有气才给力 汽车进气系统改装
夏云峰 杨二卫 田冠男
摘要： 针对汽车进气系统噪声对整车NVH性能有较大影响的问题，通过与理论解的对比验证直管声学模态的仿真方法和试验方法的可行性.对进气系统进行声学模态CAE仿真，并设计一系列试验，逐级排查出CAE仿真与试验有差距的原因.根据算例的声学模态分析结果对进气系统消声元件位置的确定给出建议.
关键词： 汽车； 进气系统； NVH； 管道声学模态； 消声元件； 试验
中图分类号： U463； TB115.1文献标志码： B
Abstract： As to the issue that there is a great effect of the noise of automobile intake system on the whole automobile NVH performance， the feasibility of simulation method and test method on straight pipe acoustic modality is verified. The CAE simulation is performed on the acoustic modality of intake system， and a series of tests are designed to investigate the reasons that there is a gap between CAE simulation and test. The position of muffler component of intake system is suggested by the acoustic modality analysis results of an example.
Key words： automobile； intake system； NVH； pipe acoustic modality； muffler component； test
0引言
汽车进气系统噪声对整车NVH性能有非常重要的影响，部分汽车低频噪声（<100Hz）是由进气系统声学模态引起的.对进气系统进行声学模态分析，可以为进气系统噪声特性的改善提供必要依据.
本文应用声学分析软件LMS Virtual.Lab对进气系统进行声学模态CAE仿真分析，使用LMS的设备进行试验验证并分析结果，为进气系统性能提升提供改进建议.
1一端开口一端封闭管道声学模态
一端开口一端封闭的管道[1]示意见图1.
将直管的理论计算、CAE仿真和试验的声学模态频率结果进行对比（见表1），可以看出理论值与CAE结果完全吻合，但比试验结果稍高，原因有：
1）末端修正不够大.
2）试验时的温度、湿度和气压使声速变小.
3）试验时周围环境不够安静.
试验的误差大小在工程可接受范围内.
3声学模态仿真和试验的验证
3.1进气系统声学模态的CAE仿真
由于缺少空滤到进气歧管间管道（即“净管”）的CAD模型，CAE分析中用长度和直径相同的直管进行代替，不影响声腔模态分析结果.[5]进气口端与大气直接相连管道（即“脏管”）长度利用开口直管理论进行修正.在Virtual.Lab中的模型见图6，前5阶声学模态计算CAE仿真结果云图见图7.
3.2进气系统声学模态试验
进气系统试验方法与直管试验相似，麦克风的位置和布置见图8，P1～P4麦克风用于确定声学模态振型，加速度传感器用于确定空滤壁的振动.
模态振型由传递函数的峰值得到，绝对值取决于参考麦克风和扬声器的位置.模态振型用各点共振峰值与最大值的比值得到.[6]
确定各点的峰值和相位，各点的峰值除以任意点的最大值进行归一化，相位以峰值点的相位为基准求差值，则模态振型可以用归一化后的幅值乘以调整后的相位余弦计算.模态振型Ψi，n=Ai（fn）Am（fn）cos（Φi（fn）-Φm（fn））（4）式中：fn 为第n个模态频率；m为幅值最大值位置；Ai（fn）为第n个模态i位置幅值；Am（fn）为第n个模态最大幅值；Φi（fn）为第n个模态i位置相位；Φm（fn） 为第n个模态幅值最大位置相位.根据式（4）进行振型计算，结果见表2.整理后可得声学模态振型，见图9.试验结果与CAE分析结果的模态振型一致，但频率结果有差别.第4阶模态（CAE仿真中258 Hz的模态）试验未检测到.该阶模态是进气歧管的“横向”模态，受麦克风布置的影响无法检测到，此模态对于改善进气系统结构意义不大，因此可以忽略.模态频率的差别是因为模型修正不准确或受试验环境条件的影响.
3.3进气系统声学模态分析的意义
对进气系统的声学模态进行分析后可得到声学模态的振型.对于降低辐射噪声，应在其位移最大（即模态声压最大）的位置放置消声元件，即赫姆霍兹谐振腔或1/4波长管，对降噪起到的效果最大.根据第3.2节的模态振型可知，试验所用的进气系统的谐振腔放置位置有以下原则：
1）谐振腔不能放置在进气口附近.
2）对于低频的前2阶模态（<100 Hz），谐振腔应位于空滤所在的位置，尽量靠近空滤.
3）对于高频的模态（222.0和246.0 Hz），谐振腔应位于“脏管”的中间.
3.4试验和仿真的逐级验证分析
针对进气系统的CAE仿真和试验结果模态频率存在差别的问题，为找出产生差别的原因，将进气系统拆分为不同部件分别进行模态试验，分别为：进气歧管、“净管”、空滤（不带滤芯）和“脏管”，其中“净管”部分不需验证，其余3个部件模态结果对比见表3，可知：“脏管”声学模态CAE与试验完全一致，但空滤和进气歧管CAE分析结果与试验有差别，空滤差别较大.首先，空滤和进气歧管末端效应与直管不一致，由于空滤末端效应与直管不一样，因此空滤和进气歧管末端修正不够大；其次，CAE分析处理后的模型与试验时稍有不同，由于试验条件和方法的限制，试验中空滤和进气歧管的第2阶声学模态均未能识别.
4结论
对开口直管声学模态理论分析及CAE与试验对比可知，在现有的CAE方法和试验手段下可得到进气系统声学模态特性.在进气系统开发前期，可以通过CAE快速预测声学模态参数，为谐振腔或1/4波长管安装预留位置，减少后期调校和试验费用.
对开口管道和进气系统的声学模态进行研究得到以下结论：
1）对于直管的声学模态，试验结果与理论计算结果和CAE仿真结果一致.
2）基于进气系统声学模态与试验相互验证的一致性，在无物理样机的开发前期通过CAE手段确定其声学模态参数是可行的.
3）空滤和进气歧管的末端效应与直管不同，导致进气系统声学模态仿真与试验结果有较大差距.
4）以进气系统声学模态分析为依据，能够改进亥姆霍兹谐振腔或1/4波长管安装位置.
5）如果根据辐射噪声理论进行进一步研究，以声学模态为基础可初步预测计算辐射噪声，改善进气系统声学性能.参考文献：
[1]庞剑， 谌刚， 何华. 汽车噪声与振动： 理论与应用[M]. 北京： 北京理工大学出版社， 2006 ： 189195.
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[4]SHAW C E， MOENSSEN D J， KOSTUN J D. A correlation study of computational techniques to model engine air induction system response including BEM， FEM and 1D methods[DB/OL].（20030505）[20130601]. http：//papers.sae.org/2003011644/.
[5]应怀樵. 现代振动与噪声技术：第3卷[M]. 北京： 航空工业出版社， 2002： 254258.
[6]李增刚， 詹福良. Virtual.Lab Acoustics声学仿真计算高级应用实例[M]. 北京： 国防工业出版社， 2010： 2548.（编辑武晓英）
