涡轮增压发动机进气系统加速气流声识别和控制

唐 蓓，邓兆祥,2,，金 岩

（1.重庆大学 汽车工程学院，重庆 400044；2.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 400039；3.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122）

涡轮增压发动机进气系统加速气流声识别和控制

唐 蓓1，邓兆祥1,2,3，金 岩3

（1.重庆大学 汽车工程学院，重庆 400044；2.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 400039；3.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122）

针对增压发动机加速过程产生的进气系统气流噪声，采用滤波回放方式对各个频带的噪声通过主观评价进行贡献度识别，确定对主观感受影响较大的频段。对进气系统的各个位置分别采用隔声的方式，识别出噪声的发生位置主要在干净空气管和高压管路热端的部位。在高压管路上设计高频消声器，对低压管路的辐射噪声采用隔声的方案进行处理。改进方案较好地改善加速车内的声品质。

声学；涡轮增压器；进气系统气流噪声；主观评价；高频消声器

由于兼顾了动力性、经济性和排放等方面的优势，涡轮增压发动机已经成为了发动机技术发展方向[1]。但是涡轮增压器在使车用发动机性能得到提升的同时，也让汽车的噪声问题更为突出，由于增压器的结构、控制及运转都较为复杂，在工作中复杂的气流运动无法避免，从而产生较为突出的气流噪声问题[2]，影响发动机和整车的声品质。尤其是增压器带来的噪声多在瞬态情况下产生，容易被驾驶员感知和抱怨。

车辆加速过程中增压器压气机介入工作时，由于气流与压气机叶片发生脱离，进气管路内的气体发生不稳定流动而产生气流声（Whoosh Noise）[3]是最典型的现象之一。通常这种噪声频率范围较宽、幅值不高。但由于其频率范围一般高于发动机结构噪声的主要频率段（600 Hz～1 500 Hz），当Whoosh现象发生时很难被掩蔽，而受到更多的抱怨。

通常会采用高频消声器和隔吸声的方案控制Whoosh噪声。调整涡轮增压器的电控标定也是解决Whoosh噪声有效手段，但电控标定的调整不可避免影响到发动机的动力性和经济性[4]。采用高频消声器和隔吸声方案是最为可行的技术方案。正确识别抱怨的噪声频带和对应的噪声发生位置是确保设计方案可行有效的前提条件。

Whoosh噪声主要给用户带来主观的抱怨。单纯从客观数据上判断抱怨频率缺乏准确的依据。本文以某搭载涡轮增压发动机的车型为例，论述了主观评价客观数据并结合测试手段判别Whoosh声频段和位置的方法。并通过有针对性的优化方案，解决了客户抱怨。

1 基于主观评价的噪声抱怨频段识别

研究对象为搭载1.5 L排量涡轮增压发动机的车型。整车在加速过程中，增压器开始启动时刻，车内能明显感受气流声，主观评价5.00分。三档全油门加速过程车内驾驶员耳旁噪声频谱见图1。从图中可见在当发动机达到1 500 r/min后，增压器启动。在1 500 Hz～10 000 Hz范围内存在宽频气流车内噪声。这种噪声是典型的增压器工作后产生的加速气流声（Whoosh Noise）。

图1 三档全油门加速过程中车内噪声频谱

从客观数据上能够大致判断气流声的频带，但无法确定这些频率成分对驾驶员主观感受的贡献。本文采用滤波回放加主观评价打分的方式确定抱怨频率的贡献度。为保证采集和回放的数据不失真，采用高精度数字人工头进行数据采集，利用高保真耳机进行听音回放。测试和回放设备见图2。具体方式是对不同频率成分的噪声加带阻滤波器，然后进行数据回放、主观评价并打分。表1是通过这种方式打分得到的各个频带的噪声对主观评价的贡献。

图2 高精度的数字人工头和高保真回放耳机

从表1中的结果来看，原状态的主观评级评分仅为5.00分，不能接受。对主观贡献最大的频带为2 000 Hz～3 000 Hz，该频带对主观评价有1.25分的贡献。其次为1000 Hz～2 000 Hz的频带，贡献为0.75分。6 000 Hz～7 000 Hz频带以及7 000 Hz～8 000 Hz频带对主观评价的贡献约为0.50分。状态9是将1 000 Hz～3 000 Hz和4 000 Hz～8 000 Hz频带噪声滤波处理之后的主观评价结果，主观评价能达到7.50分，因此，这两个频段是改善主观感受的关键频段。在此基础上，主观评价人员又针对1 000 Hz～3 000 Hz频率范围的噪声进行了更细致滤波和主观评价，结果表明1 800 Hz～2 600 Hz频带内的噪声对主观感受贡献最大。

2 噪声发生位置的判断和识别

图2是涡轮增压发动机进气系统的示意图。加速过程的气流声出现的位置可能出现在高压管路一端（压缩空气管的热端和冷端），也可能出现在低压端（进气口、空滤壳体和干净空气管）。因此，准确识别出气流声的噪声产生位置是采取优化措施的前提条件。

在对不同管路采取隔声措施和进气口噪声分离条件下，进行车内噪声的客观测试和主观评价。图3为低压管路1段屏蔽前后加速车内噪声的对比。从图中可以看出，屏蔽低压管路（干净空气管）后，车内4 000 Hz～8 000 Hz的噪声总值在增压器开始工作后的阶段有4 dB以上的改善，主观驾评得分提高到6.00分。

表1 各个频带噪声对主观评价结果的贡献

图3 涡轮增压发动机进气系统的示意图

图4是对高压管路热端（压气机到中冷器）进行隔声处理后高压管路近场噪声的对比。

从图4中可以看出，屏蔽高压管路后，管路附近1 800 Hz～2 600 Hz的噪声在增压器开始工作的阶段有8 dB以上的改善。同时驾驶员耳旁1 800 Hz～2 600 Hz的噪声有3.5 dB以上的改善（见图5），主观评价可以达到6.50分。可见压气机到中冷器之间管路对车内1 800 Hz～2 600 Hz的噪声有明显贡献。

3 改进方案和效果

主观评价和客观测试的结果表明，干净空气管对4 000 Hz～8 000 Hz的噪声有显著贡献。对于高频率噪声控制，隔声方案往往比消声器方案更有效果。因此，将干净空气管的EPDM厚度增加到3.5 mm，提高了管路的隔声量。

为控制高压管路1 800 Hz～2 600 Hz频带的噪声，设计了多腔并联共振式高频消声器的方案，图6是消声器的结构示意图。

图3 屏蔽低压管路后车内噪声测试结果

图4 屏蔽高压管路后高压管路近场噪声对比

图5 屏蔽高压管路后加速车内噪声对比

图6 高频消声器内部结构

声学有限元数值计算方法能较为精确地计算消声器的传递损失[8]，图7为消声器有限元网格模型和传声损失仿真结果。网格类型为四面体网格，网格边长为3 mm，采用理想气体模拟空气介质。该消器的主要消声频带范围为1 800 Hz～2 800 Hz。

图7 消声器传声有限元模型和损失仿真结果

在干净空气管上隔声，同时在高压管路上采用消声器能较好改善增压器工作过程中产生的加速气流声，主观驾评得分为6.75分，车型基本达到上市的要求。

4 结语

针对涡轮增压发动机进气系统在加速过程中气流声的频带和位置进行识别，并采取隔声和消声的手段，使车辆在加速过程中的声品质得到明显改善。通过研究可以得到以下结论：

(1)涡轮增压器运转过程中产生的进气系统Whoosh现象，频率范围较宽，分析客观数据难于描述各个频段对主观感受的贡献。通过高精度的人工头采集数据，结合高保真度耳机进行滤波回放，这种主观评价的方式能够有效识别各个频段对驾驶员主观感受的贡献程度，确定需要采取措施的关键频段。

(2)对进气系统的各个位置进行隔声，识别出噪声的发生位置。本文的案例表明，不同频率的噪声成分分别出现在进气系统的不同位置，在采取措施和方案前必须准确加以判断。

(3)准确判断各个噪声频段对主观感受的贡献，并识别出这些频段噪声产生的位置，才能采取有针对性的控制策略，平衡设计、成本和效果三者之间的关系。

[1]朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器[M].北京：机械工业出版社，1992.

[2]刘涛，李志远，刘淑军，等.宽频消声器在增压发动机进气噪声控制中应用[J].噪声与振动控制，2016，36(1)：187-191.

[3]TENG CHARLIE,HOMCO STEVE.Investigation of compressor whoosh noise in automotive turbochargers[J],SAE Technical Paper Series,2009-01-2053.DOI:10.4271/2009-01-2053.

[4]KOLHE VIVEK,VEERAMANI K,THAKUR PAWAN,et al.Optimization of an air intake system to reduce multiple whoosh noises from an engine[J].SAE Technical Paper Series,DOI:10.4271/2013-01-1714.

[5]李恒，郝志勇，涡轮增压器进气口消声器设计与性能评估[J].汽车工程学报，2015，34(2)：435-439.

[6]刘丽媛，季振林.涡轮增压发动机进气消声器设计与声学性能数值分析[J].振动与冲击，2011，30（10）：193-196.

[7]郭荣，朱伟伟.多腔穿孔型宽频消声器声学特性的理论计算与优化[J].汽车工程学报，2014，36(10)：1200-1204.

[8]康钟绪.消声器及穿孔元件声学特性研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

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，河南省信阳市人，硕士研究生，主要研究方向为NVH、车辆动力学。

邓兆祥，男，博士生导师。E-mail:1064762291@qq.com