Page 53 - 《应用声学》2021年第2期

第 40 卷 第 2 期 凌旭等： 汽车涡轮增压器同步谐波噪声仿真与优化
0 引言
废气涡轮增压器能通过涡轮有效利用发动机
废气能量，带动与其同轴的叶轮来压缩空气，增加发
动机的进气量，从而增加发动机的功率。一般而言，
增压发动机与自然吸气发动机相比，能提高发动机
功率与扭矩 20%∼30%，并能降低尾气当中污染物
的排放，还可通过更小的发动机实现更大的功率与
扭矩，达到整车轻量化与节油的效果。正是由于上
述优点，增压发动机在乘用车中开始大力普及。乘
用车相对商用车而言，整车 NVH 性能要求更为严
格。需要对整车的重要噪声源进行有效控制，以满
足顾客日趋严格的需求 [1−3] 。
增压器为高转速机械，在目前的小型增压器中，
转速高达3 × 10 r/min。两轮在高速旋转过程中与
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空气的相互作用以及转子不平衡、非线性油膜力等
因素，使增压器容易产生各种中高频噪声。高频噪
声不容易被发动机的低频背景噪声屏蔽，并且易于
通过车身孔、缝隙等传入驾驶室。由于人耳具有对
中高频噪声敏感的特性，所以增压器噪声往往被顾
客所抱怨。如何设计制造高性能、高可靠性与低噪
增压器成为业内人员的巨大挑战。
众多科研人员对增压器噪声的产生机理、传播
路径及治理方法进行了大量试验与仿真方面的研
究。王钦庆 [4] 较为详细地总结了增压器常见噪声的
表现形式及治理方法。Teng 等 [5] 对增压器压气机
Whoosh 噪声的产生机理及解决措施进行了有效试
验研究。圣小珍等 [3] 对增压器一阶 (同步，即噪声
频率与叶轮轴的转动频率一致) 噪声的客观评价标
准、传播特性及路径传播控制方面进行了大量卓有
成效的研究。杨景玲等 [6] 在增压器执行器与脉冲宽
度调制 (Pulse width modulation, PWM) 阀之间增
加稳压腔优化了增压器的阀门敲击声。李志远等
通过优化发动机的进气系统声学设计，优化了乘用
车上的涡轮增压器泄气声。Sheng等 [8] 、Cai等 [9] 通 (与增压器转速的同频率振动)，无相应同步谐波噪
过计算流体动力学(Computational fluid dynamics,
CFD) 及FW-H 方程计算了离心机的气动噪声与辐
射噪声，指出离心压气机噪声主要为带通滤波器
(Band pass filter, BPF) 为主的气动噪声。龚金科
等 [10] 、温华兵等 [11] 对增压器压气机气动噪声进行
了声类比及宽带噪声法仿真，指出叶轮为增压器压
气机噪声的主要源头等。上述文献对增压器的结构
噪声与离心机的气动噪声均进行了较为深入的研
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究，但是，针对增压器的同步谐波噪声，目前还未见
相关资料报道。本文针对工程实际应用中，增压器
急加急减时，气流速度与压力快速压缩与释放，当叶
轮与压壳两者之间的间隙不合理时，将导致大量的
漩涡生成与释放，在此过程中，产生同步谐波噪声的
问题，利用试验确定该噪声的特点与传播路径，结合
仿真模型对该噪声进行优化，取得了较好的效果。
1 噪声特点与传播路径
噪声发生工况为发动机零负荷和急加速急减
速，主观表现为尖锐的口哨声，噪声源来自于增压器
压气机位置。为了探明该噪声的特点，在发动机台
架上对该增压器的压气机壳体布置三向加速度计，
检测压机机壳体的振动，以判断该噪声是否由压气
机壳体振动辐射产生。压气机出口管路布置压力脉
动传感器，检测压气机出口的压力脉动，判断压气机
出口气流压力脉动是否为该噪声产生的原因。高度
平行增压器 1 m 处布置近场扬声器，用来采集增压
器的近场噪声。测点布置见图1。
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图 1 增压器噪声测点布置
Fig. 1 Turbocharger noise measurement point
由信号处理软件Artemis对增压器近场测得的
声音信号滤波可知，顾客抱怨的尖锐啸叫声频率范
围为 4000∼8000 Hz，主要成分为增压器转速的4∼6
[7] 倍，为增压器同步谐波噪声(增压器同步转速的4∼6
倍)。压壳上的振动主要表现为增压器的一阶振动
声的振动频谱。这说明：同步谐波噪声并不是由压
气机壳体振动辐射而来。压气机出口的压力脉动数
据分析表明：压气机出口压力脉动并无相关噪声频
率成分，这说明，压气机出口由压力脉动产生的气动
噪声并无同步谐波噪声成分。根据上述分析特征可
以推断：该噪声属于空气动力学噪声，且主要沿压
气机进口管路传播。相关振动与噪声频谱见图 2 与
图 3。