本书从汽车NVH性能开发工程师的方面出发，努力将基础理论、产品设计、工程经验和措施方案等方面紧密地融合在一起，可以供汽车NVH性能开发工程师、发动机性能集成开发工程师、汽车动力系统模块设计开发工程师、高等院校振动噪声方向在校学生和科研人员等的阅读参考。

  1）为发动机输送清洁、干燥、充足和稳定的空气，并调节吸入空气和燃油的比例，通过 控制进气量的多少，使得进入发动机气缸内的混合气空燃比保持最佳值。

  2）阻挡外界固体或液体杂质（ 如污水或雨雪等）进入发动机气缸内，预防发动机的非正常磨损或运行故障，提高发动机的工作可靠性。

  3）通过进气系统管道内置的空气流量计，或者压力传感器与温度传感器，准确测量出发 动机的进气流量，保证发动机燃烧标定参数控制的精准性。

  4）通过进气系统的消声隔振元件布置安装，降低进气系统对车内/外振动噪声的负面影响。

  与排气系统相比，现有乘用车的进气系统基本都是安装在发动机舱内部。因此，进气系统的设计开发必须简洁紧凑，不能占用过多的内部空间。并且，由于进气系统噪声传播方向与进 气气流方向是相反的，这也导致进气系统与排气系统之间声学设计存在显著差异。

  一般而言，进气系统NVH性能开发的首要目标是降低噪声。其中，进气口噪声通常是车内和车外的主要贡献源，不仅影响整车的车外通过噪声指标，还影响车内的振动噪声水平，因 此对车辆的驾乘舒适性有较大的影响。而进气口噪声与消声容积直接相关，进气系统的消声容 积通常是指空滤器、谐振腔和波长管等所有消声元件的容积之和。一般来说，进气系统的消声 容积越大，进气系统的消声量也会越大，进气消声的频率范围也会越宽。因此，在进气系统的 总体消声容积大小限制范围内，如何合理地匹配与优化、组合不同的消声单元，这是进气系统NVH性能设计的关键所在。

  在大多数情况下，进气系统的NVH性能目标与压降或者内阻性能目标之间会经常发生冲突和矛盾，且相互制约。在同样的进气系统消声容积条件下，如果是通过提高消声元件的扩张 比参数，增加消声性能的水平，那么会导致进气管路截面积相对地变小，额定空气体积流量下 的气流速度就会增加，气流摩擦阻力和能量损失也就相应地增大，最终会导致进气系统的压降 升高，发动机的充气效率降低，影响发动机的动力性和经济性。因此，如何平衡声学性能目标 与压降内阻目标，这也是进气系统设计过程中最为纠结的难题。

  简而言之，基于新车型项目的进气系统NVH集成开发过程，主要包括前期策划、进气NVH性能开发的目标设定、进气系统NVH方案的设计优化、实车验证调校和整车量产后的一致性控制等主要工作，如图5-1所示。

  在整车项目的前期策划和概念设计阶段，首先需要收集整理进气NVH开发相关的动力系统关键信息，以及整车NVH性能的属性要求。比如，动力总成的布置形式，发动机的进气流量，增压类型，发动机的额定转速、功率、转矩和进气内阻等参数，发动机舱的热管理要求， 进气系统NVH性能的开发定位（静谧型、舒适型、动力型、运动型），进气系统的目标成本，开发周期和使用寿命，前发动机机舱的行人保护策略，车辆的销售区域，整车涉水深度等设计要求内容。然后，再进行基础车、竞品车和对标车的进气系统NVH性能主观评价与整车级NVH测试对标，为车型项目开发提供进气系统NVH目标设定的参考依据，重点关注进气系统噪声振动水平、进气噪声的阶次分布，以及进气系统的声品质类型等。

  进气系统零部件的解析对标和部件级NVH性能测试对比，也是项目前期非常重要的工作内容，需要对基础车、竞品车和对标车的进气系统零部件，进行结构拆解对比和测绘分析，同 时重点关注进气系统的总体布置情况和总容积、空滤器和谐振腔等消声元件的容积分布、进气 管的材质厚度和管径长度、进气口的位置和形状、振动解耦的波纹管类型和长度，以及增压进 气系统涉及的高频谐振腔、泄压阀和冷却器等零部件结构设计特点。此外，本阶段还要对空滤 器本体、谐振腔和编织管等进气消声部件进行结构模态测试与传声损失测试，对进气系统零部 件安装连接的隔振垫进行隔振能力、弹性参数和材料硬度等性能测试等，为进气系统零部件的 目标设定与工程化方案设计提供设计参考。以上工作的最终目的，都是为了在车型项目前期就 开展进气系统NVH开发理念与设计方案的先期导入，结合该车型平台或动力总成系列的进气系统NVH性能历史问题梳理，以及对应的进气系统改进措施与NVH重点问题规避清单。基于现有同级别车型的NVH性能定位，可初步拟定出新车型项目进气系统的NVH开发策略、NVH目标和设计方案。其中，初定的进气系统NVH目标包括：整车各个工况下的进气口噪声水平与阶次分布、空滤器和谐振器等消声零部件的传声损失等声学特性要求、安装进气部件的隔振 器件NVH性能要求、空滤器或管路的声辐射要求或表面壳体模态目标等。而进气系统的初步设计方案主要包括：进气口位置、空滤器容积和安装支架的形式、进/出管的长度和管径、谐振腔数量和容积、增压车型的泄气方式、高频谐振腔的尺寸和位置、泄气管径的尺寸和位置、 增压进气管路的壁厚和材质、振动解耦元件的类型和位置等。

  在新车型开发的工程方案设计阶段，基于进气系统的初步设计数据、发动机舱的总布置数 据，以及标定校核过的发动机仿真模型等资料信息输入。进气系统

  仿真分析是工程方案设计的关键工作，主要包括整车模型的进气口噪声分析优化、进气消声元件传声损失的仿真分 析优化、空滤器等进气部件的壳体声辐射仿真分析优化等。这为杂合车匹配和工装车验证的进 气系统

  开发工作提供了进气零部件设计数据冻结和制造开模指令发布的技术依据。其中， 对于进气口噪声的仿真分析优化，首先通过对初始设计方案进行噪声特性和流体

  目标值（总声压级、阶次噪声分布、噪声级线性度、流速均匀性、湍流能分布和内阻背压等）的要求。若进气口噪声满足目标值要求，则 可初步确定此进气系统的设计方案。若不满足目标值的要求，则需进行进气消声元件（如空滤 器、低频谐振腔、四分之一波长管、高频谐振腔和编织管等）的重新设计，以及进气口噪声的 多轮次仿真分析优化，直至最终满足预定的进气系统

  目标值要求。最终，才能确定杂合车进气系统的快速样件制作方案和后期工装车进气系统的调校改进方案。通常，进气系统背压 内阻与进气口噪声是进气系统开发设计过程中始终存在的矛盾，需要综合平衡地考虑。进气系 统

  设计方案和发动机机舱的布置装配，进行多部门（总布置部门、产品设计部门和

  设计方案的一致性之外，还要考虑进气系统部件与机舱周边的足够间隙，预防动力总成运动过程的异响问题发生，以及保障机舱热管理和装配工艺等性能，共同推动完成进气系统 相关零部件的招标定点工作。

  在车型项目的开发验证阶段，重点是对杂合车和工装车的进气系统NVH性能反复验证与调校过程，需要紧密跟踪动力总成系统的标定状态和整车制造装配的成熟度，动力总成的转矩 输出、排放控制、燃烧标定和增压匹配参数等，都对整车的进气NVH性能有显著的影响。对杂合车和工装车的多批次开发验证工作，都包含了整车状态下的进气系统NVH性能主观评价与客观测试、进气系统对车内/外噪声和整车振动水平的贡献量评价测试分析、整车状态的进气系统NVH性能匹配与调校、进气系统零部件的NVH性能验收等工作内容。其中，进气系统对整车NVH性能的贡献量分析可以在转毂消声实验室和道路上分别进行测试分析，主要通过进气口噪声或振动的隔离屏蔽方法，对比评价进气口噪声源或振动路径分离状态的整车NVH性能变化情况，可以分别评估进气系统对车内/外噪声与整车振动水平在“空气声”路径和“结构声”路径的灵敏度，这也是进气系统NVH性能实车调校过程的关键工作。

  在车型量产和售后服务阶段，则应主要保证进气系统供应商的零部件供货质量，保障进气系统在整车装配过程的生产一致性，跟踪处理进气系统相关的市场NVH问题，以及新增进气系统零部件供应商的质量控制审核等。

  关于进气口在整车设计布置中的位置选择问题，有如下几点需要进行综合地考虑。首先， 如果从阻隔水、雪或灰尘等空气杂质的角度考虑，进气口应尽量布置在机舱内较高的位置，以 增加车辆的涉水通过性能，或者尽量要远离车轮附近的位置，避免飞溅异物杂质的侵入。若要 降低进气口噪声对车内“空气声”路径的贡献量，那么进气口位置要距离乘员舱越远越好。而从降低车外通过噪声指标的角度出发，进气口应避免直接朝向车辆的左/右两侧，最好隐藏在机舱的内部。此外，如果从提升发动机动力性能的角度来讲，应该尽量保证进气口位置的空气 温度较低，不能距离排气歧管太近，避免发动机舱内的高温空气绕流，这样可以让充足的冷空 气进入到发动机气缸内，以提高发动机的燃烧性能。综上所述，对于进气口位置的设计选择，类似于进气系统的消声量性能与内阻背压目标一样，都需要进行全面评估与综合权衡。通常来 讲，进气口处的噪声水平对车内和车外的影响都较大，对于搭载非增压发动机的车型，进气口 噪声源的主要成分包括周期性的压力脉动噪声、涡流或紊流噪声、进气管路的气柱共振噪声、 进气歧管与气缸之间的赫姆霍兹共振噪声等。

  一般情况下，周期性的压力脉动噪声是进气口噪声中最主要的成分，这是由于发动机气缸进气门周期性地开启和闭合运动导致进气管路内的压力发生间歇性的波动而产生的。在发动机 的工作过程中，当气缸的进气门开启时，新鲜空气会进入气缸之中，由于进气管道内空气的快速流动，在进气管路中会形成一个明显的压力脉冲，这个压力脉动会随着缸体活塞位置的改变而变化，并受到机械阻尼和气动阻尼的作用而发生衰减。同样的，当气缸的进气口关闭时，由于瞬时压差的作用也会产生一个压力脉动，也会逐渐地减弱或消失。因此，在发动机在工作过程中，这两种压力脉动会周期性地交替出现，从而导致了在进气口位置周期性压力脉动噪声的形成。

  由于这种周期性的压力脉动噪声是进气门开闭过程引起的，因此，压力脉动频率fp与运行转速、气缸数和冲程数等发动机状态参数直接相关，其频率解析计算的表达式如式（5-1）所示。

  式中，k=1,2,3…为简谐阶次；n为发动机的转速；Z为发动机的气缸数；t为发动机的冲程数。周期性的进气压力脉动噪声通常有明显的阶次特征，其噪声能量主要是集中在较低的频率范围，并有可能引起进气管口和进气零部件（比如空滤器）薄壁结构的低频声辐射问题，或者 通过与车身连接部件的“结构声”传递路径，引起车内的低频振动或轰鸣问题。

  由于进气系统的周期性压力脉动、进气管道内部的障碍物、管道内壁表面的粗糙度不均匀 性，以及空气黏性等原因，进气管道内的空气流动特性也不稳定，因此出现大量的湍流或者涡 旋脱落现象，并伴随着空气压力的波动，形成所谓的湍流噪声或者紊流噪声。进气系统的湍流 噪声频率与进气气流的不稳定状态密切相关，通常气流的流速越快或者涡旋脱落的速度越快， 湍流噪声的频率就越高，一般都会超过1000Hz。但是，这种湍流噪声频率又是不稳定的，具有不确定性的随机特征，这是因为进气气流动态流形的不规律性造成的。

  当进气管路的内部气流经过简单几何形状的障碍物时，其湍流噪声的主要峰值频率fv可以 利用式（5-2）进行粗略估算。

  式中，Sh为斯特劳哈尔数，为与雷诺系数相关的无量纲数，在进气系统气动噪声分析中，通常的取值范围在0.14 ~ 0.5之间；U为空气气流的速度；d为气流流经障碍物的特征尺寸；k=1,2,3…为谐波阶次数。

  气柱共振噪声是由发动机进气门关闭时，进气管道中的空气柱共振导致的进气噪声源。当进气门关闭后，进气管路的一端就被封闭，而另一端直接与外部空气相通，从而形成了一端开 口，而一端封闭的气柱管路。当进气气流脉动频率与气柱的特定阶次固有频率接近时，就容易 激励出对应阶次的气柱共振现象，并通过进气管口向外辐射噪声或引起进气管路的结构共振问 题。通过计算两端分别“开口—封闭”状态的进气管路气柱固有频率，可以大致推算出气柱共振噪声的特征阶次频率fr，如式（5-3）所示。

  从式（5-3）中可以得出，气柱共振噪声频率主要是与进气管路的长度相关，两者之间为反比关系，进气管路的长度越长，气柱共振噪声的频率就越低。通常的，进气系统气柱共振噪声 的特征阶次频率主要分布在1000Hz以下的中低频率范围之内，并且高于周期性的压力脉动噪声频率。

  因为发动机气缸与进气歧管直接相连，每个气缸与相对应的进气歧管支管都组成了一端封 闭的赫姆霍兹类型共振腔，这就容易引起气体压力脉动激励的气缸声腔共振噪声问题。所以， 根据赫姆霍兹消声器共振频率的解析计算方法，可以类推出发动机气缸的一阶固有频率fH，如式（5-4）所示。

  气缸容积V会跟随活塞运动而发生变化，因此，气缸的赫姆霍兹共振峰值噪声也就分布在较宽的低频范围。由于汽车行业目前普遍采用的是多缸发动机，各气缸之间存在着相互的干扰 影响，于是这种气缸共振低频噪声问题就不再那么显著和重要，也不是进气系统噪声的主要组 成成分。

  对于搭载涡轮增压发动机的进气系统NVH性能开发而言，进气口噪声除了包括上述4种进气噪声成分之外，更为突出的是由于涡轮、压气机、执行器和冷却器等增压系统零部件引起 的复杂噪声问题，比如喘振噪声、泄气声、啸叫和异响等。

  根据噪声控制机理的不同，进气系统NVH消声元件可分为主动式、半主动式和被动式3种。其中主动式和半主动式的进气消声元件通常采用闭环或开环控制系统，在整车的不同工况 条件下，执行不同的进气控制策略，从而优化与改善进气系统的综合性能。主动式进气消声元 件通常是使用特定传感器实时检测进气管道声波的传递特性，通过发声装置产生与噪声频率和 幅值相同，而相位相反的声波，通过声波的干涉作用，与入射声波相互叠加抵消，实现特定频率范围的噪声控制。半主动式的进气消声器通常是通过不同形式的执行机构，经过控制进气气 流的路径变化，在不同整车工况下，实现最优的进气性能。但是，由于半主动式和主动式的进 气系统消声元件系统结构复杂，成本较高，涉及更多工况的整车性能控制标定工作，因此在量 产车型上的搭载应用较少。而被动式的消声元件没有采用复杂的控制系统，结构简单、成本低、可靠性高，所以是目前汽车进气系统NVH性能开发中广泛采用的主流设计的具体方案。

  按照消声机理的不同，被动式的进气消声元件可分为3类，分别为抗性消声元件、阻性消声元件和阻抗复合式消声元件。

  1）抗性消声器是在入射声波通过抗性消声元件时，令声波传播的空间发生变化，引起声阻抗的变化，进而发生干涉、反射和透射等声学现象，从而降低特定频率范围的声能量传播， 用于消减中低频的进气噪声。由于抗性消声器的结构简单，能在工作环境较为恶劣的进气系统 中保持良好的可靠性，且成本较低，在进气系统噪声控制中应用最多。抗性消声器结构形式是 影响消声能力的关键设计要素，通常分为扩张式消声器和旁支式消声器两种类型，可依据发动 机舱的空间布置情况选择使用。

  2）进气系统阻性消声元件主要是通过多孔吸声材料，吸收和耗散声波能量，具有体积小， 消声频带宽等特点，适用于降低中高频的进气噪声。与抗性消声元件相比，多孔吸声材料容易 发生损耗，尤其是要避免被吸入到涡轮增压器或发动机燃烧室之中，因此通常大多数是应用在 空滤器进气管部分。

  3）阻抗复合式消声元件是将阻性吸声材料和抗性结构消声器进行集成组合，通常是在抗 性消声元件的内腔布置嵌入阻性多孔材料，提升抗性结构消声器的消声频带宽度和消声量。值 得注意的是，部分车型为了解决进气系统涡轮增压的高频噪声问题，在涡轮增压器的前端或后 端采用内置吸声材料的复合消声元件，虽然能够有效改善车辆初期使用阶段的NVH性能感知体验。但由于增压发动机进气管路的流速较高，吸声材料会逐渐地损耗，随着车辆行驶里程或 使用时间的增加，发动机性能和进气降噪水平都将严重地劣化。

  在设计进气系统的消声元件时，需要根据进气噪声特性和消声器声学特性进行分析比较， 常用的声学性能评价指标主要有4类，分别是传递损失、插入损失、声压级差值和管口声压级。在实际工程应用中，一般都会综合以上各个评价指标，针对整个进气系统和单个消声元件分别 做全面的声学特性评价。

  通常来讲，狭义的进气系统是指发动机节气门体与进气口之间的气流通道部分，其中比较常用或重要的进气消声元件有空气滤清器、低频谐振腔、中高频谐振腔、波长管和编织管等零 部件，以下将对这些进气消声元件介绍它们的声学特性和工程应用情况。

  本书内容简介：本书重点针对发动机NVH性能开发过程中的重点机构和零部件系统分别进行了阐述，共分成8章：第1章为发动机振动激励的基础原理和理论基础部分，主要介绍了单缸和多缸发动机的振动激励分析机理。第2章则详细地阐述了发动机平衡性设计开发的概念方法和常见的衍生NVH问题。第3章从发动机噪声的分类、发动机噪声的测试评价及很多类型噪声的识别分析技术等，并提供了较全面的问题分析排查方法和工程解决措施方案。第4章详尽地阐述了很多类型的增压器噪声问题。第5章介绍了进气系统的NVH性能集成开发流程、常见的进气系统噪声问题、进气系统关键零部件的声学特性分析和进气系统的声增强技术。第6章介绍了排气系统NVH性能集成开发的要素、不同消声器类型的声学特性分析和排气系统的常见噪声问题。第7章介绍了发动机燃油系统的噪声问题。第8章介绍了常见的发动机NVH性能开发典型案例。

  8.3BSG混合动力发动机的前端轮系传动带纵向振动控制与压缩机啸叫275

  8.5.4排气歧管的流致噪声CFD仿线怠速关空调工况燃油管路压力脉动引起的车内噪声289

  张军，工学博士，毕业于上海交通大学机械设计与理论专业，正高级工程师，始终坚守在振动噪声领域研究和车型产品NVH性能开发工作的第一线，擅长快速解决NVH领域的“疑难杂症”，积极开展汽车NVH技术的基础理论研究和流程体系建设，探索汽车NVH技术与智能网联技术的融合实践，积极推动中国自主品牌汽车企业的NVH开发核心技术发展与NVH专业方面技术人才教育培训，已发表学术论文140多篇申请专利40多项，兼任多所高校的研究生指导老师，兼任国内外多个学术期刊的审稿人，现为赛力斯汽车有限公司资深NVH专家。