某涡轮增压器Hiss噪声测试分析及优化

单福奎，唐余林，王振新，杨 东，张红军

某涡轮增压器Hiss噪声测试分析及优化

单福奎，唐余林，王振新，杨 东，张红军

（宜宾凯翼汽车有限公司，四川 宜宾 644000）

随着增压发动机的普及，增压器噪声问题日益突出，尤其是Hiss噪声，已成为行业内重点难点问题。为解决某车型发动机涡轮增压器Hiss噪声问题，文章通过对Hiss噪声的产生机理进行分析，通过噪声传递路径及频谱分析识别辐射噪声强的部件，通过制作手工样件对涡轮进管进行声学包裹，经验证，该方案可行。最后，通过更改进气管材料，制作快速样件，再次验证优化方案可行，Hiss噪声得以解决。文章的研究对解决噪声、振动与声振粗糙度（NVH）工程实际问题有重要参考意义。

涡轮增压器；Hiss噪声；频谱分析

随着汽车行业的飞速发展，汽车动力性是用户潜在的性能要求，该性能指标也越来越受到用户的关注[1]。与此同时，国家对汽车油耗及排放标准的要求也进一步提高，因此，汽车企业不得不加大了对发动机技术的研发力度，其中涡轮增压器具有改善发动机排放、提高燃油经济性、降低油耗等优点，故在汽车发动机上得到广泛应用。同时，涡轮增压发动机对提升汽车动力性能有重要作用，可以满足客户对车辆动力性要求。然而，由于涡轮增压器工作转速过高，可达到每分钟十几万乃至几十万的工作转速，所以涡轮增压器满足动力性能的同时，也带来了不可避免的工作噪声问题[2]。此噪声如果不能被屏蔽或削弱，会给顾客的驾乘体验带来很大影响。

鉴于增压器的结构特征及噪声发生机理，常见的噪声主要有：叶片通过频率（Blade Pass Frequency, BPF）噪声、同步噪声、次同步噪声以及Hiss噪声等。随着业内对增压器噪声的研究逐渐深入，如BPF噪声、同步噪声以及次同步噪声等的解决方案已基本成熟，而对于Hiss噪声的研究尚不够深入[3]。所以文章对涡轮增压器Hiss噪声产生机理进行介绍，通过测试分析，锁定引起噪声辐射强度大的部件，给与相关的解决方案，为其他具有涡轮增压器Hiss噪声的车型提供指导。

1 Hiss噪声介绍及机理分析

1.1 Hiss噪声简述

Hiss噪声也被称为吸气声，是增压器的常见工作噪声。主要发生在油门被踩下瞬时，增压器转速在相对短的时间内快速提升的工况下，其主要频谱特征是频带较宽，出现的频率可能在0～20 000 Hz，是宽频噪声[4]。

发动机对低速大扭矩的要求是导致Hiss噪声产生的主要原因，它是由压气机的运行线穿过临近喘振线的喘振区，导致喘振区域内空气流速瞬时变大，气流在压气机叶轮根部产生剥离，进而发生动荡紊乱产生Hiss噪声。

1.2 Hiss噪声机理

涡轮增压器压气机内气流的湍流是Hiss噪声的激励源，湍流的产生与压气机喘振线和边际喘振区域相关。据业内相关专业人士研究成果，当发动机全负荷条件下，运行线过分靠近喘振线，进入边际喘振区域时，容易产生Hiss噪声。此噪声可通过压气机壳体、进气管道、中冷器管道等部件间接辐射，从进气口相关部件直接辐射。

2 Hiss噪声测试分析

2.1 问题描述

某在研车型使用无级变速传动（Continuously Variable Transmission, CVT）变速箱，搭载缸内直喷型涡轮增压发动机，小批量样车在半油门加速工况，且发动机转速区间为1 500～2 000 r/min时，存在一定程度的Hiss噪声，主观感受较差，无法满足整车噪音、振动和声振粗糙度（Noise, Vibra- tion, Harshness, NVH）性能要求，亟待解决。

2.2 测试工况

根据噪声产生机理及噪声特征，通过噪声频谱特性识别噪声源，对问题车辆进行道路试验摸底测试，分析Hiss噪声产生的频段，识别该频段内噪声辐射强度大的部件，即为噪声贡献量大的部件。

根据问题车噪声出现的工况，确定整车的测试工况：1）D挡、半负荷（Partly Open Throttle, POT）、加速至3 000 r/min；2）分别在驾驶员右耳、涡轮、涡轮进管、涡轮出管近场位置布置麦克风。

2.3 测试方案

1）原状态，按2.2测试工况执行；2）手工样件测试验证，按2.2测试工况执行；3）涡轮进气管采用5 mm三元乙丙橡胶（Ethylene Propylene Diene Monomer, EPDM）材料方案验证，按章节2.2测试工况执行。

2.4 噪声源识别

图1为问题车辆在D挡POT加速至3 000 r/min时测得的驾驶员右耳、涡轮近场、涡轮进管近场以及涡轮出管近场噪声频谱。

测试结果表明，在7 000～10 000 Hz频率范围内，均存在Hiss噪声，且涡轮进管频谱上7 000～10 000 Hz频率范围频谱色带亮度突出，由此可见涡轮进管辐射噪声强度最大。

针对问题车辆，分别对进气口、空滤、涡轮进管、涡轮本体、涡轮出管、前围空调管路过孔密封性、前围暖通过孔密封性等问题点进行排查，最终锁定主要问题在于涡轮进管辐射噪声强度大。通过制作手工样件，对涡轮进管进行包裹验证，主观感受可接受，进一步锁定涡轮进管辐射噪声为主要贡献源。针对这种噪声，可从噪声源头及传递路径上采取优化措施。

图1 原状态噪声频谱图

3 方案及验证

通过对涡轮增压器Hiss噪声频谱特性及产生机理进行分析，Hiss噪声主要从噪声源和传递路径上进行控制。

3.1 优化方案构想

3.1.1噪声源控制

要控制噪声源，主要是要使增压器的工作曲线尽量远离喘振曲线区域，可通过优化增压器本体结构来达到降低本体噪声的目的，具体方案有电喷标定、大压叶轮、可变截面涡轮增压器结构优化、涡轮进气结构优化及叶型优化等。

3.1.2传递路径控制

控制传递路径上噪声辐射强度大的部件，主要通过使用阻断、隔离以及吸收等方式在噪声传递路径上对Hiss噪声进行控制，具体方法有整车声学包优化、进气管道包裹以及增加消声器等。

本文涉及的案例车型，由于涡轮增压器本体结构优化比较繁杂，且成本较高，在开发阶段进行本体结构优化不易推进。尤其该车型项目已到小批量阶段，所以综合考量不建议从噪声源头控制Hiss噪声，主要通过优化传递路径的方式来减弱或消除Hiss噪声。首先对辐射噪声强度最大涡轮进管进行包裹验证，经验证，改善效果明显，故涡轮进管改用5 mm厚EPDM材料方案。

3.2 声学包裹手工方案验证

由于涡轮增压器工作转速高，进气系统管路内会产生气体压力波动，压力值达到几百帕。气体压力波动通过管路辐射一定的噪声，高频噪声通过空气传递车内。因此，为了验证管路本身的辐射对车内噪声大小的影响，特对增压器进气管进行声学包裹验证，如图2所示。

图2 涡轮进管声学包裹手工方案

图3为手工方案验证和原状态下驾驶员右耳处噪声对比；图4为手工方案验证和原状态下涡轮进管近场噪声对比。图3测试数据对比结果表明，包裹涡轮进管后，驾驶员右耳噪声降低明显；图4对比结果表明，包裹涡轮进管后，涡轮进管近场噪声降低尤为明显，且主观可接受。由此说明，从传递路径上控制Hiss噪声效果显著。因此，通过改变管道的材料（改用阻尼和密度大的材料）、重新设计管壁的厚度都会达到一定的降噪效果。

图3 手工方案和原状态驾驶员右耳噪声对比

3.3 改进方案验证

经综合评估，涡轮进管采用5 mmEPDM材料，供应商制作快速样件进行验证。图5为优化后方案和原状态及手工方案验证驾驶员右耳处噪声对比；图6为车内噪声overall对比（滤波带通6 000～12 000 Hz），工程方案优化6.5 dB(A)；图7为优化后方案和原状态及手工方案验证涡轮进管近场噪声对比。

图6 车内噪声overall对比（滤波带通：6 000～12 000 Hz）

图5及图6测试数据对比结果表明，采用EPDM材质涡轮进气管后，驾驶员右耳噪声降低明显；图7对比结果表明，采用EPDM材质涡轮进气管后，涡轮进管近场噪声降低尤为明显，且主观感觉可接受，综合评估，满足整车NVH性能要求。该方案验证可行，变更为永久方案。

图7 涡轮进管优化后近场噪声对比

4 结束语

文章以某车型增压器为研究对象，针对其存在的增压器Hiss噪声进行测试分析及优化，结果表明，在7 000～10 000 Hz频率范围内，频谱色带亮度突出，由此说明涡轮进管辐射噪声强度最大，为Hiss噪声主要贡献源。通过制作手工声学包样件进行临时方案验证，验证结果表明，Hiss噪声改善明显。最终，通过控制传递路径方式，优化涡轮增压器进管，采用EPDM材质软管，解决了Hiss噪声问题。该涡轮增压器Hiss噪声的解决思路可以在其他车型中得以推广。

[1] 刘培培,程源,卢生林.汽车发动机涡轮增压器Hiss噪声分析与改进[J].汽车工程师,2017 (10):44-45.

[2] 庞剑.汽车车身噪声与振动控制[M].北京:机械工业出版社,2009.

[3] 范平丽,陈园明.增压器Hiss噪声优化设计[J].时代农机,2018,45(6):220-221.

[4] 杨德银,吴孟兵,王帅.增压器Hiss噪声及泄气噪声优化措施[J].内燃机,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

单福奎（1986－），男，工程师，研究方向为NVH开发调校，E-mail:shanfukui@newcowin.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.022