孫中政 雷坤 王宇飛 韓旭

(杜邦中國(guó)研發(fā)管理有限公司 上海 201203)

0 引言

汽車輕量化是當(dāng)前工程師不斷努力的方向，作為汽車動(dòng)力總成的重要組成部分的汽車進(jìn)氣管道，以塑料替代金屬后，通?？梢詼p重30%以上，從而促進(jìn)節(jié)能減排；如以全制造周期來(lái)看，總成本可降低20%。在實(shí)際應(yīng)用開發(fā)中，聚己二酰己二胺(尼龍66)塑料材料能夠滿足連接渦輪增壓器的進(jìn)氣管道所需的在汽車使用壽命周期內(nèi)的耐油、耐高溫以及疲勞耐久等機(jī)械性能要求，因此渦輪增壓進(jìn)氣管道通常采用尼龍66代替金屬管道。但是在以塑料代替金屬的輕量化過(guò)程中，汽車進(jìn)氣系統(tǒng)存在由發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪增壓器和廢棄再循環(huán)裝置帶來(lái)的噪聲問(wèn)題。通常情況下進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲以進(jìn)氣口噪聲為主，介入消聲器是降低進(jìn)氣口噪聲的常用方法之一。然而渦輪增壓器的連接管路在消聲器前端，靠近噪聲源，因此無(wú)法通過(guò)消聲器降低該段管路內(nèi)的噪聲，特別是一些典型的運(yùn)行工況，如急加速等，會(huì)在一定頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生以該段進(jìn)氣管路的輻射聲和透射聲為主的管外噪聲。由于塑料相對(duì)于金屬密度低，所以塑料進(jìn)氣管路更容易產(chǎn)生這類噪聲問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，這類渦輪增壓器連接管路輻射或者透射的噪聲與管路設(shè)計(jì)和管壁的隔聲性能密切相關(guān)，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)渦輪增壓器連接管道的自身聲學(xué)性能，辨識(shí)并分析出這類噪聲產(chǎn)生的根源。

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和整車實(shí)驗(yàn)是常用的噪聲測(cè)試方式。但是這兩種實(shí)驗(yàn)成本偏高、準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，而且企業(yè)中發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架和整車的實(shí)驗(yàn)資源緊張，僅僅對(duì)于渦輪增壓器連接管道的聲學(xué)性能來(lái)組織這種實(shí)驗(yàn)測(cè)試往往開發(fā)效率偏低，且浪費(fèi)實(shí)驗(yàn)資源。因此，需要找到一種不依靠發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)就能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)管道輻射聲的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法。現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法通常是在測(cè)試管道內(nèi)外分別放置一個(gè)揚(yáng)聲器，取一定時(shí)間內(nèi)的噪聲譜進(jìn)行分析判斷，但是這種方法的測(cè)量結(jié)果與測(cè)試系統(tǒng)有關(guān)，不能準(zhǔn)確得到管道管壁本身的噪聲輻射能力[1]。一般情況下，聲傳遞損失是評(píng)價(jià)管道本身聲學(xué)性能的客觀指標(biāo)，與測(cè)試系統(tǒng)無(wú)關(guān)，因此可以用來(lái)評(píng)價(jià)管道管壁的聲學(xué)性能。對(duì)于單輸入單輸出的管壁聲傳遞損失測(cè)試方法，文獻(xiàn)[1]中做了詳細(xì)闡述，并與其他方法進(jìn)行對(duì)比，表明了傳遞損失測(cè)試方法能夠反映管道管壁自身的聲透射和輻射特性，是一種有效的評(píng)價(jià)方法。對(duì)于目前越來(lái)越多的雙渦輪或單渦輪雙渦管系統(tǒng)的汽車進(jìn)氣系統(tǒng)，則需考慮三通管路的管壁聲傳遞損失，單輸入單輸出傳損測(cè)試方法不再適用。本文針對(duì)某雙渦輪增壓器進(jìn)氣管道，結(jié)合管道內(nèi)聲波傳導(dǎo)特性和空間聲場(chǎng)特性，開發(fā)了多通管路的管道管壁傳遞損失測(cè)試，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)不同頻率下塑料和金屬管道的聲學(xué)性能。在管道內(nèi)基于平面波測(cè)試，管道外采用自由場(chǎng)測(cè)試，再通過(guò)計(jì)算得到管路管壁的聲傳遞損失。三通管道傳遞損失測(cè)試方法能夠準(zhǔn)確辨識(shí)出不同頻率下各段管道通過(guò)管壁透射和輻射的聲學(xué)特性，找到管道隔聲的薄弱環(huán)節(jié)。再結(jié)合近場(chǎng)聲全息和遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成的方法進(jìn)行聲源識(shí)別，找到不同頻率下的主要噪聲來(lái)源，分析噪聲的產(chǎn)生原因。

無(wú)論管道內(nèi)的聲場(chǎng)分解方法，還是自由場(chǎng)測(cè)試的近場(chǎng)全息，以及波束形成方法，均是基于波動(dòng)方程或者頻率域的赫姆霍茲方程，根據(jù)不同邊界條件和格林函數(shù)進(jìn)行源識(shí)別或者特性分析，都有大量文獻(xiàn)做了相關(guān)研究。管道內(nèi)基于平面波的入射反射聲研究，是最基本的方法[2]，對(duì)于高次波分解的方法，亦有許多方法[3?6]，主要有直接法[7]、空間傅里葉法[8]、壓縮感知法[9]等。直接法存在計(jì)算精度的問(wèn)題；空間傅里葉法利用軸向和周向正交性進(jìn)行分解，需要滿足奈奎斯特采樣定理，使用的傳感器數(shù)量非常多；壓縮感知法對(duì)于某幾類聲模態(tài)主導(dǎo)的方法是非常好的，但是如果各聲模態(tài)能量接近，則并無(wú)優(yōu)勢(shì)。近場(chǎng)全息也有許多方法，正則化的空間傅里葉法[10]、等效源法[11]、統(tǒng)計(jì)最優(yōu)的局部全息法[12]、基于球諧函數(shù)法[13]等?？臻g傅里葉變換法存在逆變換的求解精度問(wèn)題；點(diǎn)源的等效源法可以通過(guò)控制源到邊界的距離保證解的唯一性和準(zhǔn)確性；統(tǒng)計(jì)最優(yōu)局部全息法不需要測(cè)量面包含源面，但會(huì)產(chǎn)生相似聲源錯(cuò)誤空間定位；球諧函數(shù)法使用了球源的正交性，是一類精準(zhǔn)方法，只是計(jì)算復(fù)雜度高，基于正交球諧函數(shù)的等效源法對(duì)于復(fù)雜邊界的求解也較困難。遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成也有較多方法，波束陣列需要考慮穩(wěn)健性、增益性、主旁瓣特性等，主要分陣元域、頻域和模態(tài)域。常用的基礎(chǔ)方法是延遲求和波束形成，一類常用的較高精度方法是反卷積法，如反卷積聲源成像(Deconvolution approach for the mapping of acoustic sources,DAMAS)[14]，還有一類是基于貪婪算法的壓縮感知法，如HR-CleanSC[15]。本文管道內(nèi)波導(dǎo)場(chǎng)基于平面波，忽略倏逝的高次波；空間場(chǎng)采用聲功率測(cè)試法和陣列法，陣列的近場(chǎng)為統(tǒng)計(jì)最優(yōu)點(diǎn)源的局部全息法，遠(yuǎn)場(chǎng)為延遲求和波束形成法。

1 理論與測(cè)試系統(tǒng)

1.1 管路管壁傳遞損失理論基礎(chǔ)

以行波表征管道內(nèi)的聲波特性，管道內(nèi)的聲波包含入射波與反射波。管道外聲波包含透射聲波與外界入射聲波，測(cè)試環(huán)境為消聲室，工程應(yīng)用上管道外只存在透射聲波。對(duì)于雙渦管的三通進(jìn)氣管路可建立如圖1所示的聲傳播模型。

圖1 管道管壁輻射聲Fig.1 Duct wall sound radiation

圖1中，P1i為一增壓器側(cè)的測(cè)量管道口處管道內(nèi)入射聲，P1r為一增壓器側(cè)的測(cè)量管道口處管道內(nèi)反射聲，P2i為另一增壓器側(cè)的測(cè)量管道口處管道內(nèi)入射聲，P2r為另一增壓器側(cè)的測(cè)量管道口處管道內(nèi)反射聲，P3i為連接進(jìn)氣端管道側(cè)的測(cè)量管道口處管道內(nèi)入射聲，P3r為連接進(jìn)氣端管道側(cè)的測(cè)量管道口處管道內(nèi)反射聲，Pt為管道向外透射聲，Pd為管道外入射進(jìn)管道聲。

對(duì)于僅考慮管道內(nèi)平面波的情況，每個(gè)管道需要兩個(gè)揚(yáng)聲器分離入射波、反射波，每個(gè)管道至少一種聲源特性共3次測(cè)量求解傳遞向量。管道內(nèi)僅考慮截至頻率內(nèi)的平面波，管道外聲場(chǎng)為消聲室，忽略管道外入射到管道內(nèi)的聲能量，可以得到如下聲壓關(guān)系：

通過(guò)3次測(cè)量，可求解傳遞向量，方程如下：

式(2)中，P1、P2、P3分別為第一、第二、第三次測(cè)量對(duì)應(yīng)的聲壓。

參考多通管道傳遞損失的定義[16]，管道管壁的傳遞損失為僅有單一管道入射聲時(shí)管道外聲功率級(jí)與有入射聲的管道內(nèi)聲功率級(jí)差：

式(3)中，TL為管道內(nèi)外的聲功率傳遞損失，L1in為管道內(nèi)聲功率級(jí)，Lt為管道外聲功率級(jí)，W1in為管道內(nèi)聲功率，Wt為管道外聲功率。傳遞損失與聲功率相關(guān)，而整車測(cè)試時(shí)，通常采用單點(diǎn)揚(yáng)聲器聲壓測(cè)量。因此實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)，分別測(cè)量對(duì)應(yīng)于整車測(cè)量的單點(diǎn)聲壓級(jí)傳遞損失和能夠更好評(píng)價(jià)聲能量特性并與揚(yáng)聲器分布無(wú)關(guān)的傳遞損失。聲壓級(jí)傳遞損失與傳遞損失如下：

其中，SPTL為聲壓級(jí)傳遞損失，tl為管道外透射聲對(duì)單一管道內(nèi)聲壓的傳遞函數(shù)，Si為管道內(nèi)截面面積，St為管道外測(cè)量揚(yáng)聲器包羅面面積。

1.2 測(cè)試系統(tǒng)

為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)汽車渦輪增壓器發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管道使用塑料代替鋁的聲學(xué)性能，分別進(jìn)行管路管壁傳遞損失測(cè)試和聲源識(shí)別。測(cè)試環(huán)境為截至頻率200 Hz、聲壓級(jí)20 dB(A)的半消聲室。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要為B&K的傳感器、數(shù)據(jù)采集器及分析系統(tǒng)，如表1所示。測(cè)試管道包含兩段密閉聲源管路以及一段末端邊界條件可調(diào)測(cè)試管路。每段測(cè)試管路上均布置兩個(gè)0.64 cm壓力場(chǎng)揚(yáng)聲器。管道外按照1 m半球面聲功率測(cè)試方法布置10個(gè)1.27 cm自由場(chǎng)揚(yáng)聲器。采用聲強(qiáng)探頭和30通道的聲學(xué)相機(jī)分別進(jìn)行聲源識(shí)別，聲學(xué)相機(jī)的測(cè)試頻率為140 Hz～12 kHz，空間分辨率為50～30 mm；其中近場(chǎng)測(cè)試頻率為140～2810 Hz，近場(chǎng)測(cè)試要求在一個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)，實(shí)際測(cè)試時(shí)，為0.1 m以內(nèi)。

表1 測(cè)試系統(tǒng)元件Table 1 Test system comp onent

2 管道聲學(xué)性能測(cè)試

2.1 管路管壁傳遞損失測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)采用兩個(gè)聲源、8個(gè)0.64 cm壓力場(chǎng)揚(yáng)聲器進(jìn)行測(cè)量，如圖2所示。本次測(cè)量的管道內(nèi)徑是40 mm，因此(1,0)階截止頻率為4900 Hz。在管道內(nèi)傳遞矩陣測(cè)試時(shí)，可以改變末端管道長(zhǎng)度從而提供不同聲邊界，而管道管壁測(cè)試需要管道內(nèi)聲音封閉，管道內(nèi)聲音從測(cè)量管道處產(chǎn)生。

圖2 聲壓級(jí)傳遞損失測(cè)試Fig.2 Sound pressure level transmission loss test system

本次測(cè)試為平面波范圍內(nèi)對(duì)管道管壁進(jìn)行傳遞損失測(cè)試。兩個(gè)喇叭分別在兩測(cè)量管發(fā)聲提供兩種管道聲學(xué)邊界，然后改變第3個(gè)測(cè)量管道的末端聲學(xué)條件滿足3次測(cè)量要求。每個(gè)測(cè)量管道采用兩個(gè)壓力場(chǎng)麥克風(fēng)對(duì)入射波和反射波進(jìn)行分離，對(duì)于3個(gè)管路，共用6個(gè)麥克風(fēng)進(jìn)行測(cè)試(測(cè)點(diǎn)1～6)。基于公式(2)求解管道內(nèi)外傳遞函數(shù)向量，從而得到傳遞損失。本次測(cè)量，管道外采用兩種分布，一種是在測(cè)量管道上方10 mm處布置3個(gè)揚(yáng)聲器(測(cè)點(diǎn)7～9)，測(cè)量對(duì)于輸入管道1、2(1、2號(hào)聲源)的聲壓級(jí)傳遞損失，這種方法的測(cè)量結(jié)果更接近實(shí)車測(cè)試結(jié)果；另一種是在1 m半球形上布置10個(gè)自由場(chǎng)揚(yáng)聲器測(cè)量對(duì)輸入管道1、2的傳遞損失，傳遞損失反映了管道內(nèi)外聲能量特性，與測(cè)試系統(tǒng)和揚(yáng)聲器分布無(wú)關(guān)，能更準(zhǔn)確提供各頻率聲學(xué)性能。針對(duì)汽車渦輪增壓器塑料管道和金屬管道，分別測(cè)量3個(gè)管道外揚(yáng)聲器對(duì)連接渦輪增壓器的兩個(gè)管道的聲壓級(jí)傳遞損失，測(cè)試結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)7對(duì)1號(hào)聲源的聲壓級(jí)傳遞損失Fig.3 Sound pressure level transmission loss between Test Point 7 and Source 1

圖4 測(cè)點(diǎn)7對(duì)2號(hào)聲源的聲壓級(jí)傳遞損失Fig.4 Sound pressure level transmission loss between Test Point 7 and Source 2

圖5 測(cè)點(diǎn)8對(duì)1號(hào)聲源聲壓級(jí)傳遞損失Fig.5 Sound pressure level transmission loss between Test Point 8 and Source 1

圖6 測(cè)點(diǎn)9對(duì)1號(hào)聲源聲壓級(jí)傳遞損失Fig.6 Sound pressure level transmission loss between Test Point 9 and Source 1

聲壓級(jí)傳遞損失結(jié)果表明，在2200～3700 Hz，塑料件的隔聲量明顯差于金屬件，是需要改進(jìn)的地方。分別測(cè)試金屬件和塑料件對(duì)渦輪增壓連接管路的傳遞損失，結(jié)果如圖7、圖8所示。傳遞損失測(cè)試結(jié)果也表明在2200～3700 Hz，塑料件的隔聲量也差于金屬件。

圖7 對(duì)1號(hào)輸入管道的傳遞損失Fig.7 Duct wall transmission loss of Input 1

圖8 對(duì)2號(hào)輸入管道的傳遞損失Fig.8 Duct wall transmission loss of Input 2

金屬件和塑料件的傳遞損失頻率特性與管道外單點(diǎn)的聲壓級(jí)傳遞損失頻率特性相似。單點(diǎn)測(cè)試10 mm在測(cè)試頻率內(nèi)為近場(chǎng)測(cè)試，而聲功率的傳遞損失測(cè)試在頻率340 Hz以上均為遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試。聲功率的傳遞損失包含了面積的修正項(xiàng)，能夠更好地體現(xiàn)系統(tǒng)的聲能量特點(diǎn)。在近場(chǎng)測(cè)試，聲壓能量不隨距離衰減，能夠更好地體現(xiàn)管道本身輻射聲特性。聲壓級(jí)傳遞損失和聲功率傳遞損失均表明塑料件在特定頻率相對(duì)金屬件隔聲性能差距較大。

2.2 聲源識(shí)別測(cè)試

分別采用聲強(qiáng)探頭掃描聲功率測(cè)試、聲學(xué)相機(jī)近場(chǎng)聲全息和遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成進(jìn)行塑料件和金屬件的聲源識(shí)別，找出測(cè)量管道的主要輻射聲位置并分析原因。聲源識(shí)別沒(méi)有消除管道內(nèi)聲學(xué)特性影響，因此頻率結(jié)果既與管道管壁聲學(xué)特性有關(guān)，也與管道內(nèi)聲源特性相關(guān)。隔聲薄弱的頻率輻射聲能量大。

聲強(qiáng)探頭聲功率法測(cè)試結(jié)果如圖9、圖10所示。聲強(qiáng)掃描顯示主要噪聲源是兩個(gè)連接渦輪增壓器管道處。用聲學(xué)相機(jī)分別對(duì)金屬和塑料管道進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)聲源識(shí)別。近場(chǎng)測(cè)試頻率為144～2810 Hz，遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試頻率為144～6400 Hz，測(cè)試結(jié)果如圖11、圖12所示。近場(chǎng)在低頻有好的空間分辨率，遠(yuǎn)場(chǎng)能夠識(shí)別高頻的主要聲來(lái)源。

圖9 聲強(qiáng)法金屬管道聲源識(shí)別Fig.9 Steel duct sound source identify using sound intensity

圖10 聲強(qiáng)法塑料管道聲源識(shí)別Fig.10 Plastics duct sound source identify using sound intensity

圖11 金屬件遠(yuǎn)場(chǎng)全頻聲源識(shí)別Fig.11 Steel duct sound source identify using far field method

圖12 塑料件遠(yuǎn)場(chǎng)全頻聲源識(shí)別Fig.12 Plastics duct sound source identify using far field method

聲學(xué)相機(jī)與聲強(qiáng)掃描法結(jié)果相接近，但略有差異。產(chǎn)生差異的原因之一是聲學(xué)相機(jī)測(cè)試和聲強(qiáng)測(cè)試是兩次分開的測(cè)試，而該測(cè)試與管道內(nèi)聲源特性有關(guān)。塑料管道的兩種測(cè)量方法均表明，主要輻射聲是在連接渦輪增壓器的管道上。

圖13、圖14近場(chǎng)聲全息測(cè)試結(jié)果表明，塑料件在2000 Hz以前的主要聲源在兩個(gè)渦輪連接管靠近進(jìn)氣連接管處，與結(jié)構(gòu)模態(tài)結(jié)果相似，產(chǎn)生的原因是結(jié)構(gòu)輻射聲；金屬件的主要聲源在進(jìn)氣管道處。塑料密度低，具有更好的阻尼特性，傳遞損失測(cè)試結(jié)果表明，在小于2000 Hz頻率段，塑料件隔聲性能與金屬件相似，測(cè)試結(jié)果與理論符合。

圖13 金屬件近場(chǎng)聲源識(shí)別Fig.13 Steel duct sound source identify using near field method

圖14 塑料件近場(chǎng)聲源識(shí)別Fig.14 Plastics duct sound source identify using near field method

傳遞損失測(cè)試表明，在高頻，傳遞損失低，更容易輻射出噪聲。結(jié)合傳遞損失測(cè)試結(jié)果和自由場(chǎng)聲源識(shí)別可知，塑料件在2200～3700 Hz隔聲差的原因既與自身特性有關(guān)，也與其焊接工藝有關(guān)，在2200～3700 Hz頻率段，主要噪聲來(lái)源于焊接焊縫處，因此提高焊接質(zhì)量是改進(jìn)塑料件隔聲性能的有效方法。

3 結(jié)論

本文研究了多通管道管壁的聲傳遞損失測(cè)試方法，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該方法的有效性。對(duì)于汽車雙渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管道的聲學(xué)性能，分別對(duì)塑料管道和金屬管道進(jìn)行了聲傳遞損失測(cè)試、聲強(qiáng)掃描和聲學(xué)相機(jī)的聲源識(shí)別。該方法中的聲傳遞損失測(cè)試能夠消除管道內(nèi)聲源特性影響，準(zhǔn)確進(jìn)行頻率特性評(píng)價(jià)，測(cè)試顯示塑料管道在2200～3700 Hz隔聲性能偏低，需要改進(jìn)。再結(jié)合聲強(qiáng)法和聲學(xué)相機(jī)的聲源定位結(jié)果，確定塑料管道在中低頻段的主要噪聲為管道結(jié)構(gòu)輻射聲，而在中高頻段的主要噪聲來(lái)源于焊縫位置，特別是塑料件傳遞損失低的頻率，需要提高焊接質(zhì)量。該測(cè)試方法為塑料材料在該類型多通管道的輕量化開發(fā)應(yīng)用開發(fā)過(guò)程中解決噪聲問(wèn)題提供了技術(shù)指導(dǎo)和支持。