增壓中冷管高頻嘯叫產(chǎn)生機(jī)理與解決方案研究

張帆 吳毅 羅宏錦 李恒

摘要：渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)常常表現(xiàn)為高頻噪聲問題，在系統(tǒng)零部件配套時(shí)除需考慮增壓器內(nèi)部產(chǎn)生噪聲的消聲設(shè)計(jì)外，還需考慮氣流再生噪聲。本文主要針對(duì)整車試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的車內(nèi)高頻“嘯叫”的產(chǎn)生機(jī)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(chǎn)為目標(biāo)，探究該“嘯叫”問題的工程化解決方案，并通過整車道路試驗(yàn)驗(yàn)證評(píng)估優(yōu)化后消聲器的實(shí)際聲學(xué)性能。研究表明，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，二次氣流噪聲主要源于聲腔與穿孔之間的湍流效應(yīng)產(chǎn)生。改進(jìn)后的消聲器工程化方案對(duì)5500-6500Hz高頻“嘯叫”成分有顯著的改善效果，提升了車內(nèi)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(guān)鍵詞：渦輪增壓;中冷管路;嘯叫;聲品質(zhì);氣流噪聲

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

0? 引言

渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)常常表現(xiàn)為高頻噪聲成分[1]，影響車內(nèi)舒適性，因此增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的高頻噪聲控制，已經(jīng)是NVH行業(yè)重點(diǎn)研究方向[2]。

增壓器壓氣機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生高頻噪聲成分，通過中冷管路輻射，最終傳遞至車內(nèi)被駕乘人員感知，通常這部分噪聲能量不高，但表現(xiàn)為較尖銳的異響。常用的技術(shù)手段主要集中在管路消聲器的設(shè)計(jì)，且目前國(guó)內(nèi)均有相關(guān)學(xué)者及NVH工程人員展開相關(guān)的研究與解決方案，但NVH作為一門綜合學(xué)科，特定的噪聲特性需要特定的消聲結(jié)構(gòu)針對(duì)性解決。國(guó)外較早開展增壓器出口消聲器開發(fā)的是標(biāo)致雪鐵龍公司[3]，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種“A型管”消聲器，針對(duì)壓后管路Whoosh聲進(jìn)行控制。齊昀[4]、羅宏錦等[5]均先后設(shè)計(jì)高寬頻模塊化消聲器結(jié)構(gòu)，有效降低汽油機(jī)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(jìn)行開發(fā)，事實(shí)上增壓中冷管內(nèi)部易于產(chǎn)生氣流再生噪聲[6]，通常表現(xiàn)為 “口哨聲”。施昭林等[7]對(duì)某四缸1.5T汽油機(jī)壓后消聲器進(jìn)行試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)消聲器內(nèi)腔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了二次氣流噪聲，并通過樣件試制的方式改變消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)車驗(yàn)證后“嘯叫”得到有效控制。

本文在文獻(xiàn)[7]的基礎(chǔ)上仍以加速工況車內(nèi)“嘯叫”為研究對(duì)象，基于工程量產(chǎn)需求進(jìn)行消聲器結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并通過實(shí)車路試驗(yàn)證增壓中冷管“嘯叫”輻射噪聲改善，為提高車內(nèi)聲品質(zhì)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(yàn)

前期噪聲摸底排查試驗(yàn)在轉(zhuǎn)轂半消聲室進(jìn)行，環(huán)境背景噪聲小，滿足整車噪聲測(cè)試及車內(nèi)“嘯叫”特征捕捉。試驗(yàn)時(shí)分別在中冷管消聲器殼體表面近場(chǎng)、車內(nèi)主駕右耳處共設(shè)置兩個(gè)聲學(xué)測(cè)點(diǎn)。圖1所示即為三擋WOT加速工況車內(nèi)主駕右耳處與消聲器殼體近場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的噪聲頻譜結(jié)果。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于3000r/min后，車內(nèi)存在明顯的 “嘯叫”，主要表現(xiàn)在5500-6500Hz頻段窄頻帶成分，且與中冷管消聲器近場(chǎng)測(cè)點(diǎn)噪聲特征相吻合，兩者關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。

1.2 噪聲診斷與分析

前期文獻(xiàn)[7]作者已通過試驗(yàn)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(yàn)證，得到了與預(yù)期目標(biāo)相符的結(jié)果。具體的優(yōu)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(diào)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(dǎo)致二次氣流噪聲。

搭載快速樣件優(yōu)化方案后，整車三擋WOT加速工況車內(nèi)主駕右耳處與消聲器殼體近場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的噪聲頻譜，如圖2所示。原狀態(tài)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(nèi)基本無明顯“口哨聲”異響。但該方案僅作為“嘯叫”產(chǎn)生機(jī)理的研究，實(shí)際工程中考慮布置邊界、整體美觀性等需求，最重要的一點(diǎn)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(chǎn)可行性的思路開展工程化解決方案。

2? 消聲器內(nèi)芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 消聲器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

如上所述，高頻“嘯叫”主要源于消聲器上殼體表面距內(nèi)部芯子的空腔徑向間隙較小所致，較小的聲腔容易導(dǎo)致氣流流經(jīng)穿孔在孔部位產(chǎn)生局部湍流，從而激發(fā)出二次氣流噪聲，最終表現(xiàn)為車內(nèi)的“嘯叫”異響。因此從工程化角度出發(fā)，優(yōu)化兩個(gè)消聲器內(nèi)芯結(jié)構(gòu)，尤其是調(diào)整上表面穿孔結(jié)構(gòu)及數(shù)量，系本輪優(yōu)化工作的重中之重。另外，消聲器結(jié)構(gòu)優(yōu)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(nèi)芯結(jié)構(gòu)調(diào)整的數(shù)據(jù)，整體而言，將4個(gè)腔所對(duì)應(yīng)的主管路開孔結(jié)構(gòu)均有調(diào)整，更改了第3#、4#腔穿孔結(jié)構(gòu)（擴(kuò)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(shí)將1#、2#腔上表面穿孔去除，且調(diào)整了其余三個(gè)面的孔數(shù)。

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(jié)構(gòu)的消聲性能，常用于評(píng)價(jià)系統(tǒng)的消聲性能。圖4所示為三個(gè)消聲器方案的的傳遞損失結(jié)果，分別為原狀態(tài)消聲器、文獻(xiàn)[7]快速樣件消聲器、本次工程化改進(jìn)的消聲器方案。根據(jù)TL結(jié)果可知，本次基于工程量產(chǎn)可行性優(yōu)化改進(jìn)的消聲器結(jié)構(gòu)，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(jié)果與文獻(xiàn)[7]快速樣件方案消聲能力相當(dāng)，基本滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3? 整車NVH性能驗(yàn)證

將改進(jìn)后的消聲器結(jié)構(gòu)，安裝于試驗(yàn)車增壓中冷管位置，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證評(píng)估消聲器的實(shí)際聲學(xué)性能。由于“嘯叫”異響主要體現(xiàn)在主觀感知范疇，對(duì)于客觀數(shù)據(jù)的實(shí)際水平并不關(guān)注，而更關(guān)注于5500-6500Hz特征頻段噪聲成分的相對(duì)水平，因此本次驗(yàn)證通過道路試驗(yàn)完成。試驗(yàn)于專業(yè)的試車場(chǎng)平直道路進(jìn)行，變速箱置于三擋，全油門WOT加速工況。圖5所示即為優(yōu)化后的車內(nèi)與消聲器近場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的噪聲頻譜，可以發(fā)現(xiàn)中冷管路近場(chǎng)5500-6500Hz窄頻帶“嘯叫”噪聲已完全消除，表明消聲器產(chǎn)品基本符合優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)車內(nèi)噪聲相應(yīng)頻段“嘯叫”成分也完全消除，車內(nèi)主觀評(píng)價(jià)良好，無明顯異響存在。

4? 結(jié)論

基于整車加速工況車內(nèi)高頻“嘯叫”異響問題，展開了噪聲產(chǎn)生機(jī)理的研究并提供工程解決方案，主要得出以下結(jié)論：

①增壓中冷管路輻射系車內(nèi)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(nèi)部芯子之間的聲腔以及穿孔之間的局部湍流效應(yīng)所致。②優(yōu)化改進(jìn)的增壓中冷管消聲器，完全機(jī)制了5500-6500Hz高頻“嘯叫”的產(chǎn)生，車內(nèi)主觀評(píng)價(jià)良好，無明顯異響，同時(shí)該方案基于工程化開發(fā)，可直接應(yīng)用于批量件的生產(chǎn)制造。③氣流再生噪聲的本質(zhì)產(chǎn)生機(jī)理待進(jìn)一步通過數(shù)值模擬手段進(jìn)行探索，為建立工程實(shí)踐的正向開發(fā)提供理論指導(dǎo)。

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