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摘要：本文阐述了增压发动机进气系统的消声原理，并通过增压发动机进气噪声整定设计的具体案例，阐述了不同消声器设计和应用的基本方法。 首先采用仿真分析方法计算出消声器传递损失的理论值； 然后在测试台上对样品进行测试，通过声压级差对声学结构进行调整和优化； 最后在实车上验证了消声器在整车上的应用。 影响。 实验表明，在进气系统中设计1/4波长管可以有效消除涡轮增压器的气流啸叫噪声； 多孔宽带消声器可以有效控制涡轮增压器的泄压或气流噪声。
关键词：声学； 增压发动机； 进气系统； 增压器； 1/4波长管； 宽带消声器
增压器的应用极大地提高了发动机的动力性、经济性和排放。 但由于增压器的控制和操作复杂，在运行过程中往往伴随着复杂的气流运动，从而会造成较大的气流噪声问题。 目前乘用车大多采用废气涡轮增压的进气增压形式。 增压器的转速范围较大，可达数十万转/分。 转子和旋转叶轮的高速运转会引起增压器的同步。 噪声、次同步噪声和气流噪声等[1]。 其中，气流噪声主要表现为压缩机进气噪声、压缩机高压气体出口噪声、增压器旁通阀（泄压阀）噪声等，本文重点研究增压器产生的气流噪声。 在介绍增压器气流噪声产生机理及增压器本身噪声控制措施的基础上，介绍了发动机进气系统消声器特性的概念，进而对发动机进气系统进行了说明。 声学设计在增压发动机噪声控制中的应用方法
增压器进气旁通阀噪声是由泄压通道中高速气流产生的。 增压器进排气噪声本质上是气流噪声，但它发生在节气门关闭后，发动机整体噪声水平降低，使其尤为突出，也是目前较难解决的噪声问题。
常见的增压器进气旁通阀有机械旁通阀和电子旁通阀：机械旁通阀也有不同的类型，其结构与两家公司增压器上使用的进气旁通阀基本相同。 车辆制动时，节气门前的负压和旁通阀后的高压气体增压共同推动旁通阀打开，属于被动控制； 电子旁通阀是主动控制的，并且在车辆制动时使用电子控制单元。 打开旁通阀并配合节气门的延迟关闭，以最大限度地降低压缩后压力水平，保护增压器免受喘振，并最大限度地减少旁通阀处产生的气流噪音。
采用机械或电控进气旁通阀设计，无法避免气流噪声的产生，但可以通过进排气流道的声学设计来改善和优化，如IHI石川岛增压器在大众汽车上的应用EA888发动机（见图1）。 在压缩机进出口流道中添加谐振腔设计可以改善部分气流噪声性能。 为了改善进气旁通阀的噪声，还可以采用旁通阀的外置设计。 也就是说，进气旁通阀不集成在增压器中，而是安装在发动机或车辆的其他位置。 细长的连接管提供了更大的噪音衰减，因此不易被察觉。 缺点是增加了额外工程工作的成本。
图1 IHI增压器入口谐振腔设计
增压器本身的结构设计受到空间等限制，不可能完全消除气流噪声或将气流噪声降低到足够低的水平； 因此船用柴油机，需要在增压器进排气管路上考虑额外的降噪措施，即对整车的发动机进气系统的声学设计进行优化。 事实上，在综合权衡了增压器和发动机进气系统的设计后，很多车辆设计都是通过发动机进气系统的设计优化来进行的，比如通用汽车。 增压发动机的进气系统，特别是以空气滤清器为主的低压侧进气管路，是增压器气流噪声传递的重要通道。 管道噪声传输损失是衡量其声学设计的重要参数。 宽带消声器、共振放大器、波长管等管道消声器组件的设计，可以有效改善传输损耗性能，从而改善增压器气流噪声对整车的性能。
1 进气系统消声器的基本原理
增压发动机进气系统（如图2所示）一般包括低压管路，主要有空气滤清器、增压器、高压管路、中冷器等部分。 其中，增压器气流对整车噪声影响较大增压器公司，主要影响增压器至中冷器的低压管路和高压管路部分。 低压侧管路与非增压发动机进气系统类似，其系统声学设计方法也相同[5]； 高压侧管道内气流速度、压力、温度较高。 为了避免产生额外的气流阻力，一般采用谐振腔式抗性消声器设计[6]。
增压发动机进气系统的声学设计。 综上所述，一般工程开发中采用以下消声元件设计或其集成组合设计：
(1)谐振腔；
(2)1/4、1/2波长管；
图2 增压发动机进气系统示意图
(3)膨胀室(如空气过滤器)；
(4)宽带消声器(多个谐振腔或与穿孔管结合设计)；
（5）吸声材料的应用（多孔吸声管壁、填充吸声材料的空气过滤器等）[7]；
(6)编织管的应用[10]。
限于篇幅，仅介绍工程开发案例中使用的1/4波长管和穿孔管宽带消声器。
1.1 1/4波长管传输损耗特性
1/4波长管是主管线上的封闭管，是一种侧支消声器，如图3所示。从消声原理来看，1/4波长管是一种抗性消声器。 在工程应用中，使用1/4波长管受空间限制，长度较短。 它通常用于消除较高频率的噪声。
图31/4波长管原理图
1/4波长管的谐振频率为
由式(1)可知，影响波长管消声频率的唯一参数是长度。
1.2 多孔宽带消声器的传输损失特性
多孔宽带消声器是多孔板和空腔的组合。 小孔分布比较均匀。 冲孔板有一定的厚度。 穿孔板和板后的空腔形成许多相连的谐振腔，如图4所示。 小孔就相当于音质。 冲孔板后面的空间被孔的数量分成许多小空间。 每个小孔占据其中一个小空间，形成等效的音量。 因此，多孔宽带消声器的消声频率与单个谐振腔的消声频率相同。 沉默频率是等效的[4]。
多孔消声器的频率计算公式为式（2），其中σ为多孔板的穿孔率，l为多孔板的有效厚度（根据实际板厚l0修正），D为腔深度。 影响声衰减频率的主要参数是穿孔率、穿孔板的有效厚度、空腔深度。
图4 多孔宽带消声器示意图
2、进气系统消声器设计
2.1 1/4波长管设计控制增压器啸叫
某配备涡轮增压器的发动机型号，在低挡加速时，发动机转速在1500转/分至2000转/分之间时，增压器发出连续的“呜呜”声。 噪声产生机理是增压器进气旁通阀有一定的泄漏，车辆加速时气流冲击阀门，产生气流啸叫噪声。 由于进气旁通阀直接与进气系统相连，进气口是噪声的主要传递路径。
增压器进气口气流啸叫声色谱图如图5所示。气流啸叫声表现为中心频率为800 Hz的窄带噪声。 进风口和驾驶员右耳处的气流啸叫噪声谱变换曲线如图6所示。驾驶员右耳和进风口处的噪声特性是一致的。
图5 增压器进气口啸叫声色谱图
由式(1)可计算出消声中心频率为800Hz的1/4波长管长度为106mm。 由于布置空间的限制，波长管直径设计为26mm，布置波长管的主管道直径为80mm。 由上述参数可以计算出理论传输损耗曲线，如图7所示。
由于波长管的实际消音频率与理论消音频率存在误差，因此需要调整波长管的长度。 根据长度的理论计算值快速制作出1/4波长管的原型增压器公司，然后通过测量声压级差来校准波长管的长度。 采用或不采用1/4波长管方案的进气系统声压级差对比曲线如图8所示（由于试验台精度原因，在共振频率附近存在一个波谷）。 可以看出，1/4波长管的有效消声频率范围为700 Hz~850 Hz，满足设计要求。
图6 增压器进气口及驾驶员右耳啸叫声频谱图
图71/4波长管传输损耗理论计算曲线
图8 有与无1/4波长管的声压级差测量曲线对比
2.2 多孔宽带消声器设计控制增压器泄压噪声
车辆在加速过程中快速松开油门时会出现增压器泄压噪音。 当节气门关闭时，增压器和节气门部分之间形成高压腔。 此时发动机控制系统打开进气旁通阀进行泄压保护，以防止增压器喘振。 高压气体冲击进气旁通阀，瞬间产生气流泄压噪音。 噪声主要通过进风口传递到空气中。
泄压瞬间进气口气流噪声谱图如图9所示。由图可见，进气口噪声能量主要集中在600 Hz～1 400 Hz频段（图10泄压噪声的频谱曲线较为明显），因此在进气系统上设计了相应频段的消声器来控制噪声。
图9 进气系统进气口原始状态泄压噪声色谱图
图10 进气系统进气口原始状态泄压噪声频谱图
由于泄压气流噪声频率范围较宽，在进气系统上设计了4个多孔宽带消声器，消声器中心频率分别为650 Hz、850 Hz、1 050 Hz和1 300 Hz。 多孔宽带消声器的孔径为6 mm~8 mm，在仿真软件中调整穿孔率和消声器体积。 最后，四种多孔宽带消声器的传输损失仿真曲线如图11所示。
图11 多孔宽带消声器传输损失模拟曲线
将仿真计算出的消声器结构参数作为输入，制作快速样机，并测试其声压级差进行校准和验证。 图12为进气系统设计多孔宽带消声器前后的声压级差对比曲线。 从图中可以看出，添加多孔宽带消声器后，进气系统在600 Hz～1 400 Hz频段的声压级差得到了明显改善，且对应的峰值频率基本一致。仿真计算结果满足设计要求。
3 实车验证
1/4波长管和多孔宽带消音优化方案配备实车进行验证。 对比进气口处的增压器气流啸叫声数据船舶柴油机配件，如图13所示。从图中可以看出，进气系统中设计了1/4波长管后，在800Hz附近频段的噪声进风口已基本消除。
图12 多孔宽带消声器设计前后进气系统声压级差异对比
图13 1/4波长管设计前后进风口气流啸叫噪声对比
对比增压器进气口泄压气流噪声数据，如图14所示。进气系统采用多孔宽带消声器设计后，进气口泄压气流噪声不再具有明显的能量浓度在 600 Hz 至 1 400 Hz 频段。
图14 多孔宽带消声器设计前后进风口泄压噪声对比
图15为消声器优化设计前后驾驶员对增压器气流噪声的主观评分表（主观评分为10分制，7分及以上为可接受水平）。 其中，增压器气流啸叫声基本听不见（主观评分8分），泄压气流噪声主观评分明显提高（主观评分7分），增压器气流噪声综合评分处于可接受水平（主观评分7.5分）。 由此可见，进气系统的消声器设计能够有效控制增压器的气流噪声。
图15 增压器噪声主观评分
4。结论
涡轮增压器的气流噪声，尤其是气流泄压声，已成为近年来突出的噪声问题。 在进气系统上设计宽带消声器是控制增压器气流噪声的有效手段。 本文仅讲解进气系统低压侧消声器的设计方法和案例。 在增压器后高压段的进气系统上设计消声器，也可以显着降低增压器噪声。 此外，在增压器压气机的进出气道上增加谐振腔设计、放置外置泄压旁通阀也是改善增压器气流噪声的有效方法。
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