某渦輪增壓器Hiss噪聲測試分析及優化

單福奎，唐余林，王振新，楊 東，張紅軍

某渦輪增壓器Hiss噪聲測試分析及優化

單福奎，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，已成為行業內重點難點問題。為解決某車型發動機渦輪增壓器Hiss噪聲問題，文章通過對Hiss噪聲的產生機理進行分析，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管進行聲學包裹，經驗證，該方案可行。最后，通過更改進氣管材料，制作快速樣件，再次驗證優化方案可行，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

隨著汽車行業的飛速發展，汽車動力性是用戶潛在的性能要求，該性能指標也越來越受到用戶的關注[1]。與此同時，國家對汽車油耗及排放標準的要求也進一步提高，因此，汽車企業不得不加大了對發動機技術的研發力度，其中渦輪增壓器具有改善發動機排放、提高燃油經濟性、降低油耗等優點，故在汽車發動機上得到廣泛應用。同時，渦輪增壓發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速過高，可達到每分鐘十幾萬乃至幾十萬的工作轉速，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。

鑒于增壓器的結構特征及噪聲發生機理，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。隨著業內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噪聲產生機理進行介紹，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。

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。主要發生在油門被踩下瞬時，增壓器轉速在相對短的時間內快速提升的工況下，其主要頻譜特征是頻帶較寬，出現的頻率可能在0～20 000 Hz，是寬頻噪聲[4]。

發動機對低速大扭矩的要求是導致Hiss噪聲產生的主要原因，它是由壓氣機的運行線穿過臨近喘振線的喘振區，導致喘振區域內空氣流速瞬時變大，氣流在壓氣機葉輪根部產生剝離，進而發生動蕩紊亂產生Hiss噪聲。

1.2 Hiss噪聲機理

渦輪增壓器壓氣機內氣流的湍流是Hiss噪聲的激勵源，湍流的產生與壓氣機喘振線和邊際喘振區域相關。據業內相關專業人士研究成果，當發動機全負荷條件下，運行線過分靠近喘振線，進入邊際喘振區域時，容易產生Hiss噪聲。此噪聲可通過壓氣機殼體、進氣管道、中冷器管道等部件間接輻射，從進氣口相關部件直接輻射。

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，搭載缸內直噴型渦輪增壓發動機，小批量樣車在半油門加速工況，且發動機轉速區間為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

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

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

2.3 測試方案

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

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、渦輪進管近場以及渦輪出管近場噪聲頻譜。

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

針對問題車輛，分別對進氣口、空濾、渦輪進管、渦輪本體、渦輪出管、前圍空調管路過孔密封性、前圍暖通過孔密封性等問題點進行排查，最終鎖定主要問題在于渦輪進管輻射噪聲強度大。通過制作手工樣件，對渦輪進管進行包裹驗證，主觀感受可接受，進一步鎖定渦輪進管輻射噪聲為主要貢獻源。針對這種噪聲，可從噪聲源頭及傳遞路徑上采取優化措施。

圖1 原狀態噪聲頻譜圖

3 方案及驗證

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

3.1 優化方案構想

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離喘振曲線區域，可通過優化增壓器本體結構來達到降低本體噪聲的目的，具體方案有電噴標定、大壓葉輪、可變截面渦輪增壓器結構優化、渦輪進氣結構優化及葉型優化等。

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噪聲進行控制，具體方法有整車聲學包優化、進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構優化比較繁雜，且成本較高，在開發階段進行本體結構優化不易推進。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管進行包裹驗證，經驗證，改善效果明顯，故渦輪進管改用5 mm厚EPDM材料方案。

3.2 聲學包裹手工方案驗證

由于渦輪增壓器工作轉速高，進氣系統管路內會產生氣體壓力波動，壓力值達到幾百帕。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。因此，為了驗證管路本身的輻射對車內噪聲大小的影響，特對增壓器進氣管進行聲學包裹驗證，如圖2所示。

圖2 渦輪進管聲學包裹手工方案

圖3為手工方案驗證和原狀態下駕駛員右耳處噪聲對比；圖4為手工方案驗證和原狀態下渦輪進管近場噪聲對比。圖3測試數據對比結果表明，包裹渦輪進管后，駕駛員右耳噪聲降低明顯；圖4對比結果表明，包裹渦輪進管后，渦輪進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）、重新設計管壁的厚度都會達到一定的降噪效果。

圖3 手工方案和原狀態駕駛員右耳噪聲對比

3.3 改進方案驗證

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

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

圖5及圖6測試數據對比結果表明，采用EPDM材質渦輪進氣管后，駕駛員右耳噪聲降低明顯；圖7對比結果表明，采用EPDM材質渦輪進氣管后，渦輪進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 渦輪進管優化后近場噪聲對比

4 結束語

文章以某車型增壓器為研究對象，針對其存在的增壓器Hiss噪聲進行測試分析及優化，結果表明，在7 000～10 000 Hz頻率范圍內，頻譜色帶亮度突出，由此說明渦輪進管輻射噪聲強度最大，為Hiss噪聲主要貢獻源。通過制作手工聲學包樣件進行臨時方案驗證，驗證結果表明，Hiss噪聲改善明顯。最終，通過控制傳遞路徑方式，優化渦輪增壓器進管，采用EPDM材質軟管，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.汽車發動機渦輪增壓器Hiss噪聲分析與改進[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:機械工業出版社,2009.

[3] 范平麗,陳園明.增壓器Hiss噪聲優化設計[J].時代農機,2018,45(6):220-221.

[4] 楊德銀,吳孟兵,王帥.增壓器Hiss噪聲及泄氣噪聲優化措施[J].內燃機,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

單福奎（1986－），男，工程師，研究方向為NVH開發調校，E-mail:shanfukui@newcowin.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.022