穿孔消声器在汽车进气噪声控制中的应用

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[摘要]：文章阐述了一款涡轮增压发动机进气噪声的解决过程。首先通过测试手段排查出问题源并锁定问题频段。再通过Virtual.Lab 与Star-CCM 仿真软件计算穿孔消声器的传递损失以及流体压力损失，然后根据仿真结果制作样件，通过阻抗管验证仿真结果的有效性。最后实车验证表明，在涡轮增压器压气机进气口与出气口增加穿孔消声器可以有效控制加速时的气流噪声。

关键字：噪声振动、涡轮增压器、进气系统、消声器、声学仿真

前言

涡轮增压器应用在发动机上可以提升汽车的动力性、经济性。但也会严重影响汽车的NVH性能。废气涡轮增压器以前更多应用在柴油车上，目前汽油车也较普遍使用，特别是乘用车，这使得针对涡轮增压器NVH 性能的优化受到各大车企的重视。

废气涡轮增压器典型的工作转速范围十万到二十万转每分，压气机侧叶轮高速旋转产生的气流噪声能量主要集中在[1.5-3]kHz 频段[1],加速工况下，叶轮高速旋转至十几万转，产生的气流噪声通过进气管口辐射出来，被驾驶员感知。随着发动机转速继续上升，被掩盖在发动机噪声中。相对于非增压发动机，搭载有涡轮增压器的车型需要解决加速工况下[1.5-3]kHz 的进气气流噪声问题。

针对涡轮增压器的气流噪声问题，国内外已不乏学者对其产生原理有较深的研究[2]-[4]，从些研究论文来看，目前对涡轮增压器的气流噪声问题，更多的采用穿孔板结构的共振式消声器来抑制气流噪声。该类消声器较简单扩张腔具有结构小的优势，便于在进气系统附近布置。同时流体压力损失小，对动力性影响较小。

文献[2]设计的消声器递损失有效带宽在1800~3000Hz 范围内，但是频带内谷值较低，平均在20dB 左右，在2500Hz 附近约为17dB。主要原因在于论文中设计的消声器仅有3 个共振腔，分布在1200Hz 的带宽内仅有3 个共振频率显得稀疏，导致谷值偏低。

文献[4]设计的消声器传递损失比较理想。论文采用理论公式进行参数优化，未考虑各腔之间的相互影响，有一定的局限性。当内管径较大以至于接近平面波截止频率的极限时[5]，管内需要考虑高次波。在Virtual.Lab 中可以很好解决该问题。对于接近但未达到截止频率时，可以利用AML 属性赋予出口端。对于超过截止频率的分析时，必须考虑高次波，通过仿真设置可以方便增加（0,1）阶及其以上模态进行分析。

1 问题描述

某带涡轮增压发动机的SUV 车型，部分油门缓加速到1800 转-2200 转之间，车内能明显感知到进气系统产生的“嘘嘘”声。车速持续上升到2500rpm 以上后，该异响声逐渐被其它噪声掩盖。

2 问题分析

2.1 噪声源判定

该异响“嘘嘘”声出现时，涡轮增压器已介入工作，根据涡轮增压器的技术参数知，其主要工作转速在[80000-180000]rpm，随着松油门泄气声出现而消失。初步怀疑涡轮增压器为噪声源。为验证这一猜测，将涡轮增压器泄压阀置于常开状态，经主观驾评与测试发现该异响消失，由此判定涡轮增压器为该噪声源。

2.2 制定解决方案

初期考虑进气系统管道隔声能力差，导致涡轮增压器产生的气动噪声，经管道辐射到发动机舱，进而传入车内。因此在进气空滤器、压气机进出口管路以及进气管路上用大能隔音材料包裹后，经驾评该异响得到抑制。

考虑到增加管道隔声能力成本将会大幅增加，且受到空间布置限制等原因，最终未考虑用这种方案。结合文献[1]-[4]，最终考虑在进气系统管路上布置适当的管路消声器来抑制压气机加速时的气流噪声。并且该消声器外壁需要有一定隔声能力，否则达不到预期的消声效果。

测试主驾右耳与进气口处的噪声，如图1、图2，利用LMS 软件不断回放滤波分析，发现主驾右耳过滤[1320,3000]Hz 噪声后异响声消失。因此所设计的管路消声器在[1320,3000]Hz 应有较大的传声损失能力，应大于20dB 以上。􀀿􀀛􀅙􀅢􀆑􀅹􀆉􀀉􀀰

因涡轮增压器进气端管道与出气端管道均会辐射气流噪声，因此在压气机进出口管路各设计一个管道消声器，用于抑制气流噪声。

3 消声器设计

3.1 消声指标选择

消声器的声学性能有很多评价指标，常用的有插入损失、传递损失和末端减噪量等。由于传递损失反映消声器本身的声学传递特性，其值仅与消声器的结构和消声器内部介质性质相关，是消声器的固有属性，所以传递损失常用作消声器设计与性能评价的主要性能指标[8]。

传递损失表征声音经过消声元件后声音量的衰减程度，即入射声功率Wi 与透射声功率Wt 的差值，传递损失用TL 表示为􀃕􀅠􀁷

3.2 消声器参数设计

经过初步计算穿孔直径在5mm 左右，可以用有限元方法进行分析。本文采用Virtual.Lab进行声学仿真计算，出口管处定义AML 属性。

考虑布置空间的限值，压气机出气口消声器设计6 个共振腔，压气机进气口消声器设计4 个共振腔，两个消声器整体呈圆形管状结构，详见图3 与图4。初步确定出气端消声器6 个腔共振频率分别为1550、1700、1900、2200、2500、2800Hz。进气端消声器4 个腔的共振频率分别为1700、2000、2300、2700Hz。