等[1]。优化方法的选择一方面受到整车布置空间的限制，如共振腔法需要较大安装空间，受到发动机舱内狭小空间限制较难获得满意效果；另一方面若重新设计壳体对于批量生产成本很高。基于以上考虑对该空滤拟采用以下几个措施：插入管（导流管）、1/4 波长管和穿孔板结构。

3.1 进气口导流管

在空滤进气口末端安装导流管，导流管伸入空滤壳体内部，位于滤芯下方，使空气经由滤芯到空滤出口，满足空气流动要求的同时，能提高空滤降噪能力的作用。导流管设计借鉴了消声元件的插入管。导流管插入长度La 与共振频率关系如式2，通过调节导流管插入长度，可调节消声频率。导流管插入长度同时受到空滤壳体内部空间限制，最后设计导流管插入长度130mm，作用频率620Hz。

f=c/4La

C——声速
La——插入管长度，
F——共振频率。

3.2 1/4 波长管

空滤 1/4 波长管一般是安装在空气出口处主管上的一根封闭管。声波进入波长管后被封闭端反射回主管，一些频率的声波与主管中相同频率的声波由于相位相反而抵消，从而达到消声作用。1/4 波长管共振频率为：

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其中，n 为共振阶次，L 为管长，r 为波长管半径，c 为声速。

影响波长管消声效果的参数为波长管截面积和长度，波长管截面与主管截面比值越大，降噪的幅值越大，频带也越宽[2]。在截面和长度一定的情况下，波长管形状不影响其消声效果。在空间受限的情况下，可将其设计为曲线形。

此外，波长管在系统中的消声效果不仅与其自身设计结构有关，还与其安装位置相关。一般应安装在其共振频率对应的主管声学响应最大处能获得满意效果。以管长300mm 的1/4 波长管为例，共振频率为295Hz。图2 为空滤使用间接边界元方法仿真计算295Hz 下声学响应。模型使用混合的面网格，网格大小20mm，在空滤与发动机相连的波纹管端面施加单位振速激励作为边界条件。这样计算声学响应接近实际情况[3]。

设计两根波长管，直径28mm，长度分别为260mm 和300mm，共振频率分别为295Hz 和342 Hz。295Hz和342Hz 理想安装位置即对应频率声学响应最大位置在波纹管端面向内40~50mm，为方便空间布置最后位置定在波纹管端面向内40mm。

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图 2 用空滤声学响应确定波长管最佳安装位置

3.3 穿孔板结构

穿孔结构是共振式吸声结构在噪声控制中的工程应用。穿孔结构不需要外加附件，不受布置空间约束比较灵活。穿孔结构一般在刚性壁前一定距离安装穿有小孔的板，穿孔板连同后面的空间形成了许多类似并联的共鸣器[4]。共振频率为：

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σ——穿孔率，
W，L——相邻两孔间宽度和长度，
D——空腔深度，
l——穿孔的有效长度，
0 l ——插入管实际插入长度。

穿孔板结构设计在导流管上，每面布置4 个呈矩形分布的φ3.5mm 小孔，共16 个孔，小孔间距长度20、宽度15。由于空滤打孔位置与理想穿孔板结构略有不同，空腔形状不规则取平均深度35mm，理论计算共振频率约在750Hz。

4 试验分析

4.1 减声量测量试验

减声量试验台架如图3 所示。试验系统由声源、功率放大器、试件（空气滤清器及其消声附件）、传声器（麦克风），数据采集系统等组成。将空滤悬挂，其与发动机相连的波纹管连接声源。传声器1 布置在波纹管端面侧，采集进入系统的声压信号；传声器2 布置在离空滤空气进口10mm 处，采集经空滤传播出的声压信号。试验在消声室中进行，试验声源、声源与空滤连接处需密封。

试验声源用50~2000Hz 白噪声激励，保证需要的频率段均有能量分布。声源设计需要考虑以下两个方面：声源与测试件连接和声源本身的声音泄漏。声源原型为一直径56mm 的低频喇叭，通过设计的套筒与空滤波纹管（直径26mm）衔接，如图3。套筒空腔内壁为光滑金属表面，呈锥形以减小声音传播损失。

套筒一端用螺纹与声源端面对接，对接面附加橡胶垫圈和隔声材料减少声音泄漏；套筒另一端为开有安装孔的短管与空滤波长管过盈配合，传声器1 布置在安装孔内。将声源及套筒用多层阻尼和隔声材料密封，可以有效减少声源本身外泄声音。

声源可靠密封，是试验成功的保证。试验开始前，首先应对试验可靠性进行验证：1）本底噪声测试。测试声源出口开放和封闭两种工况下环境本底噪声。结果显示声源出口封闭时本底噪声为24dB，与目标噪声（声源出口开放）差值在20db 以上，说明声源密封能满足试验要求。2）一致性测试。由减声量定义可知，减声量大小与声源大小、类型无关，运用这一特性可确定台架可靠性。将空滤与声源按试验要求安装，分别给予声源不同类型（白噪声、粉红噪声）和不同幅值激励，测量得到系统减声量一致。

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图 3 减声量试验台架

优化研究主要关心频率在1000Hz 以下。测试过程中，声源采用白噪声激励，声压信号采样频率4096Hz，信号长度25S。为考察各消声措施对系统减声量影响，试验方案如下：1）空滤进气口末端加入导流管；2）在前者基础上增加长度260mm 和300mm 波长管；3）在前者基础上，在导流管开孔。

4.2 数据分析

图 4 为原型和增加导流管后空滤减声量试验结果。增加导流管后在620Hz 频段减声量平缓上升约8Hz，原型在620Hz 的波谷被抑制，与预期效果较吻合；但导流管使得减声量800Hz 以后下降了8~10Hz。

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图 4 导流管对减声量影响

加装两个1/4 波长管后如图5，减声量在280 和300Hz 出现峰值，分别比原型增加8dB 和15dB； 840Hz和900Hz 的峰值是由波长管2 阶共振频率引起的。波长管能针对特定频率大幅减声量（幅度与波长管截面与主管截面比值有关[4]），同时也会引起共振频率附近频率减声量骤减，如在300Hz 附近频段减声量的提高直接导致250Hz 减声量骤降25Hz。在设计波长管截面时，应考虑这种负面效应。

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图5 波长管对减声量影响

导流管上小孔结构使得曲线在690Hz 产生峰值，且在680~850Hz 较宽范围内提高减声量，如图6。实际共振频率与理论计算的偏差与小孔位置空腔不规则和打孔时误差有关。穿孔板结构的消声能力与小孔数量成正比关系，当将导流管侧面穿孔结构封闭，小孔数减少一半即8 孔，对应680~850Hz 减声量下降了2~3dB。受到导流管上开小孔影响，650Hz 前频率段减声量略有下降。

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图 6 穿孔板结构对减声量影响

以上分析可知3 种消声措施在各自理论预估的共振频率效果都比较理想，但在共振频率外一定频率段会使减声量有所下降，下降幅值和增加幅值有关。将以上消声措施逐级增加到空滤原型上，综合效果如图7。特定频率减声量的增减，往往由几个消声措施相互叠加或抵消的综合效应决定。以600Hz 为例，该频率处在导流管有效作用频率范围和穿孔结构负效应范围，只有导流管时，减声量达到50db 比原型提高6dB，而保持导流管并加入穿孔结构后抵消了部分消声效果，减声量仅有46dB，比原型仅高出2dB。所以，在设计消声结构时，应考虑到结构产生的负效应，适当设计消声效果（幅值），避免非共振频率减声量骤减及消声措施间效果互相抵消，降低系统整体消声能力。

在原型上增加全部三种消声措施，有效提高空滤消声效果在保持原空滤宽频带较高的消声效果的同时，有效提高在295Hz、620Hz 和750Hz 下减声量，达到了较为满意的效果，对原空滤结构改动是比较成功的。

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图 7 采取消声措施后减声量试验结果

5 小结

运用减声量试验对空滤减声量进行优化，分别讨论了插入管（导流管）、1/4 波长管和穿孔板结构三种消声措施，并同时应用多种消声措施优化空滤消声性能。试验结果表明应用以上结构改造空滤原型后得到较满意的消声效果。

文中讨论了波长管安装位置、穿孔结构孔数等对减声量影响，并比较了几种消声措施综合效果。一般消声措施在其共振频率范围能提高减声量，但同时会引起附近频率减声量下降，在设计消声结构时应考虑到结构之间相互作用，提高整体消声效果。减声量试验方法和结果分析对空滤消声的工程应用起到良好的指导作用。

参考文献
【1】贾维新，郝志勇. 空滤器声学性能预测及低频噪声研究. 内燃机工程2006.10.
【2】庞剑. 汽车噪声与振动. 北京理工大学出版社.
【3】Ronaldo F. Nunes, Celso F. Noguelra and Marcos A. Argentino, Dieter Hackenbroich. Development of an air intake system using vibro-acoustics numerical modeling. SAE2001
【4】何琳，朱海潮. 声学理论与工程应用. 科学出版社(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/22/2011)


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