韓坤 屈曉峰 宋艷冗

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

帶穿孔管空氣濾清器傳遞損失性能研究

韓坤 屈曉峰 宋艷冗

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

針對(duì)某越野車進(jìn)氣口噪聲引起車內(nèi)噪聲大的問(wèn)題，采用GT-POWER軟件計(jì)算空氣濾清器傳遞損失，結(jié)果顯示其傳遞損失偏低，從而導(dǎo)致進(jìn)氣口噪聲大。研究穿孔管消聲器傳遞損失特性與穿孔率的關(guān)系，基于研究結(jié)果設(shè)計(jì)了帶有穿孔管的空氣濾清器以提高傳遞損失。經(jīng)實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，傳遞損失增加后進(jìn)氣口噪聲和車內(nèi)噪聲減小，即新空氣濾清器有效。

主題詞:進(jìn)氣噪聲 空氣濾清器 傳遞損失 穿孔管

1 前言

空氣濾清器是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)最重要的消聲元件，對(duì)降低進(jìn)氣噪聲以及整車噪聲水平至關(guān)重要。國(guó)內(nèi)研究學(xué)者對(duì)空氣濾清器的理論和仿真計(jì)算研究較多，且仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性好[1～6]。評(píng)判空氣濾清器消聲性能的一個(gè)重要參數(shù)是傳遞損失。增加空氣濾清器體積可以提高空氣濾清器傳遞損失，但發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間有限，因此通過(guò)改變空氣濾清器本身的結(jié)構(gòu)來(lái)提高其消聲能力尤為重要。本文針對(duì)某車在1 350 Hz進(jìn)氣口噪聲較大的問(wèn)題，對(duì)空氣濾清器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在其出口位置添加穿孔管結(jié)構(gòu)，以提高空氣濾清器的傳遞損失。

2 空氣濾清器進(jìn)氣噪聲理論計(jì)算方法

2.1 擴(kuò)張消聲器理論

空氣濾清器在不考慮濾芯時(shí)是一個(gè)擴(kuò)張消聲器，從結(jié)構(gòu)（圖1）角度定義擴(kuò)張消聲器的傳遞損失為[7]:

式中，m=S2/S1為擴(kuò)張比；L為擴(kuò)張腔的長(zhǎng)度；λ為波長(zhǎng)；TW為傳遞功率系數(shù)。

圖1 擴(kuò)張腔結(jié)構(gòu)

當(dāng)空氣濾清器空間確定后，其傳遞損失也基本確定，若提高傳遞損失，則要改變空氣濾清器內(nèi)部空間。

2.2 基于GT-POWER傳遞損失計(jì)算原理與方法

從能量角度定義傳遞損失TL為：

式中，LW1和LW2為入口和出口的升功率級(jí)；W1和W2為入口和出口的升功率；p1和p2為入口和出口位置的聲壓。

GT-POWER軟件計(jì)算傳遞損失是利用基于能量角度定義的公式，該軟件基于一維非線性流體動(dòng)力學(xué)模型，以時(shí)域方法為理論基礎(chǔ)，采用有限體積法計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)氣體的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

3 某車型進(jìn)氣噪聲問(wèn)題分析

3.1 問(wèn)題來(lái)源

某車加速試驗(yàn)時(shí)，測(cè)得車內(nèi)噪聲如圖2所示。

圖2 加速工況車內(nèi)噪聲總級(jí)曲線

由圖2可知，在1 700 r/min時(shí)存在峰值，影響了曲線的線性度，表明在該轉(zhuǎn)速時(shí)噪聲過(guò)大。

加速時(shí)進(jìn)氣口噪聲測(cè)試結(jié)果如圖3所示。可知，在1 700 r/min時(shí)進(jìn)氣口噪聲峰值與圖2峰值一致，即進(jìn)氣口噪聲趨勢(shì)和車內(nèi)一致，進(jìn)氣口噪聲大導(dǎo)致車內(nèi)噪聲增加。

圖3 加速工況進(jìn)氣口噪聲總級(jí)曲線

圖4為對(duì)應(yīng)圖3的頻率圖。在縱坐標(biāo)1 700 r/min、橫坐標(biāo)1 335 Hz處存在噪聲帶，圖3和圖4在1 700 r/min時(shí)的峰值可以認(rèn)為由1 330 Hz頻率引起。

圖4 加速工況進(jìn)氣口頻率圖

3.2 空氣濾清器傳遞損失計(jì)算

基于以上原理和方法，在GT-POWER中進(jìn)行空氣濾清器傳遞損失計(jì)算，圖5為空氣濾清器傳遞損失計(jì)算結(jié)果。

文獻(xiàn)[6]指出，在1 600 Hz以下，GT-Power軟件預(yù)測(cè)消聲性能有較高的有效性和精度，因此重點(diǎn)關(guān)注1 600 Hz以內(nèi)的傳遞損失。該計(jì)算結(jié)果表明，在1 300 Hz處空氣濾清器傳遞損失存在谷值，傳遞損失小而造成進(jìn)氣口噪聲大，與進(jìn)氣口試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果一致。因此，需要優(yōu)化空氣濾清器的傳遞損失。

圖5 傳遞損失計(jì)算結(jié)果

4 空氣濾清器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

針對(duì)該車型進(jìn)氣噪聲問(wèn)題，在原空氣濾清器的出口位置增加穿孔管結(jié)構(gòu)，改進(jìn)前后的空氣濾清器模型如圖6所示。

圖6 空氣濾清器結(jié)構(gòu)示意

4.1 傳遞損失隨穿孔率的變化

為了研究新空氣濾清器的性能，首先考察穿孔管上小孔的直徑和個(gè)數(shù)對(duì)穿孔管消聲器傳遞損失的影響。

圖7為一個(gè)直通的穿孔管消聲器模型，在GT-POWER中建模，其由一個(gè)方腔和圓形的穿孔管組成，方腔的邊長(zhǎng)為90 mm，長(zhǎng)度是130 mm，穿孔管的長(zhǎng)度是140 mm，管直徑是65 mm。在穿孔管上分別均布表1中所列個(gè)數(shù)和直徑的孔，保持個(gè)數(shù)不變，增加孔徑來(lái)增加穿孔率。

圖7 穿孔管模型

由GT-POWER分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)的傳遞損失，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，隨著穿孔率的增加，傳遞損失曲線右移，達(dá)到相同傳遞損失值對(duì)應(yīng)的頻率變大。因此，可以通過(guò)改變穿孔率使穿孔管消聲器作用于目標(biāo)頻段。在1 300 Hz頻段內(nèi)，孔徑由3 mm變化到4 mm，傳遞損失所能達(dá)到的最大值逐漸增大，而孔徑由4 mm增加到5 mm，傳遞損失所能達(dá)到的最大值逐漸降低。

表1 孔徑和個(gè)數(shù)

圖8 不同孔徑傳遞損失對(duì)比

4.2 穿孔率不變傳遞損失對(duì)比

以孔徑4 mm，個(gè)數(shù)120時(shí)的穿孔率為基準(zhǔn)，保證穿孔率基本不變，改變孔徑和個(gè)數(shù)，可得表2所示穿孔方案。

表2 穿孔率不變穿孔方案

由GT-POWER分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)的傳遞損失，結(jié)果如圖9所示。

圖9 相同穿孔率傳遞損失對(duì)比

由圖9可知，在800 Hz以內(nèi)，4條傳遞損失曲線基本重合，800～1 600 Hz時(shí)，曲線差異化明顯，但峰值對(duì)應(yīng)的頻率基本相同，峰值隨小孔直徑的增加而變大，即穿孔率相同的穿孔管消聲器作用頻段不變。

5 新空氣濾清器傳遞損失計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 新空氣濾清器傳遞損失計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)方案及對(duì)穿孔管消聲器的研究，穿孔管設(shè)計(jì)為孔徑4 mm，均布120個(gè)。GT-POWER對(duì)該空氣濾清器難以離散化，為簡(jiǎn)化空氣濾清器結(jié)構(gòu)，將空氣濾清器拆分為擴(kuò)張腔和穿孔管兩部分，如圖10所示。在GT-POWER軟件中，對(duì)擴(kuò)張腔和穿孔管分別進(jìn)行離散化，通過(guò)兩者串聯(lián)的方式計(jì)算出空氣濾清器的傳遞損失，結(jié)果如圖11所示。

圖10 新空氣濾清器簡(jiǎn)化示意

圖11 新、舊空氣濾清器傳遞損失對(duì)比

由計(jì)算結(jié)果可知，新空氣濾清器的傳遞損失在600 Hz處及1 200 Hz以后都有明顯提升，解決了原空氣濾清器在1 300 Hz附近傳遞損失偏小的問(wèn)題。

5.2 新空氣濾清器實(shí)車試驗(yàn)

將新空氣濾清器安裝在原試驗(yàn)車輛上，測(cè)量原車輛加速時(shí)車內(nèi)噪聲和進(jìn)氣口噪聲，圖12為加速工況車內(nèi)噪聲的Overall曲線。

圖12 加速工況車內(nèi)噪聲對(duì)比

由圖12可知，在1 600 r/min以下新空氣濾清器噪聲曲線在上方，噪聲增加；1 600～3 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，新空氣濾清器曲線在原空氣濾清器曲線的下方，噪聲減小，尤其在1 700 r/min處曲線峰值明顯降低；3 000 r/min以后，空氣濾清器的降噪效果對(duì)整車噪聲影響不明顯，因而曲線無(wú)大的差別。更換空氣濾清器后曲線線性度提高，車內(nèi)噪聲降低了約1.5 dB（A）。

圖13為加速工況進(jìn)氣口噪聲的Overall曲線。

圖13 加速工況進(jìn)氣口噪聲對(duì)比

由圖13可知，1 600 r/min以下，由于共振頻率的降低導(dǎo)致新空氣濾清器的曲線在原來(lái)的上方；進(jìn)氣口噪聲在轉(zhuǎn)速1 700 r/min時(shí)的峰值明顯降低，在1 700～3 300 r/min，由于新空氣濾清器傳遞損失增加，使得噪聲減?。? 300 r/min以上，新空氣濾清器噪聲曲線在原空氣濾清器噪聲的上方，這主要是因?yàn)榇┛坠芙Y(jié)構(gòu)使得氣阻和氣流再生噪聲增加，氣流再生噪聲以中高頻為主，輻射功率與氣流速度的6次方成正比，因而隨轉(zhuǎn)速的提高，氣流再生噪聲增加，新空氣濾清器噪聲曲線在原空氣濾清器噪聲曲線上方，但相差不大。

圖14為新空氣濾清器進(jìn)氣口噪聲的頻率圖。

圖14 新空氣濾清器加速工況進(jìn)氣口頻率圖

由圖14可知，1 335 Hz處的噪聲帶消聲，因此可以判斷車內(nèi)噪聲和進(jìn)氣口噪聲降低是由新空氣濾清器在1 350 Hz處傳遞損失增加導(dǎo)致的，這與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)，因而可以證明仿真計(jì)算是正確的。

6 結(jié)束語(yǔ)

a.仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的一致性表明，新空氣濾清器增加了目標(biāo)頻率對(duì)應(yīng)的傳遞損失，降低了進(jìn)氣口噪聲和車內(nèi)噪聲，因此帶有穿孔管的空氣濾清器可以用來(lái)降低整車噪聲水平；

b.空氣濾清器消聲性能限于發(fā)動(dòng)機(jī)艙室空間的限制，但可以改進(jìn)空氣濾清器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提升其性能，降低進(jìn)氣口噪聲，降低對(duì)整車噪聲的貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2016年3月22日。

Research on the Transmission Loss of Air Filter with Perforated Pipe

Han Kun,Qu Xiaofeng,Song Yanrong
（Beijing Automotive Technology Center,Beijing 101300）

Intake noise of an off-road vehicle causes high interior noise,to solve this problem,the transmission loss of air filter is calculated by GT-POWER,which shows that the transmission loss is low leading to high noise at the air intake.The relationship is studied between the transmission loss characteristics of perforated pipe and muffler and punching rate.A new air filter with perforated pipe is designed based on the research to increase transmission loss.The vehicle test showed that,after the transmission loss is increased,the noise at the air intake and the interior is reduced,verifying the effectiveness of the new air filter.

Intake noise,Air filter,Transmission loss,Perforated pipe

U464.134+4

A

1000-3703（2016）11-0016-04