基于車內動力感特征的進氣聲浪設計與試驗研究

趙 明 李 恒

（上海大創汽車技術有限公司 上海 201804）

引言

隨著某些駕駛群體（尤其是某些中青年駕駛群體）對車輛行駛時NVH 性能的特殊需求，動力感設計已成為當下乘用車領域開發的熱點之一。提高整車駕駛的動力感，在特殊工況獲得激進的聽覺爆發力與沖擊感，儼然成為當下某些年輕駕駛群體的熱切需求。

對于車輛聲浪增強技術的研究，目前主要關注排氣系統的聲學調校與聲浪設計[1-3]。而對車內駕乘人員的主觀動力感音效設計，目前主要通過3 種途徑實現：電子模擬[4]、主動發聲[5-6]、聲音引導增強[7]。電子模擬，即將事先錄制好的音頻進行存儲，在特定工況通過喇叭釋放。主動發聲，即根據車輛行駛工況，采用電子控制技術，通過程序合成配比不同的噪聲成分，實現特定噪聲成分增強的目的。上述2 種途徑均依托于硬件特性，長時間運行，性能會下降甚至失效，且音效容易單薄失真。聲音引導增強則完全采用機械式結構將發動機管路本身的脈動壓力[7]以共振的方式進行放大、引導至駕駛室，因結構簡單，成本較低，且性能穩定，可作為車內動力感聲學定制的主要技術方案進行研究。

本文以國內某1.4T 4 缸渦輪增壓緊湊型乘用車為研究對象，基于聲音引導增強技術設計開發了進氣聲浪結構，完成整車搭載試驗，對比安裝進氣聲浪結構前后的車內噪聲頻譜特性，分析進氣聲浪結構對車內動力感的優化效果。

1 進氣聲浪結構

圖1 所示為進氣聲浪結構模型，整個結構由上、下殼體以及中間的彈性膜片組成，內部分為左右2部分腔體，彈性膜片通過螺栓固定在上、下殼體結合的中間部位，因此構成了左上腔、左下腔、右上腔、右下腔4 個空腔。其中，彈性膜片的外圈由橡膠制成，中間則由塑料制成，整個彈性膜片可以繞著中間轉軸實現一定角度的旋轉擺動。圖中箭頭所指為入射聲波成分，具有很強的脈動壓力，激起左側空腔內的膜片產生振動，而左側膜片的振動帶動右側膜片振動，從而在右側空腔內產生特定頻段的振動聲波成分，最終將該頻段聲波成分引至駕駛室內，形成車內強烈的動力感特征。

圖1 進氣聲浪結構模型

因此，實現該結構特定聲波成分放大的核心在于獲得一個強烈的脈動壓力源。發動機進氣歧管分別給發動機各氣缸供氣，由于各缸的工作存在相位差，因此各歧管內的氣流存在一定的相位差，即管內存在強烈的脈動壓力成分。特別是渦輪增壓型車輛，中冷器出口至進氣歧管的管路內部均存在相當強烈的脈動壓力，因此將中冷器出口至進氣歧管的管路作為進氣聲浪結構入口的優選位置。

2 聲波傳遞性能試驗

將進氣聲浪結構安裝于阻抗管設備[8]，采用聲壓級為120 dB 的寬頻聲源，聲源頻段為20～20 000 Hz，聲源通過功率放大設備輸出聲波，傳遞至阻抗管管路，經過進氣聲浪結構，最終輻射至大氣。試驗時，將傳聲器測點布置于進氣聲浪結構出口截面中心，對比安裝進氣聲浪結構前后的噪聲頻譜特性，最終獲得聲波傳遞性能曲線如圖2 所示。

圖2 進氣聲浪結構聲波傳遞性能試驗結果

該進氣聲浪結構，對于聲波傳遞起主要作用的頻段為150～400 Hz，尤其在200～350 Hz 頻段，其聲波傳遞效率最高，透射聲波成分能量最高。因此可以預計，該進氣聲浪結構安裝于整車后，在150～400 Hz頻段，噪聲成分能得到增強，而低頻噪聲成分主要表現為強烈的低沉感，可提高駕駛動力感。

3 整車聲學性能驗證

整車試驗通過路試進行，試驗道路為平坦的試車專用道，環境噪聲小。將進氣聲浪結構安裝于節氣門體前端管路，即中冷器出口至節氣門體的管路，采用3D 打印金屬三通管進行連接固定。進氣聲浪結構的進口通過膠管連接至三通管，出口采用塑料管連接并引導至發動機機艙靠近前擋下方的導水槽位置。因此，節氣門體前端管路內部的強烈脈動壓力激起進氣聲浪結構內部的彈性膜片產生簡諧振動，最終通過輸出管路引至導水槽內。聲波在導水槽空腔內形成強烈的混響，通過鈑金件傳遞至駕駛室內，最終達到增強車內聲波能量的目的。

試驗過程中，于駕駛員右耳處布置一個傳聲器，用于采集評估車內聲學特性。聲學采樣頻率設為25 600 Hz，頻率分辨率設為2 Hz，時域信號經快速傅里葉變換可獲得相應的噪聲頻譜。試驗分別在2擋、3 擋節氣門全開（Wide Open Throttle，WOT）工況進行。

3.1 2 擋WOT 工況

圖3 所示為2 擋WOT 工況駕駛員右耳測點的噪聲頻譜。

圖3 2 擋WOT 工況駕駛員右耳測點噪聲頻譜

原狀態無進氣聲浪結構，車內噪聲成分整體較“純凈”，聲波能量較低，主要為2 階發火階次以及其他高轉速區域的高階成分為主，因此車內整體較靜謐，舒適性較好，但駕乘過程中缺乏動力感與力量感。安裝進氣聲浪結構后，150～400 Hz 頻段的聲波能量明顯增強，主要表現在4 階次、6 階次以及其它半階次高階噪聲成分增強，尤其在200～300 Hz 頻段，聲波能量集中，且在整個加速過程均有明顯的聲波能量激勵。因此，整車路試加速過程中，隨著油門踏板的深度變化，車內動力感聲波隨之此起彼伏，在特殊工況充滿激進的聽覺爆發力。

3.2 3 擋WOT 工況

圖4 所示為3 擋WOT 工況駕駛員右耳測點的噪聲頻譜結果。

圖4 3 擋WOT 工況駕駛員右耳測點噪聲頻譜

與2 擋WOT 工況相類似，安裝進氣聲浪結構后，150～400 Hz 頻段聲波能量明顯增強且集中。尤其在200～300 Hz 頻段，4 階次噪聲成分被徹底激發出來，為加速過程的主要聲波能量。整車加速過程中，深踩油門踏板，車內動力感聲波隨之顯現；而在低速、勻速行駛工況，車內仍然保持靜謐的聲學環境。由于聲波能量來源于發動機的管路內部壓力脈動，因此進氣聲浪的音效貼近內燃機輻射噪聲的音效，真實且飽滿。

綜上可知，原狀態車輛，車內聲波能量較弱，尤其體現在4 階以上的高階次噪聲成分均較弱，車內整體聲學環境較安靜。為滿足動力感定制化需求，針對年輕人細分市場開發動力感特別款車型，安裝進氣聲浪結構后，車內150～400 Hz 頻段噪聲成分顯著增強，尤其體現在200～300Hz 頻段，激發了中高轉速的4 階以上高階次、半階次噪聲成分，整體車內動力感聲學特征明顯提高。深踩油門，車內駕駛動力感明顯增強，飽滿且真實，大大提高了車內駕乘的力量感，效果良好，滿足開發預期目標。

4 結論

1）本文設計的進氣聲浪結構，在200～350 Hz 頻段，聲波傳遞效率最高，透射聲波成分能量最高。

2）進氣聲浪結構有利于增強150～400 Hz 頻段車內聲波能量，主要表現在4 階次、6 階次以及其它半階次高階噪聲成分增強，尤其在200～300 Hz 頻段，聲波能量集中，且在整個加速工況均有明顯的聲波能量激勵。

3）進氣聲浪結構可以實現加速過程車內駕駛動力感聲學激勵，飽滿且真實，而在低速、勻速行駛工況，車內仍然保持靜謐的聲學環境。

4）針對進氣聲浪結構設計過程的理論計算與數值模擬技術有待進一步研究，以探究更深層次的聲波能量增強機理，分析其相關影響因素與定量關系。