增壓中冷管高頻嘯叫輻射噪聲試驗研究與改進

施昭林　李恒　羅宏錦

摘要：渦輪增壓發(fā)動機通常表現(xiàn)為高頻噪聲問題，尤其是內(nèi)部高溫高壓高速氣流流經(jīng)局部結(jié)構(gòu)時，易于產(chǎn)生氣流再生噪聲，表現(xiàn)為窄頻帶特性。本文主要針對整車試驗過程中出現(xiàn)的車內(nèi)高頻“嘯叫”問題進行研究與解決方案。首先，通過整車轉(zhuǎn)轂試驗分析判斷噪聲源及主要傳遞路徑。其次，通過增壓中冷管路消聲器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，試制相應(yīng)的樣件方案。最后，優(yōu)化后的增壓管路安裝于整車并在轉(zhuǎn)轂消聲室內(nèi)驗證車內(nèi)噪聲改善效果。結(jié)果表明，優(yōu)化改進的增壓中冷管消聲器，對5500-6500Hz高頻“嘯叫”成分均有較明顯的抑制效果，表明消聲器外殼體與內(nèi)部芯子的空腔徑向尺寸與氣流再生噪聲的產(chǎn)生相關(guān)性較高，為增壓管路的工程開發(fā)提供有效的設(shè)計指導。

Abstract： High-frequency noise issue is much more serious on the turbocharger engine compared with natural aspirated engine. Especially when the air flow crushes the section-change area with high temperature， high pressure and high velocity， the air induced flow noise would happen， usually acts as narrow-band spectrum noise， and sometimes is called whistle noise. In this paper， we focused on the high-frequency whistle noise investigation and engineering solution. First， the vehicle test was preceded in the anechoic room with roller bench. As a result， the main noise source and transfer path was analyzed and the turbocharged air duct system is the main radiated path of such high-frequency whistle noise. Then， the interior structure of the silencer was modified and optimized， as well as completing prototype manufacturing. Finally， the prototypes were mounted on the vehicle and preceded the vehicle NVH test. In result， the modified silencers show great performance on 5500-6500Hz frequency band noise， which indicates highly relevant to the cavity distance between the outer shell and inner element of a certain silencer. The high-frequency whistle noise disappeared and such investigation could help provide engineering guide for turbocharged air duct system development.

關(guān)鍵詞：渦輪增壓;中冷管路;嘯叫;聲品質(zhì)

Key words： turbocharger engine;charged air duct;whistle;sound quality

0? 引言

渦輪增壓器車型，相較于自然吸氣車型，往往會增加諸多高頻噪聲成分[1]，使得車內(nèi)的駕乘舒適性受到較大的影響，因此針對增壓型發(fā)動機的高頻噪聲及聲品質(zhì)控制，成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點及研究趨勢[2]。

對于整車進氣管路系統(tǒng)而言，進氣管口的輻射噪聲一直以來便被業(yè)內(nèi)人士視為最主要的噪聲貢獻，因此在相當長一段時間內(nèi)，進氣系統(tǒng)NVH工程師皆專注于進氣口高頻噪聲的控制技術(shù)研究[3]。而目前進氣管口得到有效的控制后，增壓器下游即壓氣機出口至中冷器之間的管路（簡稱“增壓中冷管”）輻射噪聲，成為當下較為突出的高頻噪聲傳遞路徑之一。

目前的降噪措施主要在于增壓中冷管的消聲器設(shè)計。Lee等[4]設(shè)計了多腔體Helmholtz共振消聲器，尺寸緊湊、主要針對增壓管路的Whoosh/Hiss噪聲控制。齊昀等[5]提出了消聲器模塊化開發(fā)的理念，并在實際工程案例論證了模塊化消聲器在增壓中冷管NVH噪聲控制的作用。羅宏錦等[6]設(shè)計了具有高寬頻消聲功能的模塊化消聲器結(jié)構(gòu)，有效降低了某三缸1.5T汽油機增壓中冷管路輻射Hiss聲、泄氣聲成分，提升了車內(nèi)聲品質(zhì)水平。但上述文獻均基于消聲理念展開，事實上在渦輪增壓管路系統(tǒng)內(nèi)，高溫高壓高速氣流流經(jīng)管路內(nèi)部局部結(jié)構(gòu)時，易于產(chǎn)生氣流再生噪聲[7]。這種噪聲主要源于局部結(jié)構(gòu)處的湍流、紊流效應(yīng)所致，主要表現(xiàn)為高頻嘯叫，業(yè)內(nèi)也稱之為“口哨聲”。對于管路系統(tǒng)局部結(jié)構(gòu)所致的氣流再生噪聲研究，鮮有相關(guān)文獻論述，由于數(shù)值模擬方法的計算效率，及其準確性限值，主要的研究手段多采用試驗驗證研究為主。

本文基于某四缸1.5T汽油機整車案例，以加速工況產(chǎn)生的車內(nèi)高頻“嘯叫”為研究對象，通過增壓中冷管消聲器結(jié)構(gòu)的改進與優(yōu)化，驗證評估增壓中冷管“嘯叫”輻射水平及抑制效果，為提高車內(nèi)加速聲品質(zhì)水平提供工程應(yīng)用指導。

1? 渦輪增壓系統(tǒng)

圖1所示即為車用渦輪增壓系統(tǒng)的主要構(gòu)成與工作原理，新鮮空氣經(jīng)增壓后被送至中冷器進行冷卻，最終送入至發(fā)動機氣缸。渦輪增壓器由排氣廢氣驅(qū)動，管路系統(tǒng)內(nèi)部高溫高壓氣流流速非常高，局部細微結(jié)構(gòu)處的速度矢量更大，因此內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，或者生產(chǎn)工藝帶來的局部結(jié)構(gòu)差異，極易引起高頻氣流再生噪聲，從而影響整車NVH水平。

2? 增壓中冷管噪聲問題

2.1 增壓中冷管路系統(tǒng)模型

整車搭載的增壓中冷管路系統(tǒng)如圖2所示，整個系統(tǒng)由管路系統(tǒng)、消聲器，以及連接固定結(jié)構(gòu)組成。與增壓器出口側(cè)通過法蘭面螺栓固定，內(nèi)附密封圈，保證高溫高壓條件下的氣密性，與中冷器入口側(cè)通過膠管卡箍連接，膠管起到振動解耦的作用。中冷管路上設(shè)計了消聲器結(jié)構(gòu)，消聲器共四個消聲腔體，主要用于衰減和抑制源自渦輪增壓器內(nèi)部的氣流噪聲，主要表現(xiàn)為寬頻Hiss噪聲、泄氣聲等[8]。整個中冷管路系統(tǒng)，通過一個支架點固定于發(fā)動機支架點，因此管路本身隨發(fā)動機可視為剛性連接，無相對振動位移。

2.2 整車試驗與噪聲診斷

消聲整車試驗在轉(zhuǎn)轂半消聲室進行，背景噪聲影響較小，滿足整車噪聲測試及車內(nèi)“嘯叫”特征捕捉與驗證。試驗時于中冷管消聲器殼體表面近場約2cm設(shè)置聲學測點，車內(nèi)主駕右耳處設(shè)置聲學測點，如圖3所示。聲學采樣頻率為25600Hz，最高分析頻率為12800Hz。試驗工況為三擋WOT（Wide Open Throttle）工況，發(fā)動機轉(zhuǎn)速1000-4500r/min全油門加速。

將消聲器殼體附近近場測點、車內(nèi)測點噪聲時域信號經(jīng)快速傅里葉變換，即可得到相應(yīng)的噪聲時頻譜，如圖4所示。上圖為車內(nèi)主駕右耳處測點，下圖為消聲器殼體附近測點，由測試數(shù)據(jù)可知，整個加速工況過程，發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于3000r/min后，車內(nèi)存在明顯的高頻“嘯叫”，主觀評價如明顯的“口哨聲”，客觀數(shù)據(jù)可知在5500-6500Hz頻段存在明顯的窄頻帶噪聲成分。該噪聲成分沒有明顯的階次特性，也未顯示共振特征，表現(xiàn)為兩條突出的窄帶成分，且隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高頻率略有提升。同樣的噪聲特性，在增壓中冷管消聲器殼體近場測點也顯著存在，兩者一致性較好，噪聲成分特征相關(guān)性較強。

試驗過程中還采用吸音棉材料對消聲器殼體進行雙層包裹，發(fā)現(xiàn)車內(nèi)“口哨聲”有明顯的降低，主觀幾乎無法感知，說明消聲器殼體輻射為該高頻“嘯叫”的主要的噪聲源。同時分析兩條窄帶噪聲特性，與常見增壓器噪聲特征均不相似，增壓器同步噪聲通常表現(xiàn)于2500-3000Hz[9]，壓氣機BPF噪聲與同步噪聲及葉片數(shù)相關(guān)，一般而言發(fā)生在10000-20000Hz之間[10]，因此基本可以排除增壓器側(cè)帶來的噪聲成分影響。而另一種噪聲成分，目前通常被設(shè)計開發(fā)工程師所忽視，即氣流再生噪聲，簡而言之即為消聲器內(nèi)部穿孔等結(jié)構(gòu)，在高速氣流沖擊條件下而產(chǎn)生的一種隨機性、窄頻帶的噪聲，學術(shù)界研究的方腔流噪聲即為該工程案例的基本理論模型[7]。因此，后期的排查與方案改進，均基于該方向和思路開展。

3? 方案優(yōu)化與性能驗證

3.1 消聲器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)前述分析思路與推斷，該窄頻帶高頻“嘯叫”成分主要源于消聲器內(nèi)局部結(jié)構(gòu)影響，而且在消聲器的上殼體表面距內(nèi)部芯子的空腔徑向間隙較小，僅為3-4mm，尤其是高頻3#、4#消聲腔（由左至右依次標記為1#-4#），空腔容積?。ㄝS向尺寸?。?，開孔靠近隔板近，經(jīng)分析系最容易產(chǎn)生氣流噪聲成分的結(jié)構(gòu)。因此主要的優(yōu)化目標，即為優(yōu)化兩個高頻消聲腔所在的主管路消聲孔結(jié)構(gòu)，同時配合調(diào)整消聲器殼體結(jié)構(gòu)等。

根據(jù)前述分析思路與推斷，該窄頻帶高頻“嘯叫”成分很有可能產(chǎn)生于主管路-穿孔-聲腔系統(tǒng)之間，因此該問題改進優(yōu)化的技術(shù)路線為：①調(diào)整高頻腔對應(yīng)的穿孔結(jié)構(gòu);②調(diào)整消聲器外殼體形狀，尤其優(yōu)化上表面結(jié)構(gòu)。對此，作者通過產(chǎn)品改制以及試制快速樣件的形式，制備三種方案，如表1所示。Case 1&2主要基于原模具件進行消聲器芯子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，通過調(diào)整3#、4#腔所對應(yīng)的消聲孔結(jié)構(gòu)試制新的方案。Case 1將3#、4#消聲孔由？準4mm擴至？準6mm，能降低氣流再生噪聲的產(chǎn)生幾率;Case 2直接堵住3#、4#腔所在的消聲孔結(jié)構(gòu)，以識別與推斷高頻“嘯叫”的產(chǎn)生源;Case 3則直接設(shè)計消聲器結(jié)構(gòu)并試制快速樣件，保證各腔容積不變的前提下，消聲器外殼體流通截面調(diào)整為正圓形，從而避免前述上表面距芯子徑向間隙較小的情況，如圖6所示。

3.2 整車NVH性能驗證

將上述優(yōu)化后的消聲器裝配于增壓中冷管路系統(tǒng)，最終安裝于增壓器出口至中冷器段，與前述一致在整車轉(zhuǎn)轂消聲室內(nèi)完成NVH試驗驗證。如圖7所示即為優(yōu)化后整車搭載各方案狀態(tài)下，車內(nèi)及消聲器近場噪聲頻譜結(jié)果。根據(jù)試驗結(jié)果可知，Case 1方案6200Hz附近窄帶噪聲成分完全消失，而5500Hz附近窄帶成分仍存在，車內(nèi)主觀評價仍保留部分高頻“嘯叫”異響。Case 2方案在5500-6500Hz頻段內(nèi)兩條窄帶噪聲已被有效抑制，但由于完全堵住了3#、4#腔消聲孔，相當于犧牲了兩個腔體的消聲孔能，因此壓后消聲器近場噪聲1500-5500Hz頻段寬頻Hiss聲有所惡化，且3000Hz附近出現(xiàn)了增壓器典型的同步噪聲成分，車內(nèi)主觀評價異響仍存在，且Hiss噪聲較明顯，整體車內(nèi)聲品質(zhì)有惡化。Case 3在5500-6500Hz頻段內(nèi)兩條窄帶噪聲已完全消除，且其它頻段噪聲控制效果良好，整車車內(nèi)無明顯高頻“嘯叫”及其它異響成分，聲品質(zhì)水平良好。上述試驗驗證結(jié)果表明，增壓中冷管路消聲器的設(shè)計需要考慮高速氣流的影響，相應(yīng)地需要考慮消聲器外殼體與內(nèi)部芯子的空腔徑向尺寸，過小的間隙將容易導致氣流再生噪聲的產(chǎn)生。若工程允許的條件下，建議將消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計為正圓形流通截面，避免產(chǎn)生車內(nèi)異響等成分，不利于整車聲品質(zhì)水平控制。

4? 結(jié)論

以整車加速工況車內(nèi)高頻“嘯叫”異響為研究對象，對現(xiàn)有增壓管路消聲器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，通過轉(zhuǎn)轂試驗驗證增壓中冷管噪聲輻射水平及車內(nèi)聲品質(zhì)水平。

①增壓中冷管路輻射系車內(nèi)高頻“嘯叫”的主要噪聲源及傳遞路徑。

②優(yōu)化改進的增壓中冷管消聲器，均不同程度抑制了5500-6500Hz高頻“嘯叫”成分的產(chǎn)生，且正圓形樣件方案效果最佳，表明消聲器外殼體與內(nèi)部芯子的空腔徑向尺寸與氣流再生噪聲的產(chǎn)生相關(guān)性較高。

③氣流再生噪聲的產(chǎn)生機理及數(shù)值模擬分析工作仍有待進一步探索，為建立工程實踐的正向開發(fā)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]賈維新.發(fā)動機結(jié)構(gòu)噪聲和進氣噪聲的數(shù)字化仿真及優(yōu)化設(shè)計研究[D].浙江大學，2008.

[4]LEE I J， SELAMET A， KIM H. Design of a multi-chamber silencer for turbocharger noise [EB/OL]. [2014-05-21]. http：//digitallibrary.sae.org/content/2009-01-2048.

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

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

[7]王芳，劉秋洪，蔡晉生.方腔流動氣動噪聲邊界散射數(shù)值預(yù)測方法研究[J].空氣動力學學報，2015（5）：617-623.

[8]李恒.內(nèi)燃機進氣系統(tǒng)整體聲學預(yù)測方法及異響控制技術(shù)研究[D].浙江大學，2017.

[9]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(nèi)燃機工程，2013（01）：76-80.

[10]鄭光清，樓狄明.車用柴油機渦輪增壓器渦輪BPF噪聲的試驗研究[J].柴油機，2008（01）：42-44.

————————————

收稿日期：2020年2月7日。

作者簡介：施昭林，男，廣西柳州人，本科，學士，從事汽車中冷系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)研發(fā);李恒（通訊作者），男，浙江蘭溪人，工學博士，從事發(fā)動機CAE設(shè)計及進、排氣系統(tǒng)噪聲研究;羅宏錦，男，廣西柳州人，本科，學士，從事汽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)研發(fā)。