某渦輪增壓器Hiss噪聲測試分析及優(yōu)化

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某渦輪增壓器Hiss噪聲測試分析及優(yōu)化

單?？?，唐余林，王振新，楊 東，張紅軍

（宜賓凱翼汽車有限公司，四川 宜賓 644000）

隨著增壓發(fā)動機的普及，增壓器噪聲問題日益突出，尤其是Hiss噪聲，已成為行業(yè)內(nèi)重點難點問題。為解決某車型發(fā)動機渦輪增壓器Hiss噪聲問題，文章通過對Hiss噪聲的產(chǎn)生機理進(jìn)行分析，通過噪聲傳遞路徑及頻譜分析識別輻射噪聲強的部件，通過制作手工樣件對渦輪進(jìn)管進(jìn)行聲學(xué)包裹，經(jīng)驗證，該方案可行。最后，通過更改進(jìn)氣管材料，制作快速樣件，再次驗證優(yōu)化方案可行，Hiss噪聲得以解決。文章的研究對解決噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）工程實際問題有重要參考意義。

渦輪增壓器；Hiss噪聲；頻譜分析

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車動力性是用戶潛在的性能要求，該性能指標(biāo)也越來越受到用戶的關(guān)注[1]。與此同時，國家對汽車油耗及排放標(biāo)準(zhǔn)的要求也進(jìn)一步提高，因此，汽車企業(yè)不得不加大了對發(fā)動機技術(shù)的研發(fā)力度，其中渦輪增壓器具有改善發(fā)動機排放、提高燃油經(jīng)濟性、降低油耗等優(yōu)點，故在汽車發(fā)動機上得到廣泛應(yīng)用。同時，渦輪增壓發(fā)動機對提升汽車動力性能有重要作用，可以滿足客戶對車輛動力性要求。然而，由于渦輪增壓器工作轉(zhuǎn)速過高，可達(dá)到每分鐘十幾萬乃至幾十萬的工作轉(zhuǎn)速，所以渦輪增壓器滿足動力性能的同時，也帶來了不可避免的工作噪聲問題[2]。此噪聲如果不能被屏蔽或削弱，會給顧客的駕乘體驗帶來很大影響。

鑒于增壓器的結(jié)構(gòu)特征及噪聲發(fā)生機理，常見的噪聲主要有：葉片通過頻率（Blade Pass Frequency, BPF）噪聲、同步噪聲、次同步噪聲以及Hiss噪聲等。隨著業(yè)內(nèi)對增壓器噪聲的研究逐漸深入，如BPF噪聲、同步噪聲以及次同步噪聲等的解決方案已基本成熟，而對于Hiss噪聲的研究尚不夠深入[3]。所以文章對渦輪增壓器Hiss噪聲產(chǎn)生機理進(jìn)行介紹，通過測試分析，鎖定引起噪聲輻射強度大的部件，給與相關(guān)的解決方案，為其他具有渦輪增壓器Hiss噪聲的車型提供指導(dǎo)。

1 Hiss噪聲介紹及機理分析

1.1 Hiss噪聲簡述

Hiss噪聲也被稱為吸氣聲，是增壓器的常見工作噪聲。主要發(fā)生在油門被踩下瞬時，增壓器轉(zhuǎn)速在相對短的時間內(nèi)快速提升的工況下，其主要頻譜特征是頻帶較寬，出現(xiàn)的頻率可能在0～20 000 Hz，是寬頻噪聲[4]。

發(fā)動機對低速大扭矩的要求是導(dǎo)致Hiss噪聲產(chǎn)生的主要原因，它是由壓氣機的運行線穿過臨近喘振線的喘振區(qū)，導(dǎo)致喘振區(qū)域內(nèi)空氣流速瞬時變大，氣流在壓氣機葉輪根部產(chǎn)生剝離，進(jìn)而發(fā)生動蕩紊亂產(chǎn)生Hiss噪聲。

1.2 Hiss噪聲機理

渦輪增壓器壓氣機內(nèi)氣流的湍流是Hiss噪聲的激勵源，湍流的產(chǎn)生與壓氣機喘振線和邊際喘振區(qū)域相關(guān)。據(jù)業(yè)內(nèi)相關(guān)專業(yè)人士研究成果，當(dāng)發(fā)動機全負(fù)荷條件下，運行線過分靠近喘振線，進(jìn)入邊際喘振區(qū)域時，容易產(chǎn)生Hiss噪聲。此噪聲可通過壓氣機殼體、進(jìn)氣管道、中冷器管道等部件間接輻射，從進(jìn)氣口相關(guān)部件直接輻射。

2 Hiss噪聲測試分析

2.1 問題描述

某在研車型使用無級變速傳動（Continuously Variable Transmission, CVT）變速箱，搭載缸內(nèi)直噴型渦輪增壓發(fā)動機，小批量樣車在半油門加速工況，且發(fā)動機轉(zhuǎn)速區(qū)間為1 500～2 000 r/min時，存在一定程度的Hiss噪聲，主觀感受較差，無法滿足整車噪音、振動和聲振粗糙度（Noise, Vibra- tion, Harshness, NVH）性能要求，亟待解決。

2.2 測試工況

根據(jù)噪聲產(chǎn)生機理及噪聲特征，通過噪聲頻譜特性識別噪聲源，對問題車輛進(jìn)行道路試驗摸底測試，分析Hiss噪聲產(chǎn)生的頻段，識別該頻段內(nèi)噪聲輻射強度大的部件，即為噪聲貢獻(xiàn)量大的部件。

根據(jù)問題車噪聲出現(xiàn)的工況，確定整車的測試工況：1）D擋、半負(fù)荷（Partly Open Throttle, POT）、加速至3 000 r/min；2）分別在駕駛員右耳、渦輪、渦輪進(jìn)管、渦輪出管近場位置布置麥克風(fēng)。

2.3 測試方案

1）原狀態(tài)，按2.2測試工況執(zhí)行；2）手工樣件測試驗證，按2.2測試工況執(zhí)行；3）渦輪進(jìn)氣管采用5 mm三元乙丙橡膠（Ethylene Propylene Diene Monomer, EPDM）材料方案驗證，按章節(jié)2.2測試工況執(zhí)行。

2.4 噪聲源識別

圖1為問題車輛在D擋POT加速至3 000 r/min時測得的駕駛員右耳、渦輪近場、渦輪進(jìn)管近場以及渦輪出管近場噪聲頻譜。

測試結(jié)果表明，在7 000～10 000 Hz頻率范圍內(nèi)，均存在Hiss噪聲，且渦輪進(jìn)管頻譜上7 000～10 000 Hz頻率范圍頻譜色帶亮度突出，由此可見渦輪進(jìn)管輻射噪聲強度最大。

針對問題車輛，分別對進(jìn)氣口、空濾、渦輪進(jìn)管、渦輪本體、渦輪出管、前圍空調(diào)管路過孔密封性、前圍暖通過孔密封性等問題點進(jìn)行排查，最終鎖定主要問題在于渦輪進(jìn)管輻射噪聲強度大。通過制作手工樣件，對渦輪進(jìn)管進(jìn)行包裹驗證，主觀感受可接受，進(jìn)一步鎖定渦輪進(jìn)管輻射噪聲為主要貢獻(xiàn)源。針對這種噪聲，可從噪聲源頭及傳遞路徑上采取優(yōu)化措施。

圖1 原狀態(tài)噪聲頻譜圖

3 方案及驗證

通過對渦輪增壓器Hiss噪聲頻譜特性及產(chǎn)生機理進(jìn)行分析，Hiss噪聲主要從噪聲源和傳遞路徑上進(jìn)行控制。

3.1 優(yōu)化方案構(gòu)想

3.1.1噪聲源控制

要控制噪聲源，主要是要使增壓器的工作曲線盡量遠(yuǎn)離喘振曲線區(qū)域，可通過優(yōu)化增壓器本體結(jié)構(gòu)來達(dá)到降低本體噪聲的目的，具體方案有電噴標(biāo)定、大壓葉輪、可變截面渦輪增壓器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、渦輪進(jìn)氣結(jié)構(gòu)優(yōu)化及葉型優(yōu)化等。

3.1.2傳遞路徑控制

控制傳遞路徑上噪聲輻射強度大的部件，主要通過使用阻斷、隔離以及吸收等方式在噪聲傳遞路徑上對Hiss噪聲進(jìn)行控制，具體方法有整車聲學(xué)包優(yōu)化、進(jìn)氣管道包裹以及增加消聲器等。

本文涉及的案例車型，由于渦輪增壓器本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化比較繁雜，且成本較高，在開發(fā)階段進(jìn)行本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化不易推進(jìn)。尤其該車型項目已到小批量階段，所以綜合考量不建議從噪聲源頭控制Hiss噪聲，主要通過優(yōu)化傳遞路徑的方式來減弱或消除Hiss噪聲。首先對輻射噪聲強度最大渦輪進(jìn)管進(jìn)行包裹驗證，經(jīng)驗證，改善效果明顯，故渦輪進(jìn)管改用5 mm厚EPDM材料方案。

3.2 聲學(xué)包裹手工方案驗證

由于渦輪增壓器工作轉(zhuǎn)速高，進(jìn)氣系統(tǒng)管路內(nèi)會產(chǎn)生氣體壓力波動，壓力值達(dá)到幾百帕。氣體壓力波動通過管路輻射一定的噪聲，高頻噪聲通過空氣傳遞車內(nèi)。因此，為了驗證管路本身的輻射對車內(nèi)噪聲大小的影響，特對增壓器進(jìn)氣管進(jìn)行聲學(xué)包裹驗證，如圖2所示。

圖2 渦輪進(jìn)管聲學(xué)包裹手工方案

圖3為手工方案驗證和原狀態(tài)下駕駛員右耳處噪聲對比；圖4為手工方案驗證和原狀態(tài)下渦輪進(jìn)管近場噪聲對比。圖3測試數(shù)據(jù)對比結(jié)果表明，包裹渦輪進(jìn)管后，駕駛員右耳噪聲降低明顯；圖4對比結(jié)果表明，包裹渦輪進(jìn)管后，渦輪進(jìn)管近場噪聲降低尤為明顯，且主觀可接受。由此說明，從傳遞路徑上控制Hiss噪聲效果顯著。因此，通過改變管道的材料（改用阻尼和密度大的材料）、重新設(shè)計管壁的厚度都會達(dá)到一定的降噪效果。

圖3 手工方案和原狀態(tài)駕駛員右耳噪聲對比

3.3 改進(jìn)方案驗證

經(jīng)綜合評估，渦輪進(jìn)管采用5 mmEPDM材料，供應(yīng)商制作快速樣件進(jìn)行驗證。圖5為優(yōu)化后方案和原狀態(tài)及手工方案驗證駕駛員右耳處噪聲對比；圖6為車內(nèi)噪聲overall對比（濾波帶通6 000～12 000 Hz），工程方案優(yōu)化6.5 dB(A)；圖7為優(yōu)化后方案和原狀態(tài)及手工方案驗證渦輪進(jìn)管近場噪聲對比。

圖6 車內(nèi)噪聲overall對比（濾波帶通：6 000～12 000 Hz）

圖5及圖6測試數(shù)據(jù)對比結(jié)果表明，采用EPDM材質(zhì)渦輪進(jìn)氣管后，駕駛員右耳噪聲降低明顯；圖7對比結(jié)果表明，采用EPDM材質(zhì)渦輪進(jìn)氣管后，渦輪進(jìn)管近場噪聲降低尤為明顯，且主觀感覺可接受，綜合評估，滿足整車NVH性能要求。該方案驗證可行，變更為永久方案。

圖7 渦輪進(jìn)管優(yōu)化后近場噪聲對比

4 結(jié)束語

文章以某車型增壓器為研究對象，針對其存在的增壓器Hiss噪聲進(jìn)行測試分析及優(yōu)化，結(jié)果表明，在7 000～10 000 Hz頻率范圍內(nèi)，頻譜色帶亮度突出，由此說明渦輪進(jìn)管輻射噪聲強度最大，為Hiss噪聲主要貢獻(xiàn)源。通過制作手工聲學(xué)包樣件進(jìn)行臨時方案驗證，驗證結(jié)果表明，Hiss噪聲改善明顯。最終，通過控制傳遞路徑方式，優(yōu)化渦輪增壓器進(jìn)管，采用EPDM材質(zhì)軟管，解決了Hiss噪聲問題。該渦輪增壓器Hiss噪聲的解決思路可以在其他車型中得以推廣。

[1] 劉培培,程源,盧生林.汽車發(fā)動機渦輪增壓器Hiss噪聲分析與改進(jìn)[J].汽車工程師,2017 (10):44-45.

[2] 龐劍.汽車車身噪聲與振動控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[3] 范平麗,陳園明.增壓器Hiss噪聲優(yōu)化設(shè)計[J].時代農(nóng)機,2018,45(6):220-221.

[4] 楊德銀,吳孟兵,王帥.增壓器Hiss噪聲及泄氣噪聲優(yōu)化措施[J].內(nèi)燃機,2021(1):11-13,18.

Analysis and Optimization on Hiss Noise Testof a Turbocharger

SHAN Fukui, TANG Yulin, WANG Zhenxin, YANG Dong, ZHANG Hongjun

( Yibin Kaiyi Automobile Company Limited, Yibin 644000, China )

With the increasing popularity of supercharged engines, the noise problem of superchargers has become increasingly prominent, especially Hiss noise, which has become a key and difficult problem in the industry. In order to solve the problem of Hiss noise of a certain type of engine turbocharger, this paper analyzes the generation mechanism of Hiss noise, identifies components with strong radiated noise through noise transmission path and frequency spectrum analysis, and acoustically wraps the turbine air intake pipe by making manual samples, it has been verified that the scheme is feasible. Finally, by changing the material of the intake pipe, making a quick sample, and verifying that the optimization scheme is feasible again, the Hiss noise can be solved. The research of this paper has important reference significance for solving the practical problems of noise, vibration, harshness (NVH) engineering.

Turbocharger; Hiss noise; Frequency spectrum analysis

U464.135

A

1671-7988(2023)18-111-06

單?？?986－），男，工程師，研究方向為NVH開發(fā)調(diào)校，E-mail:shanfukui@newcowin.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.022