某柴油车加速异常噪声的分析与改进

韦善景，黄 鹰，梅 夏

某柴油车加速异常噪声的分析与改进

韦善景，黄 鹰，梅 夏

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545005）

为解决某柴油车加速异常噪声问题，对该柴油车进行噪声、振动与声振粗糙度（NVH）试验测试。通过频谱分析发现加速异常噪声主要表现为2 500 Hz、5 000 Hz附近的宽频噪声；通过分析相关零部件的振动频率特征，得到异常噪声主要通过中冷系统的管路传播。在左侧中冷管增加多腔穿孔型宽频消声器，并通过主观评价与客观测试验证。试验对比显示，优化改进后，2 500 Hz、5 000 Hz宽频段噪声分别降低了5 dB(A)、10 dB(A)，异常噪声消除。结果表明，优化消音元件结构参数，改变消音孔穿孔率，可以改善车辆的噪声结果。

柴油车；异常噪声；频谱分析；消音元件

噪声、振动与声振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）对汽车的驾驶体验，零部件的寿命有着非常重要的影响，噪声源于振动，振动能够引起部件的早期疲劳破坏，从而降低汽车的使用寿命[1]；提高汽车噪声振动性能，改善车内噪声环境成为每一个汽车制造商重要工作[2]。在NVH理论看来，车辆系统是一种由激发源、热传导装置和反馈器构成的控制系统[3]。目前市场很多汽车设计中对NVH的提升方法大多采用的是隔断噪声源和驾驶室之间的噪声辐射，这种做法对汽车NVH的改善有一定效果，然而却需要更大成本。本文通过寻找振动和噪声源的方式，从源头优化零部件的结构特性，改善汽车NVH，用最小的代价实现最大效益，提升整车驾驶性能。

本文以解决某柴油车加速异常噪声为例，发动机参数如表1所示。通过对驾驶舱噪声进行频谱分析[4]，利用噪声信号的频谱特征，对噪声源或传递路径进行有效排查，发现了加速异常噪声主要通过中冷系统管路传播，在左侧中冷管路上增加消声器并取得良好效果。

表1 发动机基本参数

1 异常噪声问题描述

在汽车行驶过程中发现：当3挡、4挡加速过程时，发动机转速在1 700 r/min～2 000 r/min区间车内有明显的“唰唰”声，但关闭废弃再循环系统（Exhaust Gas Re-circulation, EGR）阀时“唰唰”声大幅减小。该“唰唰”声严重影响驾乘人员的乘坐舒适性，令人难以接受。

2 试验分析

2.1 试验条件

在发动机热机情况下，挡位选择4挡（3、4挡任选）。按照选定的挡位在转鼓台架上，数据采集开始要求从怠速工况下，汽车全油门匀速行驶时进行，接着加速至车内“唰唰”声出现并消失，停止采集。然后关闭EGR，在同样的加速工况下进行数据采集。注意的是在测试过程中不得改变变速器挡位。

2.2 问题确认

由驾驶员右耳噪声声压级曲线对比（图1）得出，EGR关闭后在噪声峰在1 700 r/min～2 000 r/min区间大幅减小，这和我们主观评价相吻合。由图2驾驶员右耳噪声频谱图结果，从数据上得出EGR关闭后，2 500 Hz、5 000 Hz的附近频段的噪声幅值有所减小。因此表明，该加速异常噪声主要表现为2 500 Hz、5 000 Hz的宽频段噪声。

2.3 问题分析

为了初步确定激励源或传递路径，对整车进行了全面的摸底试验。在空滤壳体、增压器壳体、EGR阀壳体、变速器前后端及中部、中冷器壳体、发动机悬置主动及被动侧、油底壳等相关零部件布置三向加速度传感器采集振动数据，在空滤进气口、增压器附近布置麦克风采集噪声数据。通过对测试结果进行频谱分析，发现中冷器壳体振动的频率特征与右耳噪声有2 500 Hz、5 000 Hz频段的对应关系（见图3），其余零部件的振动噪声数据均无频段对应关系。因此，初步怀疑该加速异常噪声与中冷器有一定的关系。

图1 驾驶员右耳噪声声压级曲线

图2 驾驶员右耳噪声频谱图

为了进一步验证该加速异常噪声与中冷器有关，针对整个中冷管路系统关键位置布置了三向加速度传感器（见图4），进行了大量的振动加速度测试。

图4 中冷管路系统传感器布置示意图

图5 中冷器左端三个方向振动频谱图

通过分析测试数据时发现，左侧中冷管位置处三个方向的振动频率特征与右耳噪声频率 （2 500 Hz、5 000 Hz频段）存在对应关系，中冷器左端及右端时该对应关系最为明显（见图5、图6），而到右侧中冷管时该对应关系有所减弱，仅在方向上存在对应关系。因此可以说明，该加速异常高宽频噪声来源于增压器，传播路径为左侧中冷管→中冷器左端→中冷器右端→右侧中冷管，其中经过中冷器的“迷宫式”结构时被强化，从而听到“唰唰”的声音。

图6 中冷器右端三个方向振动频谱图

3 改进及验证

3.1 改进方案

涡轮增压器通过废气推动涡轮旋转，在高温高压的条件下从涡壳侧向切入来驱动涡轮高速转动，所以产生高频，宽频的噪声成分。涡轮机流场不均匀是产生噪声的关键因素[5]。通过前面的分析可知，加速异常噪声属于高宽频段噪声，来源于增压器，通过中冷系统管路传播。要想从涡轮增压器的零部件本身去改进，从而在源头上消除该异常噪声，显然难度很大，因此只能从传递路径上入手。为此，在左侧中冷管内针对2 500 Hz、5 000 Hz的宽频段噪声设计多腔穿孔型宽频消声器，以达到消除高频噪声的目的。

3.1.1消声器的初步设计

消声器是一种能够允许气流通过，却又能阻止或减小声音传播的器件[6]。消声器最常见的有三种：阻性、抗性和复合式。阻性消声器利用多孔消音材料将管道传播的噪声进行减弱。一般对高频噪声的消音效果比较好，而且频段较宽。消声量计算公式为

式中，Δ为消声器的消音量，dB；为气流通道断面周长，m；为气流通道横截面积，m2；为消声器的有效长度，m；(α0)为消声系数。

抗性消音器是利用声学中的阻抗发生变化进行消音，它对中低频的噪声效果比较明显。通常在一根管子上开很多孔，与气流连通形成共振系统，通过摩擦减小气流能量，开孔容积率直接影响消声效果。自振频率公式为

式中，为声速，m/s；为传导率；为谐振腔容积，m3。

多腔穿孔型宽频消声器的主要结构参数包括：in为主管外径；out为共振腔内径；h为小孔直径；h为每腔小孔数目；小孔深度为w，mm；为共振腔数目；ci为环形腔宽度；t为环形叶片厚度[7]。

根据中冷管径和安装空间，结合主要的消声频率及消声量，进而确定所需要的扩张腔、共振腔等消声单元的基本参数[8]，按经验值初步确定多腔穿孔型宽频消声器的结构参数，如表2所示。

表2 多腔穿孔型消声器的结构参数

阻抗复合型消声器就是将阻性消音原理和抗性消音原理相结合。可以根据频谱特性选择不同结构组合的阻性和抗性消音器。

3.1.2消声器的优化

根据加速异常噪声在EGR打开与关闭两种状态下的差值表现，确定了消声器的消声要求：消声频率2 000 Hz～3 000 Hz，消声幅值5 dB；4 500 Hz～5 500 Hz，消声幅值10 dB，为了设计出符合要求的消声器，针对消声频率2 000 Hz～ 3 000 Hz，我们采用抗性消声原理，通过调整开孔大小和开孔数目进行优化，从而达到减小噪声效果。针对于4 500 Hz～5 500 Hz噪声的消声手段，我们采用的是阻性原理，对噪声传递过程进行消弱，最终得到一个组合式的消声器进行装车验证。

3.2 效果验证

为了验证在中冷管路增加消声器方案的有效性与可行性，制作出新样件装到同辆车上，进行主观评价及客观数据的测量，测量方法与之前一致，减小试验条件带来的测量误差。

3.2.1主观评价

通过主观评价，消声器样件在3挡、4挡加速过程中，EGR不管打开或者是关闭，发动机转速1 700 r/min～2 000 r/min区间车内异常噪声“唰唰”声均完全消失。驾乘员乘坐感觉舒适，车辆行驶时在其他发动机转速下也未出现其他异常噪声。

3.2.2客观测量

在试验室的转鼓台架上对柴油车（安装优化方案的消声器）进行驾驶员右耳噪声测试，结果如图7所示，为了保证发动机不因为消音器的变更造成性能的波动，测试之前需要对发动机性能参数（进气量、进气压力、功率扭矩模型等）采集。

由图7可以看出，EGR开关时，驾驶员右耳噪声频谱图表现一致。改进后2 500 Hz、5 000 Hz的宽频噪声幅值分别降低了5 dB(A)和10 dB(A)。校对发动机性能参数结果，发动机进气量、进气压力、功率扭矩模型等性能参数均在正常范围内。

由以上的主观感受和客观测量可以得出，在左侧中冷管增加消声元件能有效降低该柴油车的加速异常噪声。

图7 EGR开关右耳噪声频谱图

4 结论

对于解决噪声问题，寻找噪声源是关键，利用不同部件的振动频率的差异性，通过仪器进行数据采集快速找到噪声问题所在，并通过结构优化和系统配合进行改善，可达到提升汽车NVH性能目的。柴油车的加速异常问题得到很好解决。结果表明：

（1）频域性是噪声信号的基本特征之一，通过频谱分析确认噪声来源，再通过优化噪声振动元件的结构特性，从而改善NVH作用。

（2）消声元件是管道声学常用的消除噪声的方法之一，它可以降低某个频率或某个频段的噪声。

（3）多腔穿孔型消声器的孔的穿孔率对噪声有重要影响，可以改善中低频噪声。

[1] 张建明,金永磊,夏建华,等.某车型急加速时噪音的改善[C]//第十届河南省汽车工程科学技术研讨会论文集.郑州:河南省汽车工程学会,2013:208-209.

[2] 杨静.车内噪声预测分析与稳健性优化[D].重庆:重庆大学,2020.

[3] 王明阳.汽车NVH基础分析与发动机影响因素[J].内燃机与配件,2022,(18):103-105.

[4] 王晓蒙,梁文昌,刘忠伟,等.基于频谱分析与拓扑优化的汽车加速噪声控制[J].汽车零部件,2019(7):15- 19.

[5] 李伟,李国祥,桑梧海,等.涡轮增压器双流道涡轮壳喉舌结构对静压和BPF噪声的影响[J].内燃机与动力装置,2022,39(5):37-42,48.

[6] 张运坤,李文静,马刚.阻抗复合消音器在冷柜降噪中的应用[C]//2015年中国家用电器技术大会论文集.北京:中国家用电器协会,2015.

[7] 郭荣,朱伟伟.多腔穿孔型宽频消声器声学特性的理论计算和优化[J].汽车工程,2014,36(10):1201-1204.

[8] 陈国强,刘俊龙,胡亮,等.某柴油机排气消声器低频噪声优化控制[J].内燃机与动力装置,2022,39(5):43- 48.

Analysis and Improvement of Diesel Vehicle Rapidly Speeding-up Noise

WEI Shanjing, HUANG Ying, MEI Xia

( Saic-gm-wuling Automobile Company Limited, Liuzhou 545005, China )

To solve the abnormal acceleration noise of diesel vehicle, did the noise,vibration, harshness(NVH) test for the diesel vehicle. Through spectrum analysis found that the abnormal noise was the broadband noise of 2500Hz and 5000Hz. And analyzed the vibration frequency characteristics of related parts, found that the cooling system of the supercharger was the main propagation path. Optimized the cooling tube by adding a muffler, and obtain a great effect. The validation show that the broadband noise of 2500Hz and 5000Hz decrease respectively 5 dB(A) and 10 dB(A) and the abnormal noise remove. The result show that the noise will be improved by optimizing the structural parameters of silencer.

Diesel vehicle;Abnormal noise;Spectrum analysis;Silencer

U491.9+1

A

1671-7988(2023)03-112-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.021

韦善景（1989—），男，工程师，研究方向为混动总成结构仿真分析，E-mail:1364147941@qq.com。