渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)加速氣流聲識(shí)別和控制

唐 蓓，鄧兆祥,2,，金 巖

（1.重慶大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，重慶 400044；2.汽車(chē)噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039；3.中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)加速氣流聲識(shí)別和控制

唐 蓓1，鄧兆祥1,2,3，金 巖3

（1.重慶大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，重慶 400044；2.汽車(chē)噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039；3.中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

針對(duì)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)加速過(guò)程產(chǎn)生的進(jìn)氣系統(tǒng)氣流噪聲，采用濾波回放方式對(duì)各個(gè)頻帶的噪聲通過(guò)主觀評(píng)價(jià)進(jìn)行貢獻(xiàn)度識(shí)別，確定對(duì)主觀感受影響較大的頻段。對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的各個(gè)位置分別采用隔聲的方式，識(shí)別出噪聲的發(fā)生位置主要在干凈空氣管和高壓管路熱端的部位。在高壓管路上設(shè)計(jì)高頻消聲器，對(duì)低壓管路的輻射噪聲采用隔聲的方案進(jìn)行處理。改進(jìn)方案較好地改善加速車(chē)內(nèi)的聲品質(zhì)。

聲學(xué)；渦輪增壓器；進(jìn)氣系統(tǒng)氣流噪聲；主觀評(píng)價(jià)；高頻消聲器

由于兼顧了動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放等方面的優(yōu)勢(shì)，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為了發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展方向[1]。但是渦輪增壓器在使車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)性能得到提升的同時(shí)，也讓汽車(chē)的噪聲問(wèn)題更為突出，由于增壓器的結(jié)構(gòu)、控制及運(yùn)轉(zhuǎn)都較為復(fù)雜，在工作中復(fù)雜的氣流運(yùn)動(dòng)無(wú)法避免，從而產(chǎn)生較為突出的氣流噪聲問(wèn)題[2]，影響發(fā)動(dòng)機(jī)和整車(chē)的聲品質(zhì)。尤其是增壓器帶來(lái)的噪聲多在瞬態(tài)情況下產(chǎn)生，容易被駕駛員感知和抱怨。

車(chē)輛加速過(guò)程中增壓器壓氣機(jī)介入工作時(shí)，由于氣流與壓氣機(jī)葉片發(fā)生脫離，進(jìn)氣管路內(nèi)的氣體發(fā)生不穩(wěn)定流動(dòng)而產(chǎn)生氣流聲（Whoosh Noise）[3]是最典型的現(xiàn)象之一。通常這種噪聲頻率范圍較寬、幅值不高。但由于其頻率范圍一般高于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲的主要頻率段（600 Hz～1 500 Hz），當(dāng)Whoosh現(xiàn)象發(fā)生時(shí)很難被掩蔽，而受到更多的抱怨。

通常會(huì)采用高頻消聲器和隔吸聲的方案控制Whoosh噪聲。調(diào)整渦輪增壓器的電控標(biāo)定也是解決Whoosh噪聲有效手段，但電控標(biāo)定的調(diào)整不可避免影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[4]。采用高頻消聲器和隔吸聲方案是最為可行的技術(shù)方案。正確識(shí)別抱怨的噪聲頻帶和對(duì)應(yīng)的噪聲發(fā)生位置是確保設(shè)計(jì)方案可行有效的前提條件。

Whoosh噪聲主要給用戶帶來(lái)主觀的抱怨。單純從客觀數(shù)據(jù)上判斷抱怨頻率缺乏準(zhǔn)確的依據(jù)。本文以某搭載渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的車(chē)型為例，論述了主觀評(píng)價(jià)客觀數(shù)據(jù)并結(jié)合測(cè)試手段判別Whoosh聲頻段和位置的方法。并通過(guò)有針對(duì)性的優(yōu)化方案，解決了客戶抱怨。

1 基于主觀評(píng)價(jià)的噪聲抱怨頻段識(shí)別

研究對(duì)象為搭載1.5 L排量渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的車(chē)型。整車(chē)在加速過(guò)程中，增壓器開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)刻，車(chē)內(nèi)能明顯感受氣流聲，主觀評(píng)價(jià)5.00分。三檔全油門(mén)加速過(guò)程車(chē)內(nèi)駕駛員耳旁噪聲頻譜見(jiàn)圖1。從圖中可見(jiàn)在當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到1 500 r/min后，增壓器啟動(dòng)。在1 500 Hz～10 000 Hz范圍內(nèi)存在寬頻氣流車(chē)內(nèi)噪聲。這種噪聲是典型的增壓器工作后產(chǎn)生的加速氣流聲（Whoosh Noise）。

圖1 三檔全油門(mén)加速過(guò)程中車(chē)內(nèi)噪聲頻譜

從客觀數(shù)據(jù)上能夠大致判斷氣流聲的頻帶，但無(wú)法確定這些頻率成分對(duì)駕駛員主觀感受的貢獻(xiàn)。本文采用濾波回放加主觀評(píng)價(jià)打分的方式確定抱怨頻率的貢獻(xiàn)度。為保證采集和回放的數(shù)據(jù)不失真，采用高精度數(shù)字人工頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用高保真耳機(jī)進(jìn)行聽(tīng)音回放。測(cè)試和回放設(shè)備見(jiàn)圖2。具體方式是對(duì)不同頻率成分的噪聲加帶阻濾波器，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)回放、主觀評(píng)價(jià)并打分。表1是通過(guò)這種方式打分得到的各個(gè)頻帶的噪聲對(duì)主觀評(píng)價(jià)的貢獻(xiàn)。

圖2 高精度的數(shù)字人工頭和高保真回放耳機(jī)

從表1中的結(jié)果來(lái)看，原狀態(tài)的主觀評(píng)級(jí)評(píng)分僅為5.00分，不能接受。對(duì)主觀貢獻(xiàn)最大的頻帶為2 000 Hz～3 000 Hz，該頻帶對(duì)主觀評(píng)價(jià)有1.25分的貢獻(xiàn)。其次為1000 Hz～2 000 Hz的頻帶，貢獻(xiàn)為0.75分。6 000 Hz～7 000 Hz頻帶以及7 000 Hz～8 000 Hz頻帶對(duì)主觀評(píng)價(jià)的貢獻(xiàn)約為0.50分。狀態(tài)9是將1 000 Hz～3 000 Hz和4 000 Hz～8 000 Hz頻帶噪聲濾波處理之后的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，主觀評(píng)價(jià)能達(dá)到7.50分，因此，這兩個(gè)頻段是改善主觀感受的關(guān)鍵頻段。在此基礎(chǔ)上，主觀評(píng)價(jià)人員又針對(duì)1 000 Hz～3 000 Hz頻率范圍的噪聲進(jìn)行了更細(xì)致濾波和主觀評(píng)價(jià)，結(jié)果表明1 800 Hz～2 600 Hz頻帶內(nèi)的噪聲對(duì)主觀感受貢獻(xiàn)最大。

2 噪聲發(fā)生位置的判斷和識(shí)別

圖2是渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的示意圖。加速過(guò)程的氣流聲出現(xiàn)的位置可能出現(xiàn)在高壓管路一端（壓縮空氣管的熱端和冷端），也可能出現(xiàn)在低壓端（進(jìn)氣口、空濾殼體和干凈空氣管）。因此，準(zhǔn)確識(shí)別出氣流聲的噪聲產(chǎn)生位置是采取優(yōu)化措施的前提條件。

在對(duì)不同管路采取隔聲措施和進(jìn)氣口噪聲分離條件下，進(jìn)行車(chē)內(nèi)噪聲的客觀測(cè)試和主觀評(píng)價(jià)。圖3為低壓管路1段屏蔽前后加速車(chē)內(nèi)噪聲的對(duì)比。從圖中可以看出，屏蔽低壓管路（干凈空氣管）后，車(chē)內(nèi)4 000 Hz～8 000 Hz的噪聲總值在增壓器開(kāi)始工作后的階段有4 dB以上的改善，主觀駕評(píng)得分提高到6.00分。

表1 各個(gè)頻帶噪聲對(duì)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的貢獻(xiàn)

圖3 渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的示意圖

圖4是對(duì)高壓管路熱端（壓氣機(jī)到中冷器）進(jìn)行隔聲處理后高壓管路近場(chǎng)噪聲的對(duì)比。

從圖4中可以看出，屏蔽高壓管路后，管路附近1 800 Hz～2 600 Hz的噪聲在增壓器開(kāi)始工作的階段有8 dB以上的改善。同時(shí)駕駛員耳旁1 800 Hz～2 600 Hz的噪聲有3.5 dB以上的改善（見(jiàn)圖5），主觀評(píng)價(jià)可以達(dá)到6.50分。可見(jiàn)壓氣機(jī)到中冷器之間管路對(duì)車(chē)內(nèi)1 800 Hz～2 600 Hz的噪聲有明顯貢獻(xiàn)。

3 改進(jìn)方案和效果

主觀評(píng)價(jià)和客觀測(cè)試的結(jié)果表明，干凈空氣管對(duì)4 000 Hz～8 000 Hz的噪聲有顯著貢獻(xiàn)。對(duì)于高頻率噪聲控制，隔聲方案往往比消聲器方案更有效果。因此，將干凈空氣管的EPDM厚度增加到3.5 mm，提高了管路的隔聲量。

為控制高壓管路1 800 Hz～2 600 Hz頻帶的噪聲，設(shè)計(jì)了多腔并聯(lián)共振式高頻消聲器的方案，圖6是消聲器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 屏蔽低壓管路后車(chē)內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)果

圖4 屏蔽高壓管路后高壓管路近場(chǎng)噪聲對(duì)比

圖5 屏蔽高壓管路后加速車(chē)內(nèi)噪聲對(duì)比

圖6 高頻消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

聲學(xué)有限元數(shù)值計(jì)算方法能較為精確地計(jì)算消聲器的傳遞損失[8]，圖7為消聲器有限元網(wǎng)格模型和傳聲損失仿真結(jié)果。網(wǎng)格類(lèi)型為四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長(zhǎng)為3 mm，采用理想氣體模擬空氣介質(zhì)。該消器的主要消聲頻帶范圍為1 800 Hz～2 800 Hz。

圖7 消聲器傳聲有限元模型和損失仿真結(jié)果

在干凈空氣管上隔聲，同時(shí)在高壓管路上采用消聲器能較好改善增壓器工作過(guò)程中產(chǎn)生的加速氣流聲，主觀駕評(píng)得分為6.75分，車(chē)型基本達(dá)到上市的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)在加速過(guò)程中氣流聲的頻帶和位置進(jìn)行識(shí)別，并采取隔聲和消聲的手段，使車(chē)輛在加速過(guò)程中的聲品質(zhì)得到明顯改善。通過(guò)研究可以得到以下結(jié)論：

(1)渦輪增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的進(jìn)氣系統(tǒng)Whoosh現(xiàn)象，頻率范圍較寬，分析客觀數(shù)據(jù)難于描述各個(gè)頻段對(duì)主觀感受的貢獻(xiàn)。通過(guò)高精度的人工頭采集數(shù)據(jù)，結(jié)合高保真度耳機(jī)進(jìn)行濾波回放，這種主觀評(píng)價(jià)的方式能夠有效識(shí)別各個(gè)頻段對(duì)駕駛員主觀感受的貢獻(xiàn)程度，確定需要采取措施的關(guān)鍵頻段。

(2)對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的各個(gè)位置進(jìn)行隔聲，識(shí)別出噪聲的發(fā)生位置。本文的案例表明，不同頻率的噪聲成分分別出現(xiàn)在進(jìn)氣系統(tǒng)的不同位置，在采取措施和方案前必須準(zhǔn)確加以判斷。

(3)準(zhǔn)確判斷各個(gè)噪聲頻段對(duì)主觀感受的貢獻(xiàn)，并識(shí)別出這些頻段噪聲產(chǎn)生的位置，才能采取有針對(duì)性的控制策略，平衡設(shè)計(jì)、成本和效果三者之間的關(guān)系。

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Identification and Minimization of Whoosh Noise from a Turbo-charged Gasoline Engine

TANG Bei1,DENG Zhao-xiang1,2,3,JIN Yan3
(1.Collage ofAutomotive Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China;2.State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology,Chongqing 400039,China;3.ChinaAutomotive Engineering Research Institute Co.Ltd.,Chongqing 401122,China)

The whoosh noise of the admission system of a turbo-charged gasoline engine in acceleration process is studied.Through filtering and replaying the interior noise from a car with the turbocharged gasoline engine,the contribution of each frequency band of the noise is identified by subjective evaluation.And the critical frequency bands are found.Noise sources of the critical bands are identified by applying insulation packages to different components of the admission system.It is found that the clean tube and the hot end of the high pressure tube of the air compressor are the main sources of the whoosh noise.Sound barrier and high frequency silencer are applied respectively to the clean tube and the high-pressure tube to suppress the whoosh noise.And the sound quality of the interior noise is remarkably improved.

acoustics;turbocharger;whoosh noise;subjective evaluation;high frequency silencer

O422.6

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.06.023

1006-1355(2017)06-0111-04

2017-05-16

唐蓓（1992-），女，河南省信陽(yáng)市人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)镹VH、車(chē)輛動(dòng)力學(xué)。

鄧兆祥，男，博士生導(dǎo)師。E-mail:1064762291@qq.com