汽车进气系统1/4波长管的设计与应用

当前，汽车保有量达到一个惊人的数值，在川流不息的大街上，汽车的噪声不绝于耳，汽车噪声污染已成为城市噪声污染的主要凶手之一。因此，汽车企业也应该严格按照国家法规要求，降低汽车噪声，尽量减少噪声污染给城市及其居民带来的危害。

汽车噪声多种多样，喇叭声、发动机噪声、机械噪声等为其主要组成部分。进气系统作为汽车发动机的门户，在满足发动机进气及过滤要求的同时也带来进气口噪声，它是整车NVH噪声的重要组成之一。因此降低进气口噪声对降低整车NVH噪声具有重要意义。

进气噪声主要成分包括周期性压力脉动噪声、涡流噪声、汽缸的赫姆霍兹共振噪声、进气管的气柱共振噪声等。空气过滤器的壁板非常薄，当高速气流通过时，容易被激励而引起辐射噪声[1]。进气系统与噪声关联性如图1所示。

图1进气系统与噪声源

进气系统可通过空气滤清器的容积、进气管道截面积、内插管的设置、赫姆霍兹共振腔及波长管等进行调音，以达到较理想的优化效果。其中，空气滤清器的容积、进气管道截面积及内插管主要是通过截面积的变化，达到较大的扩张比m进行声学优化；赫姆霍兹共振腔主要是针对低频较宽频段对噪声峰值进行削弱；波长管则主要是针对高频较窄频段进行针对性地峰值削弱，达到优化进气噪声的目的。其中1/4波长管是汽车进气系统中最有应用价值的消声调音元件之一。

本文通过对1/4波长管的应用，根据理论及实测值的分析，解决了某款车型的进气口啸叫声问题。

1 1/4波长管及其设计

1/4波长管是旁支消声器的一种，图2所示的为1/4波长管，图3为旁支消声器示意图。声波在管道中传播，当遇到边界时会发生反射，旁支消声器即利用反射声波与入射声波的相互干涉，达到消声的目的。

图2 1/4波长管

图3旁支消声器

旁支消声器有管口封闭及管口敞开两种形式。1/4波长管为安装在主管道上的一个封闭旁支管，因而属于管口封闭型旁支消声器。入射声波从主管道进入旁支管道后，当到达1/4波长管的封闭端面时，会发生声波的反射。入射声波经过1/4波长管的反射后回到主管道，某些频率下的反射声波将与主管道内相同频率的入射声波相位相反，相互叠加的声波由于相互抵消而达到消声的效果[2]。即使相邻频率段入射声波与反射声波虽然不能完全地抵消，但也将对声波起到一定的削弱作用。在汽车进气系统的管道上广泛应用1/4波长管对特定频段噪声峰值进行削弱，即利用该旁支消声器的原理。

旁支消声器相关理论计算如下：

式（1）为管道声学开口-封闭管道的固有频率f0的计算公式。式中，c为声速；L表示旁支消声器管道的长度。由该公式可知，旁支消声器的固有频率f0仅取决于其旁支管道的长度L，旁支管道越长，其固有频率越低。

式（2）为声速c、频率f及波长λ的关系。将式（2）代入式（1）得到式（3），即旁支消声器管道长度L与声波波长λ的对应关系。

当式（3）中n=1时，即得到式（4）：

式（4）中，旁支消声器管道长度L为声波波长λ的1/4倍，此即1/4波长管的由来。

1/4波长管的传递损失计算公式如下：

式（5）中TL为1/4波长管的传递损失值(dB),m为扩张比，L为波长管的长度，λ为声波波长[3]。

实际调音过程中需要应用1/4波长管时，先根据仿真或实测的噪声曲线，找到其噪声峰值即所需要削弱的部分，设定适当的传递损失目标值，再结合以上1/4波长管的相关计算公式，进行1/4波长管参数的设定。

2 1/4波长管的实际应用

在某车型开发过程中，进气口噪声实测曲线如图4中曲线所示。

图4为某进气系统进气口噪声实测数据，由噪声曲线分析可知，4、6 阶噪声分别在（4 500～5 000）r/min及3 250 r/min附近存在噪声峰值，需要针对以上峰值进行调音，以达到较好的声学性能。

由式（1）可知，为了设定合适的1/4波长管长度L，首先需要设定其目标共振频率，即调音时该1/4波长管所针对噪声峰值的频率f0。而进气系统的进气口噪声主要源自发动机内部噪声的传播，其与发动机的发火频率密切相关。发动机的发火频率计算公式如下：

式（6）中，τ为发动机的冲程系数。该车型匹配发动机为直列四缸四冲程发动机，其冲程系数τ为2，其发火阶次为二阶。由式(6)计算得图3所示进气口噪声曲线峰值对应频率约为300 Hz.

由图3可知，噪声峰值部分需要降低约20dB才能达到削弱其峰值的目的。设计过程中考虑将该波长管放置在进气系统清洁空气管上(准54),根据以上参数，取声速c为 340 m/s，结合式（1）～（5），可计算得：波长λ≈1133 mm，L≈283 mm，m≈0.28，1/4波长管直径d≈28mm。根据以上计算结果，将该1/4波长管的参数设计为：准28×280 mm，预计其能满足预定的调音目标。

为验证该1/4波长管的实际消声效果，根据其设计参数，制作该1/4波长管的快速样件进行实车噪声测试，其实测噪声曲线对比如图5所示。

图5添加1/4波长管后进气口噪声实测值对比

如图5所示的噪声曲线中，实线表示添加1/4波长管前的进气口噪声曲线，虚线表示添加1/4波长管后的进气口噪声曲线。

由图中噪声曲线分析可知，进气口噪声在4阶和6阶得到明显改善，其在(4 500～5 000)r/min及3 250 r/min转速下的噪声峰值得到显著削弱，且噪声曲线走向较为平滑，添加该1/4波长管后进气口噪声达到了预期的噪声性能优化目标。

3 1/4波长管的整车布置及感知质量

完成了1/4波长管的参数设计后，其最终需要作为整车及子系统的一个零部件，呈现在客户面前，因而美观性也是需要考虑的一个重要因素。

1/4波长管的消声性能仅与其截面积及管长有关，与具体走向无关。在整车实际布置时，往往无法为1/4波长管找到一个足够的空间将其设计为一根长直管，因而很多情况下均对1/4波长管的走向进行适当处理，在复杂的三维空间为其寻找最佳的布置空间。

在确定好该1/4波长管的技术参数后，根据该车型进气系统的周边环境，为该波长管设计了如图6和图7中A、B、C三个方案。

图6 1/4波长管布置方案（仰视）

图7 1/4波长管布置方案（俯视）

在图6及图7所示1/4波长管的三个方案中，方案A将波长管隐藏在清洁空气管底部，方案B将波长管隐藏至进气管底部，方案C将波长管外露在进气管上部即清洁空气管前端。

由图7可知，在打开发动机舱盖后，方案B及方案C的波长管直接外露，美观性较差，方案A的隐藏效果较好，因此最终方案选定为方案A。

该1/4波长管的最终设计方案如图8所示。

如图8所示，1/4波长管三维走向较为复杂，图9所示为该车型进气系统。在发动机舱盖打开后，隐藏的1/4波长管能避免引起客户对管路布置的不满意。在满足消声性能的前提下，该1/4波长管的布置方案能有效地提高发动机舱的感知质量，有利于整车品质的提升。

图8 1/4波长管

图9进气系统

3 结束语

1/4波长管是汽车进气系统常用的消声元件，由于其对噪声峰值的针对性强，因而对噪声性能优化效果十分明显。1/4波长管设计原理相似，但是其不同尺寸参数对噪声的优化效果造成一定差异。在实际车型开发过程中，需要根据实测结果，找出其对应的噪声峰值及频率，同时结合理论计算与实测数据进行分析，合理设计1/4波长管，使其满足进气口噪声性能优化的要求。这对降低整车噪声，提升整车品质具有一定的意义。

[1]赵要珍，许雪莹，韩国华.汽车进气系统噪声控制与优化[J].上海汽车，2012，(12):47.

[2]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，2006:214.

[3]岳贵平，张义民.非正态随机参数的旁支消声器声学可靠性灵敏度设计[J].机械科学与技术，2010，(6):721.