增壓中冷管高頻嘯叫產生機理與解決方案研究

張帆 吳毅 羅宏錦 李恒

摘要：渦輪增壓發動機常常表現為高頻噪聲問題，在系統零部件配套時除需考慮增壓器內部產生噪聲的消聲設計外，還需考慮氣流再生噪聲。本文主要針對整車試驗過程中出現的車內高頻“嘯叫”的產生機理研究，并提出工程解決方案。研究基于前期排查診斷的傳遞路徑分析，以工程量產為目標，探究該“嘯叫”問題的工程化解決方案，并通過整車道路試驗驗證評估優化后消聲器的實際聲學性能。研究表明，消聲器外殼體與內部芯子的空腔徑向尺寸與氣流再生噪聲的產生相關性較高，二次氣流噪聲主要源于聲腔與穿孔之間的湍流效應產生。改進后的消聲器工程化方案對5500-6500Hz高頻“嘯叫”成分有顯著的改善效果，提升了車內駕乘舒適性。

Abstract： High-frequency noise issue is much more serious on the turbocharger engine compared with natural aspirated engine. So acoustic performance should be importantly focused during system developing， as well as the air induced flow noise design. In this paper， we focused on the high-frequency whistle noise investigation and engineering solution. Based on the pre-research on this topic， we were willing to find the engineering solution of this whistle noise and finally could be put in mass production. In result， the high frequency whistle noise was mainly caused by the so small cavity distance between the outer shell and inner element of a certain silencer， and turbulence effect was the core factor to this NVH issue. And the modified silencers show great performance on 5500-6500Hz frequency band noise. The high-frequency whistle noise disappeared and such investigation has helped improve the NVH level in the car.

關鍵詞：渦輪增壓;中冷管路;嘯叫;聲品質;氣流噪聲

Key words： turbocharger;charged air duct;whistle;sound quality;aerodynamic noise

0? 引言

渦輪增壓發動機常常表現為高頻噪聲成分[1]，影響車內舒適性，因此增壓發動機的高頻噪聲控制，已經是NVH行業重點研究方向[2]。

增壓器壓氣機的高速運轉產生高頻噪聲成分，通過中冷管路輻射，最終傳遞至車內被駕乘人員感知，通常這部分噪聲能量不高，但表現為較尖銳的異響。常用的技術手段主要集中在管路消聲器的設計，且目前國內均有相關學者及NVH工程人員展開相關的研究與解決方案，但NVH作為一門綜合學科，特定的噪聲特性需要特定的消聲結構針對性解決。國外較早開展增壓器出口消聲器開發的是標致雪鐵龍公司[3]，他們設計了一種“A型管”消聲器，針對壓后管路Whoosh聲進行控制。齊昀[4]、羅宏錦等[5]均先后設計高寬頻模塊化消聲器結構，有效降低汽油機增壓中冷管路輻射Hiss聲、泄氣聲成分。以上均基于管路消聲進行開發，事實上增壓中冷管內部易于產生氣流再生噪聲[6]，通常表現為 “口哨聲”。施昭林等[7]對某四缸1.5T汽油機壓后消聲器進行試驗研究發現消聲器內腔結構產生了二次氣流噪聲，并通過樣件試制的方式改變消聲器內部結構，實車驗證后“嘯叫”得到有效控制。

本文在文獻[7]的基礎上仍以加速工況車內“嘯叫”為研究對象，基于工程量產需求進行消聲器結構優化，并通過實車路試驗證增壓中冷管“嘯叫”輻射噪聲改善，為提高車內聲品質水平提供工程化解決方案。

1? 增壓中冷管噪聲問題

1.1 整車試驗

前期噪聲摸底排查試驗在轉轂半消聲室進行，環境背景噪聲小，滿足整車噪聲測試及車內“嘯叫”特征捕捉。試驗時分別在中冷管消聲器殼體表面近場、車內主駕右耳處共設置兩個聲學測點。圖1所示即為三擋WOT加速工況車內主駕右耳處與消聲器殼體近場測點的噪聲頻譜結果。發動機轉速高于3000r/min后，車內存在明顯的 “嘯叫”，主要表現在5500-6500Hz頻段窄頻帶成分，且與中冷管消聲器近場測點噪聲特征相吻合，兩者關聯性較強。

1.2 噪聲診斷與分析

前期文獻[7]作者已通過試驗研究判斷高頻“嘯叫”的主要來源，并通過試制快速樣件裝車驗證，得到了與預期目標相符的結果。具體的優化方案為：保證消聲器各腔容積不變的前提下，消聲器外殼體流通截面調整為正圓形，從而避免外殼體上表面距芯子徑向間隙過小導致二次氣流噪聲。

搭載快速樣件優化方案后，整車三擋WOT加速工況車內主駕右耳處與消聲器殼體近場測點的噪聲頻譜，如圖2所示。原狀態5500-6500Hz窄頻帶“嘯叫”噪聲已完全消除，且其它頻段噪聲控制效果良好，車內基本無明顯“口哨聲”異響。但該方案僅作為“嘯叫”產生機理的研究，實際工程中考慮布置邊界、整體美觀性等需求，最重要的一點中冷管外殼體已正式開模，直接更改模具將帶來非常大的模具投入成本以及人工成本，因此需基于量產可行性的思路開展工程化解決方案。

2? 消聲器內芯結構優化

2.1 消聲器結構優化

如上所述，高頻“嘯叫”主要源于消聲器上殼體表面距內部芯子的空腔徑向間隙較小所致，較小的聲腔容易導致氣流流經穿孔在孔部位產生局部湍流，從而激發出二次氣流噪聲，最終表現為車內的“嘯叫”異響。因此從工程化角度出發，優化兩個消聲器內芯結構，尤其是調整上表面穿孔結構及數量，系本輪優化工作的重中之重。另外，消聲器結構優化后，盡可能保證類似的消聲性能，即保證相似水平的管路消聲性能。圖3所示即為消聲器內芯結構調整的數據，整體而言，將4個腔所對應的主管路開孔結構均有調整，更改了第3#、4#腔穿孔結構（擴大單孔孔徑，保證穿孔面積不變，從而保證消聲性能基本一致），同時將1#、2#腔上表面穿孔去除，且調整了其余三個面的孔數。

2.2 消聲器傳遞損失特性

傳遞損失（TL：Transmission Loss）能直接反映消聲器結構的消聲性能，常用于評價系統的消聲性能。圖4所示為三個消聲器方案的的傳遞損失結果，分別為原狀態消聲器、文獻[7]快速樣件消聲器、本次工程化改進的消聲器方案。根據TL結果可知，本次基于工程量產可行性優化改進的消聲器結構，其自身固有的消聲性能仍保持較高的水平，TL平均幅值高于20dB@1000-3200Hz，雖然在1500-4000Hz整體消聲幅值有一定的衰減，但覆蓋頻段均能滿足NVH消聲性能要求，整體結果與文獻[7]快速樣件方案消聲能力相當，基本滿足設計目標。

3? 整車NVH性能驗證

將改進后的消聲器結構，安裝于試驗車增壓中冷管位置，進行試驗驗證評估消聲器的實際聲學性能。由于“嘯叫”異響主要體現在主觀感知范疇，對于客觀數據的實際水平并不關注，而更關注于5500-6500Hz特征頻段噪聲成分的相對水平，因此本次驗證通過道路試驗完成。試驗于專業的試車場平直道路進行，變速箱置于三擋，全油門WOT加速工況。圖5所示即為優化后的車內與消聲器近場測點的噪聲頻譜，可以發現中冷管路近場5500-6500Hz窄頻帶“嘯叫”噪聲已完全消除，表明消聲器產品基本符合優化設計目標，同時車內噪聲相應頻段“嘯叫”成分也完全消除，車內主觀評價良好，無明顯異響存在。

4? 結論

基于整車加速工況車內高頻“嘯叫”異響問題，展開了噪聲產生機理的研究并提供工程解決方案，主要得出以下結論：

①增壓中冷管路輻射系車內高頻“嘯叫”的主要傳遞路徑，“嘯叫”主要源于消聲器外殼體與內部芯子之間的聲腔以及穿孔之間的局部湍流效應所致。②優化改進的增壓中冷管消聲器，完全機制了5500-6500Hz高頻“嘯叫”的產生，車內主觀評價良好，無明顯異響，同時該方案基于工程化開發，可直接應用于批量件的生產制造。③氣流再生噪聲的本質產生機理待進一步通過數值模擬手段進行探索，為建立工程實踐的正向開發提供理論指導。

參考文獻：

[1]Broatch A， Galindo J， Navarro R， et al. Numerical and experimental analysis of automotive turbocharger compressor aeroacoustics at different operating conditions[J]. International Journal of Heat and Fluid Flow. 2016， 61， Part B： 245-255.

[2]PEAT K S， TORREGROSA A J， BROATCH A， et al. An investigation into the passive acoustic effect of the turbine in an automotive turbocharger [J]. Journal of Sound and Vibration， 2006， 295： 738-756.

[3]Eric P. Trochon. A New Type of Silencers for Turbo charger Noise Control[J]. 2001 SAE International， 2001-01-1436.

[4]齊昀，賈維新，趙明，李恒.消聲器的模塊化設計開發理念[J].噪聲與振動控制，2019，39（03）：226-229.

[5]羅宏錦，李恒.渦輪增壓中冷管輻射噪聲分析及優化[J].內燃機與配件，2019（11）：33-36.

[6]溫華兵，徐文江，鮑蘇寧，等.柴油機廢氣渦輪增壓器噪聲機理及性能試驗研究[J].內燃機工程，2013（01）：76-80.

[7]施昭林，李恒，羅宏錦.增壓中冷管高頻嘯叫輻射噪聲試驗研究與改進[J].內燃機與配件，2020（04）：30-33.