发动机进气噪声及汽车NVH简介

发动机进气噪声及汽车NVH简介商研院动总刘明一、汽车噪声

噪声是工业社会带来的副产品，它与大气污染和水污染一起被认为是当今世界三大公害。与其他两个公害相比，噪声的影响面最广，感觉最直接，人们反映也最多。汽车作为一种主要的交通工具日益普及和增长，因而汽车噪声所造成的环境污染也日益严重。汽车噪声的种类：产生汽车噪声的主要因素是：空气动力、机械传动、电磁三部分。从结构上可分为发动机噪声,底盘噪声,电器设备噪声,车身噪声。

其中发动机噪声占汽车噪声的二分之一以上,包括本体噪声(如发动机振动,配气轴的转动,进、排气门开关等引起的噪声)和进气噪声。随着发动机技术的突飞猛进,发动机噪声有较大幅度的降低。发动机之外的其他噪声来源如传动系噪声、轮胎噪声、排气噪声以及车身壁板结构振动辐射噪声等,对车辆整体噪声的贡献份额相对增大。对于小型高速机和大型增压机来说，进气噪声有时比发动机本体噪声高出多达5dB(A)，成为仅次于排气噪声的主要噪声源。排气噪声是发动机最主要的噪声源，往往比本体噪声高出10-15dB(A).此外,汽车轮胎在高速行驶时,也会引起较大的噪声。这是由于轮胎在地面流动时,位于花纹槽中的空气被地面挤出与重新吸入过程所引起的泵气声,以及轮胎花纹与路面的撞击声。

进气噪声1、进气系统发动机是汽车的心脏，而进气系统则是发动机的动脉，也有人将进气系统比喻为汽车的呼吸系统。进气系统的合理性直接影响发动机的性能、寿命，从而影响整机的性能、寿命及环保性。进气系统包含了进气歧管、进气门机构、空气滤清器。空气滤清器一般由进气导流管、空气滤清器盖、空气滤清器外壳和滤芯等组成。空气滤清器的功用主要是滤除空气中的杂质或灰尘，让洁净的空气进入气缸。实践证明，发动机不安装空气滤清器，其寿命将缩短2/3。另外，空气滤清器也有降低进气噪声的作用。2、进气噪声产生机理进排气噪声均属于空气动力噪声，由于气体扰动以及气体和其他物体相互作用而产生的噪声称为空气动力噪声。直接向大气辐射的空气动力噪声包括：进气噪声、排气噪声、冷却风扇噪声。发动机进气噪声是由进气阀周期性开闭而产生的压力波动所形成的。进气噪声主要包括：周期性压力脉动噪声、涡流噪声、气缸的玄姆霍兹共振噪声和进气管的气柱共振噪声。

进气阀门开启时，活塞由于上止点下行吸气，临近活塞的气体分子以同样的速度运动，这样在进气管内产生一个压力脉冲，随着活塞的继续运动，它受到阻尼；当进气门关闭时，同样产生一个有一定持续时间的压力脉冲，于是产生了周期性的噪声——脉冲噪声，其噪声频率成分主要集中在200Hz以下的低频范围。同时，进气过程中的高速气流流过进气门流通截面时，会形成涡流噪声，由于进气门流通截面是不断变化的，涡流噪声主要集中在1000-2000Hz之间的高频范围；另外，如果进气管中空气柱的固有频率与周期性进气噪声的主要频率一致时，会产生空气柱共鸣，使进气管中的噪声更加突出。当进气阀关闭时，也会引起发动机进气管道中空气压力和速度的波动，这种波动由气门处以压缩波和稀疏波的形式沿管道向远方传播，并在管道开口端和关闭的气阀之间产生多次反射，产生波动噪声。进气噪声与发动机的进气方式、进气门结构、缸径、凸轮型线等设计因素有关，对同一台发动机来说，受转速影响最大，转速提高一倍，进气噪声可以提高10—15dB(A)进气空气动力噪声（与发动机点火频率相同）

n:转速z:发动机缸数

i:发动机冲程系数（四冲程为2）k:谐波次数（阶次数）f:噪声频率2、燃烧和撞击声：频率1000以上（大约）3、空气摩擦噪声：频率800－1000Hz以上（大约）三、进气噪声的控制1.噪声的控制所有的噪声问题基本上都可以分为三部分：声源～传播途径～接收者。因此，一般噪声控制技术都是分为三部分来考虑。首先是降低声源的噪声，如果做不到，或都能做到却又不经济，则考虑从传播途径中来降低。如上述方案仍然达到要求或不经济则可考虑接收者的个人防护。

(1)声源控制降低声源本身的噪声是治本的方法

(2)噪声传播途径控制

(a)吸声：主要利用吸声材料或吸收结构来吸收声能。

(b)隔声：用屏蔽物将声音挡住，隔离开来，是控制噪声最有效措施之一。

(c)消声：消声就是利用消声器来降低空气中声的传播。

(3)个人防护(护耳器)2.进气噪声的控制

2.1声源控制2.1.1合理的设计和选用空气滤清器。空滤是发动机有效的进气消声器，空滤所占的体积可作为膨胀性消声器的膨胀腔，滤清器的容积达到发动机容积的五倍以上，就能达到良好的消音效果，

一般来说，容积越大消音效果就越好。但受前仓空间的限制，空滤不可能做的非常大，因此消音效果受到限制。空滤的滤芯是阻性消声器良好的吸声材料。合理设计进气管道和气缸盖进气通道，减少进气系统内压力脉动的强度和气门通道处的涡流强度。导流管

进气管探入空滤器本体内，配合空滤本体内气道设计来消除噪声。空气滤清器相当于一个扩张消音器，影响其传递损失的因素有两个：扩张比m和滤清器的长度L。扩张比越大越好，有两种办法提高扩张比：一是减小管道的尺寸，二是增加滤清器的截面积。减小管道尺寸会使得功率损失增加，而增加滤清器的截面积又受到安装空间的限制。将进入管和输出管插入到滤清器中也可以提高滤清器的传递损失。

传递损失可以用以下公式来表达：假设只考虑进入管插入即这时的传递损失简化为：管道插入后，传递损失增加，而且在某个频率处出现了一个峰值，当时传递损失达到最大值，对应的频率为

即插入长度正好是波长的四分之一，也就是说进入管插入到滤清器中后，就相当于在系统中加入了一个四分之一波长管，利用这个插入管，就可以调节某些频率下的传递损失。插入管大大地提高了插入损失，但是滤清器内有过滤网，这样插入长度往往受到限制。另一方面，插入管会带来较大的功率损失，其损失值比减小管道直径带来的损失还要大。所以是否采用这种插入管，要权衡传递损失和功率损失。

一般来说，减小空滤进气管的截面积有显著的降噪效果；增加进气管长度能够降低低速噪声，但同时中高速噪声会有较多的增大；减小空滤出气管的面积，对进气噪声的降低效果不是很明显，反而影响到发动机的充气效率有较大波动；2.1.2引进消声措施。主要是增加赫尔姆兹消音器（谐振腔）和四分之一波长管。赫尔姆兹消音器一般是用来消除低频噪声，而四分之一波长管用来消除高频噪声。如果要用四分之一波长管来消除低频噪声，那么波长管必须做得很长，但是太长的管道很难安装。这两种消音器的目的都是消除窄频带的噪声，但是赫尔姆兹消音器的消音频带比四分之一波长管要宽，所以赫尔姆兹消音器比四分之一波长管显得更重要。

进气系统中，低频噪声成分往往非常大，而控制低频要采用赫尔姆兹消音器。所以在汽车设计初期，要尽可能地给进气系统留出较大空间，以便安装赫尔姆兹消音器，一般来讲赫尔姆兹消音器不能安装在空气滤清器上。

谐振腔式消声器谐振频率计算公式(如下图)：其中：C-为空气中的音速

L-接管长度

S-接管平均断面积

V-谐振腔的容积

f-谐振频率

f=(C/2π)*(S/(L*V))1/2

四分之一波长管四分之一波长管是安装在主管道上的一个封闭的管子，如下面图所示。声波从主管道进入旁支管后，声波被封闭端反射回到主管，某些频率的声波与主管中同样频率的声波由于相位相反而相互抵消，从而达到消音目的。这个旁支管的传递损失为：式中L是四分之一波长管的长度，而m是主管截面积与波长管截面积的比值

当（n=1,2,3…）时，传递损失达到最大,旁支管长为：四分之一波长管共振的频率为：

旁支管的频率只取决于管道的长度，管道越长，频率越低。从上式知道，影响四分之一波长管传递损失的参数有两个，一个是旁支管的截面积与主管截面积的比值m，另一个是波长管的长度。四分之一波长管的一端是开口的，一端是封闭的，在开口处的声波会象活塞一样运动，存在辐射声阻抗，因此管道的实际工作长度增加，需要对开口端进行修正。对四分之一波长管来说，主管的管壁相当于法兰，於是四分之一波长管的实际长度应该为：

式中和分别是实际长度和计算长度，修正频率为：

进气噪声的优化进气噪声的测量及主观评价噪声频谱分析确定进气噪声产生的原因（多种）布置谐振腔或1/4波长管样件准备及验证试验布置确认及工装样件开发TURBONOISEDAMPERDUCTWITHINTEGRATEDRESONATOROR¼WAVECOMPLETELINEWITHRESONATOR&POROUSDUCT1、国外车型各种消声结构Admissionline:filter&hosesASTRA:Diesel&GasolineenginesFilterYarisGasoline&DieselCorollaGasolineAvensisGasoline&DieselVECTRA&SAAB9.3:Diesel&gasolineenginesFlexibleelbowDecouplingelementCleanairshellFilterDirtyairshellFilterconnectionFlexibleelementResonatorOrificeExample

Jaguar(美洲虎）X150AirInduction

systemShanghaiGML850AirInductionSystemProd.Location:Shanghai,ChinaProcess :SnapfitdesignS.O.P. :02/2006AnnualVolume:110,000IntegratedPlug-inMAFsensor2、目前我公司几款车型进气系统情况试验后布置两个谐振腔老状态A21进气系统更改后增加布置两个谐振腔初期A15(BMW)进气系统B11进气系统在参考原车时就设计有谐振腔B11及B14进气系统谐振腔S11沿用MATIZ进气系统,设计有谐振腔二、汽车NVH随着汽车市场竞争的日益激烈和市场对汽车产品要求的日趋多样化，促使各整车和零部件企业的产品开发的周期越来越短。过去那种集整车和零部件开发于一体的开发方式已走向越来越分工和专业化。随着中国加入世贸组织，零部件的全球采购已成为可能，这不仅大大提升了零部件对整车开发的支持力，而且在向整车开发提供高质量零部件的同时也促使整车开发方式转变，整车开发已成为除车身结构的设计外，主要是零部件的(结构)整合和(性能)匹配(标定)行为。从一定意义上讲，整车开发已不在是单纯的结构设计和机构的实现，如何在取得优质零部件总成的基础上，整合匹配出满足法规和标准要求或最优的整车系统性能，已成为整车开发的核心。影响汽车乘坐和使用环境重要因素的振动噪声性能，作为重要的法规和竞争指标在当今产品竞争中体现的越来越举足轻重。在目前同档次车型在常规性能方面的综合性价比越来越接近且均已达到较高水平的情况下,提高车辆噪声控制水平已成为新的竞争焦点和技术发展方向,车辆的NVH性能正逐渐演变为重要的设计指标,这也是用户所关心的整车性能指标之一。汽车噪声控制水平必将成为决定车型开发成功与否的不可或缺的重要因素之一。根据1996年对欧洲汽车市场的调查，由于汽车的性能、质量等方面均已达到较高的水平，因此顾客对乘坐舒适性的要求明显提高，仅次于汽车款式。对于中小型汽车，由于市场的激烈竞争使得汽车的重量、价格等因素被严格约束，这就使以改善汽车乘坐舒适性为目的的汽车NVH特性的研究变得更加重要。

由于对于汽车NVH问题用户的感受是最直接和最表面的，在很大程度上反映出生产厂家的设计水平及工艺水平，因此它是汽车业各大整车制造企业和零部件企业重点关注的问题之一。有统计资料显示，整车约有1/3的故障问题是和车辆的NVH问题有关系，而各大公司有近20%的研发费用消耗在解决车辆的NVH问题上。1.汽车的NVH特性

N——Noise〔噪声)V——Vibration(振动)H——Harshness〔声振租糙度)

声振粗糙度是指噪声和振动的品质，是描述人体对振动和噪声的主观感觉的，不能直接用客观测量方法来度量。由于声振粗糙度描述的是振动和噪声使人不舒适的感觉，因此有人称Harshness为不平顺性。又因为声振粗糙度经常用来描述冲击激励产生的使人极不舒适的瞬态响应，因此也有人称Harshness为冲击特性，当汽车通过接缝或凸包时将产生瞬态振动，它包括冲击和缓冲两种感觉。系统刚度越大，车身瞬态振动的幅值越大，冲击越严重，同时固有频率增加使振动衰减变快，缓冲的效果变好。总的说来，声振粗糙度描述是振动和噪声共同产生的使人感到极度疲劳的感觉。简单地讲，乘员在汽车中的一切触觉和听觉感受都属于NVH研究的范畴，此外，还包括汽车零部件由于振动引起的强度和寿命等问题。从NVH的观点来看，汽车是一个由激励源(发动机、变速器等)、振动传递器(由悬挂系统和边接件组成)和噪声发射器〔车身)组成的系统。汽车NVH特性的研究应该是以整车作为研究对象的，但由于汽车系统极为复杂，因此经常将它分解成多个子系统进行研究，如底盘子系统(主要包括前、后悬架系统)、车身子系统等，也可以研究某一个激励源产生的或某一种工况下的NVH特性。2.NVH分类研究及开发实例而对NVH噪声定义、测量评价分析及噪声的控制往往是通过研究车外和车内的噪声振动情况来体现。车外NVH噪声

影响车外噪声的主要有发动机噪声、冷却噪声、排气噪声、轮胎辐射噪声和排气系统的再生辐射噪声以及其他机械噪声。这些噪声一般在中高频范围内，由于车外噪声直接构成了对周围环境的污染排放，因此各国都有严格的限值和测试方法。加速行驶车外噪声——加速行驶车外噪声是对于整车噪声水平等综合评价，是汽车认证最重要的指标之一。各国的认证标准对测量方法的规定基本相同(包括刚刚颁布我国标准GB1495-2002)，由于各国发展水平不同因此限制有一定的差异(比如：GB1495-2002对于轿车的限值要比欧洲大3dB(A))。目前最具先进性而且被广泛采用的要属欧共体51号法规(即：ECEReg.No.51)测量方法和相应的限值。汽车定置噪声——实际上是整车无负荷状态下对发动机和排气噪声的评价，一般作为对车外噪声评价的补充，其方法和限值标准也是作为车外加速噪声测量标准的附件。

车内NVH噪声振动

车内噪声源振动和噪声是车内乘坐环境和乘坐舒适性的总要组成部分。按照频率范围可分为：

A.影响行驶平顺性的低频振动：它产生的主要振源由于路面不平度激励使得汽车非悬挂质量共振和发动机低频刚体振动，从而引起悬上过大的振动和人体座椅系统的共振造成人体的不舒适，其敏感频率主要在1-8Hz(最新的研究表明：当考虑人体不同方向的响应时可到16Hz)。由于该指标于人体生理主观反映密切相关，因此试验和评价往往采用测试和主观评价相结合，在国外一般只有公司标准和限值。

B.车身结构振动和低频噪声：大的车身结构振动，不仅引起自身结构的疲劳损坏，而且更是车内低频结构辐射噪声源。其频率主要分布在20—80Hz的频带内。由两方面引起：(1)激励源；主要有道路激励、动力传动系统尤其是动力不平衡和燃烧所产生的各阶激励、空气动力激励；(2)车身结构和主要激励源系统的结构动力特性匹配不合理引起的路径传递放大。汽车NVH根据问题产生的来源又可分为发动机NVH、车身NVH和底盘NVH三大部分，进一步还可细分为空气动力NVH、空调系统NVH、道路行驶NVH、制动系统NVH等等。3.NVH的开发步骤：

在汽车开发过程中，确定客户要求、诊断故障识别噪声、控制降低噪声是研究NVH的重要三步骤，由于三步骤之间的关联性，在实际的开发过程中相辅相成。步骤一：明确客户要求现代轿车一般都能轻易满足振动噪声方面的强制性法规，但是客户对乘坐舒适性的要求越来越高加之日益激烈的市场竞争，NVH问题已从原有的法规强制转变为客户强制。因此在实际开发过程中，要根据客户的要求进行测量，除了提交测量结果外，还给出一定程度的结论或主客观评价。所有提供给客户的“产品”应保证正确、公正，并满足客户要求。客观评价是用描述振动噪声的参数如加速度、声压等来评价车辆NVH性能。可以通过试验或分析手段得到这些客观参数。系统的动态特性或系统的响应均可作为客观参数如：静态和动态刚度、传递函数、模态频率和振型、声压级等。然而，NVH问题最终应该由主观评价来完成。客户通过直接接触来体验感觉车辆情况，客户的反应来自于他们的感觉、印象或是否喜欢这款车。客户往往会给出定性地描述：如感觉太硬或太吵。因为不同的人对同一辆车的评价往往不同，这取决于个人的背景、经历、期望、心情及其它与车辆无关的因素重复性差、对车辆小的修改不敏感。从心理声学的角度来分析,无论如何，汽车总是要发出声音的；车厢的隔音措施再好，也不能把所有的声音都挡在外面。另一方面，人们也需要、或喜欢汽车发出的某些声音，如喇叭声，年青人偏爱跑车马达所发出的某种有力的声音。因此当车辆的总体噪声水平显著降低后，人们开始愈来愈讲究他们听到的声音的“品质”；人耳是灵敏的，原本被发动机和排气管的轰鸣声、尖啸声淹盖的其它噪声，此时都显露了出来，有不少是令人不快的，有些则反映了零部件的故障。这些都对NVH的测量、分析和零部件的改进提出了更高的要求。心理声学用量化指标来反映人们对声音“好坏”的感觉，例如响度，粗糙度，尖锐度。人有五官感觉，且非常灵敏，同时人又是汽车产品的惟一使用者，其评价优劣是产品成败的关键所在之一，因此NVH方面的主观评估是车辆及其零部件质量检验、故障诊断的必要手段。步骤二——故障诊断在开发过程中，客户的车辆或零部件出现了原因不明的、异常的振动噪音，就需要我们帮助他们找到引起这种振动噪音的根源进行必要的故障珍断，而这些工作离不开对测量方法和测量仪器的掌握和正确运用，也离不开识别各种振动噪音的知识和经验的逐步积累。试验NVH方法与CAE计算分析手段结合，对于故障诊断和噪声源识别方面往往能产生很好的效果。试验模态分析结果可用来验证和修改有限元分析模型；试验的测量数据既可作为输入参数，由有限元分析模型计算需要的量，也可作为输出结果，验证有限元分析的结果；对于一部份难以建立有限元模型的构件采用试验模态模型，而对希望改进的构件采用有限元分析模型，将两种构件“装配”在一起，型成一种“混合型”的分析模型。然而，噪声诊断只是为了发现问题，查出根本原因，并没有达到客户的最终目的。客户往往进一步希望消除或减少这种振动噪声。作为汽车开发人员，我们需要不仅能够发现问题，还要能够解决问题。步骤三——根据客户提出的目标，对某一对象设计并实施减振、降噪隔音的方案。以下是实现减振降噪的一些基本方法：消除振动噪音产生的根源。这涉及到修改产生振动噪音的零部件结构，例如改善其振动特性，避免共振；改进旋转件的平衡；减小相对运动元件之间的磨擦；改善管道内气体或液体流动状况；改善包装容器的刚度及密封性能；施加与噪声源振幅相当而相位相反的声音等等。产品的改进既可以是在原件基础上的修改，也可以是工作原理的重大变革。这一点仅靠NVH工程师往往是很难完成的，必须与有关的产品工程师协同工作才能实现。

切断振动噪音传递的路径。涉及到对结构振动传递特性的分析和改进，使之对振动噪声具有明显的衰减作用而不是放大。就车内降噪而言，对结构密封性能的分析和改进，对各种吸音材料特性的了解和应用，并且掌握骨架结构与吸音材料的搭配使用的方法。例如：质量阻尼减振器、共振腔消音器。它们主要是用于窄带振动或噪音成份的减弱和消除。基本的测量理论和方法、数据处理理论，现成的教科书里有，花上时间和精力就能掌握。市场上有各种各样的测量仪器可供选择，测量仪器供应商也是我们不断了解、跟踪国际上测量方法和手段的重要渠道（所以应经常参加那些仪器供应商的产品介绍会）。关健是根据客户的要求和目标，如何选择恰当、正确的测量手段，并据此分析得出有用的信息。为了达到减振降噪的效果，就要修改有关的结构，这需要综合的能力和经验。此时须全面考虑修改方案对其它性能和功能的影响，考虑实施所要花费的时间和成本。4.汽车NVH现状目前国内企业中NVH能力比较全面的只有上海通用,其泛亚汽车技术中心已达到了一定的水准,有一定的开发能力,走在了国内前列.其余合资企业在国内的NVH工作主要就是物理试验认证;而国内自主品牌大多处在样车试验改进(通常与国外试验