摘 要：闡述增壓器一階噪聲的測(cè)量方法，通過(guò)對(duì)噪聲測(cè)量值的軟件分析，計(jì)算出噪聲頻率等級(jí)，掌握該噪聲特性。通過(guò)噪聲特性判斷其產(chǎn)生機(jī)理，最終針對(duì)性的解決噪聲問(wèn)題。并通過(guò)不同噪聲解決方案之間的對(duì)比，探尋解決噪聲問(wèn)題的最佳方案，指導(dǎo)增壓器針對(duì)噪聲方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲；增壓器噪聲；一階噪聲；降噪裝置

引言

廢氣渦輪增壓器實(shí)際上是一種空氣壓縮機(jī)，通過(guò)壓縮空氣來(lái)增加進(jìn)氣量。它是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣慣性沖力來(lái)推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動(dòng)同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來(lái)的空氣，使之增壓進(jìn)入氣缸[1]。進(jìn)入氣缸的空氣壓力和密度增大，可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量和調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率了。

廢氣渦輪增壓器主要由渦輪機(jī)和壓氣機(jī)等構(gòu)成。將發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣引入渦輪機(jī)，利用廢氣的能量推動(dòng)渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，由此驅(qū)動(dòng)與渦輪同軸的壓氣機(jī)實(shí)現(xiàn)增壓[2，3]。渦輪機(jī)進(jìn)氣口與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管相連，排氣口則接在排氣管上；壓氣機(jī)進(jìn)氣口與空氣濾清器相連，排氣口則接在進(jìn)氣歧管上。

渦輪機(jī)葉輪與壓氣機(jī)葉輪通過(guò)增壓器軸剛性連接，這部分稱(chēng)作增壓器轉(zhuǎn)子。增壓器轉(zhuǎn)子通過(guò)浮動(dòng)軸承（轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)可保證摩擦阻力矩較?。┕潭ㄔ谠鰤浩髦?。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，排出的廢氣以一定角度高速?zèng)_擊渦輪機(jī)葉輪，使增壓器轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)（最高可達(dá)2萬(wàn)轉(zhuǎn)/分鐘）。壓氣機(jī)葉輪的高速旋轉(zhuǎn)使得發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管內(nèi)的氣壓升高，達(dá)到增壓效果。如此，在進(jìn)氣過(guò)程中，空氣會(huì)受到較大的壓力，從而使更多的、密度更大的空氣進(jìn)入氣缸[4]。這樣，燃油就可以更加充分的燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能便更上一層樓。

渦輪增壓器工作過(guò)程中產(chǎn)生的主要問(wèn)題是空氣動(dòng)力噪聲和殼體因結(jié)構(gòu)振動(dòng)而向外輻射的噪聲，浮環(huán)軸承的油膜振蕩、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與增壓空氣的耦合振動(dòng)與噪聲問(wèn)題。這些噪聲的特征是頻率為增壓器工作頻率，遠(yuǎn)高于發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率[5]。

1 研究對(duì)象

本試驗(yàn)研究的主要目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及計(jì)算，驗(yàn)證降噪方案的有效性。對(duì)于增壓器殼體輻射一階噪聲和管道流體傳播一階噪聲，降噪方案分別為采用吸聲材料包裹和管道添加消聲器來(lái)消除其一階噪聲。

2 數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證

本試驗(yàn)主要通過(guò)對(duì)比分析增加消聲裝置前后一階噪聲的變化情況來(lái)確定消聲裝置的有效性。對(duì)于殼體輻射噪聲主要通過(guò)對(duì)比包裹吸聲材料前后增壓器近場(chǎng)一階噪聲的變化情況；對(duì)于管道流體傳播噪聲測(cè)試壓氣機(jī)出口消聲器前、后端的聲壓，估算一階噪聲通過(guò)消聲器后的傳遞損失曲線，來(lái)驗(yàn)證消聲器的降噪效果。另外，本試驗(yàn)還測(cè)試了車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)，壓殼、中間體、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)用以分析參考。

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

圖1為振動(dòng)傳感器布置，分別測(cè)試了發(fā)動(dòng)機(jī)、中間體、壓殼的振動(dòng)數(shù)據(jù)，一階噪聲的頻譜成分在中間體和壓殼上同樣存在，測(cè)試振動(dòng)數(shù)據(jù)不僅能夠驗(yàn)證一階振動(dòng)能夠從增壓器殼體輻射噪聲，還能用于噪聲數(shù)據(jù)分析的參考。

圖2為壓氣機(jī)出口消聲器前、后端的壓力脈動(dòng)測(cè)試，通過(guò)消聲器前端和消聲器后端的壓力波動(dòng)，能夠?qū)Ρ仍肼曂ㄟ^(guò)消聲器前后的變化情況，從而驗(yàn)證消聲器對(duì)于一階噪聲的降噪效果。圖3為增壓器近場(chǎng)測(cè)試，圖中標(biāo)示增壓器壓殼和中間體未被吸聲材料包裹時(shí)的情況，通過(guò)對(duì)比包裹前、后增壓器近場(chǎng)噪聲的變化情況，能夠驗(yàn)證一階噪聲通過(guò)殼體輻射效率和吸聲材料對(duì)于一階噪聲的影響。

圖4為6通道SqudrigaⅡ測(cè)試前端和用于車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)測(cè)試的BHS雙兒采集器，通過(guò)車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)和增壓器近場(chǎng)噪聲的頻譜對(duì)比，可以看出增壓器一階噪聲是否會(huì)進(jìn)入車(chē)內(nèi)，影響乘客。

2.2 分析方法

本次試驗(yàn)中對(duì)于聲學(xué)信號(hào)采樣率設(shè)置為44100，對(duì)于振動(dòng)信號(hào)采樣率設(shè)置為11025。試驗(yàn)工況主要是空擋加速，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?000rpm到3500rpm。

（1）FFT Average。通過(guò)FFT Average將測(cè)試的時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻域數(shù)據(jù)，用于研究消聲器的作用頻率范圍是否與最初的設(shè)計(jì)范圍相符，參數(shù)設(shè)置見(jiàn)圖5。

（2）FFT VS Time。通過(guò)FFT VS Time得到振動(dòng)、噪聲數(shù)據(jù)的三維頻譜，分析重要的頻譜成分，一方面可以研究一階噪聲是否存在于振動(dòng)、噪聲信號(hào)中；另一方面還可以對(duì)比增加消聲裝置前后頻譜中一階噪聲成分的變化情況，其參數(shù)設(shè)置見(jiàn)圖6。

通過(guò)Order cut 分析來(lái)確定消聲器對(duì)增壓器一階噪聲的影響，在哪個(gè)頻率范圍作用比較明顯，該分析前先要提取增壓器的轉(zhuǎn)速，分析參數(shù)設(shè)置見(jiàn)圖7。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 管道流體噪聲傳播

圖8為壓氣機(jī)出口處消聲器前端和后端的聲壓級(jí)隨頻率的變化圖，紅色線為消聲器前端的聲壓級(jí)，綠色線為消聲器后端的聲壓級(jí)，發(fā)現(xiàn)從950Hz開(kāi)始消聲器后端的聲壓級(jí)開(kāi)始明顯降低，特別是在1000-4500Hz范圍最為明顯，這說(shuō)明消聲器有效地降低了頻率范圍在1000-4500Hz范圍的噪聲，在2700Hz處最高聲壓降達(dá)到25dB。

圖9為壓氣機(jī)出口處消聲器前端和后端的脈動(dòng)壓力三維頻譜，在圖中能夠看到發(fā)動(dòng)機(jī)二階、增壓器一階噪聲、壓氣機(jī)葉輪BPF噪聲、壓氣機(jī)葉輪BPF二階噪聲等頻譜成分。圖9也能得到圖8相似的結(jié)論：在1000-4000Hz頻率范圍左圖（消聲器后端）明顯要比右圖（消聲器前端）的顏色暗很多，說(shuō)明在1000-4000Hz頻帶范圍消聲器作用非常明顯。另外，我們還發(fā)現(xiàn)在左圖中一階噪聲的頻譜線在2000Hz以上消失，即2000Hz以上的一階噪聲已經(jīng)被消除，而1000-2000Hz范圍的一階噪聲也有明顯減弱。試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)目標(biāo)非常吻合，該消聲器的設(shè)計(jì)頻率即針對(duì)一階噪聲的1000-4000Hz的頻率范圍。

圖10為壓氣機(jī)出口處消聲器前端和后端一階噪聲隨增壓器轉(zhuǎn)速的變化，能夠發(fā)現(xiàn)增壓器轉(zhuǎn)速?gòu)?0000rpm開(kāi)始（一階噪聲1000Hz），消聲器后端的一階噪聲開(kāi)始明顯減弱，在增壓器轉(zhuǎn)速80000-100000rpm范圍一階噪聲最大降低8dB，在增壓器轉(zhuǎn)速100000-190000rpm范圍一階噪聲降低15dB，消聲器對(duì)于一階噪聲的作用效果非常明顯。

3.2 殼體輻射噪聲

圖11為壓殼、中間體、發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)三維頻譜，發(fā)動(dòng)機(jī)的二階振動(dòng)最為顯著，表示增壓器整機(jī)的振動(dòng)主要來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)激勵(lì)。另外，在壓殼和中間體上增壓器一階振動(dòng)也較為明顯，這是由于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)殘余不平衡量在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的周期性激振力所致，前文已經(jīng)詳細(xì)分析過(guò)。圖12為車(chē)內(nèi)噪聲、壓氣機(jī)出口動(dòng)態(tài)壓力和增壓器近場(chǎng)噪聲的三位頻譜，發(fā)動(dòng)機(jī)階次噪聲依然是主要頻譜成分，在壓氣機(jī)出口脈動(dòng)壓力頻譜中還存在增壓器一階噪聲頻譜成分，但在車(chē)內(nèi)和增壓器近場(chǎng)噪聲頻譜中則看不到增壓器一階噪聲頻譜成分，說(shuō)明壓殼和中間體的結(jié)構(gòu)輻射效率相對(duì)較低，不作為增壓器一階噪聲的主要傳播路徑。

圖13為用吸聲材料包裹壓殼和中間體前后的增壓器近場(chǎng)噪聲三維頻譜，發(fā)現(xiàn)無(wú)論使用吸聲材料包裹與否，增壓器近場(chǎng)噪聲頻譜并沒(méi)有很大的變化，且均不在增壓器一階噪聲的頻譜成分，這與前述的試驗(yàn)結(jié)果相吻合。通過(guò)圖14的總聲壓級(jí)對(duì)比也能夠說(shuō)明，使用吸聲材料包裹對(duì)增壓器近場(chǎng)噪聲影響很小。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)比消聲器前、后端的壓力脈動(dòng)，發(fā)現(xiàn)該消聲器能夠降低頻率高于1000Hz的噪聲成分，對(duì)于頻率介于1000-4000Hz范圍的增壓器一階噪聲有非常明顯的效果，在增壓器轉(zhuǎn)速10-19萬(wàn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)最大聲壓降達(dá)到15dB。因此，管道流體傳播是增壓器一階噪聲的主要傳播路徑，且通過(guò)增加消聲器能夠有效地降低該噪聲。

（2）發(fā)現(xiàn)無(wú)論使用吸聲材料包裹與否，增壓器近場(chǎng)噪聲頻譜并沒(méi)有很大的變化，且均不存在增壓器一階噪聲的頻譜成分，使用吸聲材料包裹對(duì)增壓器近場(chǎng)噪聲影響很小。

（3）通過(guò)分析壓殼和中間體的振動(dòng)，以及車(chē)內(nèi)和增壓器近場(chǎng)噪聲，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的殘余不平衡量產(chǎn)生的一階振動(dòng)能夠傳遞至壓殼和中間體，但由于壓殼和中間體的輻射效率較低，很難通過(guò)殼體將一階振動(dòng)輻射出去，故增壓器近場(chǎng)噪聲中的一階噪聲頻譜成分并不明顯。因此，殼體輻射不作為增壓器一階噪聲的主要傳播路徑。

現(xiàn)階段，渦輪增壓器的一階噪聲（也成為嘯叫聲）是客戶(hù)抱怨的主要噪聲之一，也是我們?nèi)粘Ｗ畛Ｓ龅降脑肼曋唬岣邉?dòng)平衡標(biāo)準(zhǔn)降低整機(jī)動(dòng)平衡的g值能夠有效地消除該噪聲，但一味的提高整機(jī)動(dòng)平衡標(biāo)準(zhǔn)會(huì)降低生產(chǎn)效率、增加廢品率、增加生產(chǎn)成本。因此，從傳遞路徑上的被動(dòng)降噪作為主動(dòng)降噪的補(bǔ)充，在一定情況下能夠有效地提高產(chǎn)品的聲學(xué)性能，使產(chǎn)品得到市場(chǎng)的認(rèn)可。

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作者簡(jiǎn)介：楊曉琴（1983-），女，湖南衡陽(yáng)人，中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)，碩士研究生，主要研究方向：動(dòng)力機(jī)械性能與增壓技術(shù)。