【摘 要】降低消除发动机进气噪声是汽车进气系统的一项重要功能，汽车进气系统设计时常用的消声元件有赫姆霍兹消音器和四分之一波长管，文章结合一运用实例详述了如何进行赫姆霍兹消音器和四分之一波长管设计。
【关键词】进气系统；消声元件；赫姆霍兹消音器；四分之一波长管
1 汽车进气系统的结构和功能简介
图 1为汽车进气系统的大致结构示意简图，整个进气系统结构可以分为四大部分：空滤进气管、空气滤清器、空滤出气管以及在空滤进出管上的消声元件。纹结构，出气管材料通常为橡胶管。
图1 进气系统结构示意图
1.空滤进气管 2.赫姆霍兹消音器 3.空滤器 4.滤芯 5.1/4波长管
6.空滤出气管
第四，消声元件。汽车发动机工作时，由于进排气门的周期性开闭引起进排气管道内空气压力和密度起伏变化，形成空气动力性噪声。噪声会通过进气系统管道向外传递，所以进气系统还需要设计相应的消声元件。进气系统中比较常用的消声元件有赫姆霍兹消音器和四分之一波长管。赫姆霍兹消音器和四分之一波长管一般设置在空滤进出气管路上。
本文将针对消声元件赫姆霍兹消音器和四分之一波长管的声学原理、结构参数进行详述，并结合运用实例说明其在进气系统设计中的实际运用。
2 赫姆霍兹消音器声学原理
第一，空滤进气管。空滤进气管主要起进气气流引导作用，进气管路走向要尽可能光滑平顺以利于降低空气的进气阻力。进气口位置尽量设置在位置较高处，避免雨水进入。进气口应该避免在散热器及发动机的热空气处，降低进气温度可以提高发动机的充气效率。
第二，空气滤清器。空气滤清器中滤芯可以过滤空气中的灰尘杂质，使干净空气进入发动机燃烧。同时空滤也相当于一个扩张式消声器结构，起到消声作用。
第三，空滤出气管。空滤出去管的后端与发动机节气门相连。为了隔离发动机振动的传递，空滤出气管上会做有波
如图 2所示，赫姆霍兹消音器由一个消声容器和一根短管组成，短管与主管连接，赫姆霍兹消音器是一种历史悠久的消声器。当入射声波到达消声容器时，一部分声波反射回去，一部分声波进入容器并在容器内振动消耗部分声能，从而达到消声目的。
赫姆霍兹消音器主要针对中底频噪声进行消除，其共振频率为：
传递损失为：
式中，V：消声容器容积；lc：连接管长度；Sc：连接管截面积；Sm：主管截面积；c：当地声速。
从式（1）、式（2）可以看出，影响赫姆霍兹消音器共振频率和传递损失的参数有：消声容器容积V，连接管长度lc，连接管截面积Sc，主管截面积Sm。
3 四分之一波长管声学原理
如图 3所示，四分之一波长管是安装在主管道上的一个封闭的管子，当声波从主管道进入封闭管后，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。
四分之一波长管主要针对高频消声，其共振频率为：
传递损失为：
式中，L：波长管的长度；m：波长管截面积与主管截面积之比，n：整数1,2,3……
从式（3）知道，四分之一波长管的频率只取决于波长管的长度，管道越长，频率越低。从式（4）知道，影响四分之一波长管传递损失的参数有两个，一个是波长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。
4 赫姆霍兹消音器和四分之一波长管设计实例
在某车型项目开发中，对进气系统进行加速噪声测试发现，当发动机转速在3300转左右时，进气系统4阶和6阶噪声存在比较大的峰值，影响NVH性能。
图4 进气系统噪声测试结果
根据进气系统噪声测试结果，3300转2阶噪声峰值对应频率为220赫斯，6阶噪声峰值对应频率为330赫斯。进气系统需要增加消声元件分别消除频率为220赫斯和330赫斯的频率噪声。
根据整车空间状况，220赫斯频率噪声用赫姆霍兹消音器消除，330赫斯频率噪声用四分之一波长管消除。
根据式（1）可以计算确定赫姆霍兹消音器尺寸结构参数为：
f：赫姆霍兹消音器共振频率220赫斯；
V：赫姆霍兹消音器消声容器容积0.35升；
lc：赫姆霍兹消音器连接管长度取55mm；
Sc：赫姆霍兹消音器连接管截面积314mm2，换算成连接圆管直径为20mm；
c：取声速为340m/s。
设计的赫姆霍兹消音器结构如图5所示。
图5 赫姆霍兹消音器结构
根据公式（3）可以计算确定四分之一波长管的结构参数为：
f：四分之一波长管共振频率330赫斯；
L：波长管的长度为257mm；
c：取声速为340m/s。
取四分之一波长管直径为26mm。
设计的四分之一波长管如图6所示。
图6 四分之一波长管
设计的赫姆霍兹消音器和四分之一波长管安装在空滤出去管上，图7为进气系统结构布置图。
图7 为进气系统结构布置图
5 试验测试验证
根据设计的赫姆霍兹消音器和四分之一波长管制作样件进行进气系统加速噪声测试。
第一，增加容积为0.35升赫姆霍兹消音器噪声测试。
经过测试增加 0.35升赫姆霍兹消音器后，发动机转速3300转左右的峰值噪声由105分贝降低到92分贝，见图8。
图8 增加容积为0.35升赫姆霍兹消音器噪声测试结果
第二，增加四分之一波长管噪声测试。
经过测试增加四分之一波长管后，发动机转速 3300转左右的峰值噪声由107分贝降低到93分贝，见图9。
图9 增加四分之一波长管噪声测试结果
6 总结
赫姆霍兹消音器和四分之一波长管的设计步骤为：
第一，根据噪声测试结果，确定噪声峰值频率。
第二，根据整车空间布置，确定赫姆霍兹消音器容积、四分之一波长管长度。
第三，根据式（1）再确定其它的尺寸参数。
第四，制作样件进行试验验证。
