表面振動(dòng)法測(cè)量汽油機(jī)表面輻射噪聲

顧燦松 崔國(guó)旭 高輝 楊行

（中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心天津300300）

表面振動(dòng)法測(cè)量汽油機(jī)表面輻射噪聲

顧燦松 崔國(guó)旭 高輝 楊行

（中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心天津300300）

對(duì)基于表面振動(dòng)測(cè)算汽油機(jī)輻射噪聲的方法進(jìn)行了研究，首先對(duì)該方法的理論基礎(chǔ)和數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行探究，并以此理論為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理方法。然后對(duì)一臺(tái)四缸汽油機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)量得到了表面振動(dòng)速度，估計(jì)計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)聲功率和各部件的噪聲貢獻(xiàn)。實(shí)驗(yàn)表明測(cè)算噪聲結(jié)果準(zhǔn)確度較高，證明該方法能可靠有效地測(cè)得汽油機(jī)的輻射噪聲。

汽油機(jī)表面振動(dòng)測(cè)量輻射噪聲

引言

汽車(chē)的振動(dòng)噪聲特性是影響汽車(chē)乘坐舒適性的重要因素，而發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲又是汽車(chē)噪聲的主要來(lái)源，因此降低發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲尤為重要。這就需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體及其各個(gè)部件的輻射噪聲進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，識(shí)別主要噪聲源，為后期發(fā)動(dòng)機(jī)降噪工作指明方向。目前發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲主要在消聲室測(cè)量，而識(shí)別噪聲源的方法有鉛屏蔽法、聲強(qiáng)測(cè)量法以及聲學(xué)照相機(jī)等。鉛屏蔽法是一種有效的方法，但是需要耗費(fèi)許多人力，而且車(chē)用汽油機(jī)表面不規(guī)則，帶有許多附件，很難包裹嚴(yán)密。聲強(qiáng)測(cè)量法可用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，而無(wú)需特殊的聲學(xué)環(huán)境，但是測(cè)量效率非常低，分析精度差，在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)工作人員仍需進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室操作，危險(xiǎn)系數(shù)高。聲學(xué)照相機(jī)是比較簡(jiǎn)單便捷，但識(shí)別結(jié)果經(jīng)常有偏差，鄰近部件容易相混，并且不易給出各部件的噪聲貢獻(xiàn)量。表面振動(dòng)法是利用測(cè)量表面的振動(dòng)速度來(lái)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲，能包含絕大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)部件，并且不需要消聲室。最重要的是可以在整車(chē)狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量，大大降低了試驗(yàn)成本。還可以在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段，根據(jù)CAE模型模擬的表面振動(dòng)預(yù)測(cè)輻射噪聲，提早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題優(yōu)化改進(jìn)，縮短研發(fā)周期。

1 汽油機(jī)表面振動(dòng)與輻射噪聲的關(guān)系

1.1 基于表面振動(dòng)測(cè)量輻射噪聲原理

發(fā)動(dòng)機(jī)表面振動(dòng)和輻射噪聲之間存在一定的關(guān)系，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中燃燒引起的缸內(nèi)壓力激勵(lì)以及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)慣性力激勵(lì)，使發(fā)動(dòng)機(jī)本體以及附件產(chǎn)生振動(dòng)，這些振動(dòng)又引起周邊的空氣質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，使能量向外傳遞，產(chǎn)生輻射噪聲。

發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工況下，其輻射噪聲與表面振動(dòng)有如下關(guān)系：

式中：W為聲功率，ρ0c為空氣聲輻射特性阻抗，S為噪聲輻射表面積，（v2）為噪聲輻射表面法向振動(dòng)速度的平方對(duì)時(shí)間及振動(dòng)表面的平均值，σ為輻射比[1-2]。取基準(zhǔn)聲功率，則A計(jì)權(quán)的聲功率級(jí)為

式中：ρ0c是已知量，S可以計(jì)算得到，（v2）可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)表面振動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，Δ為計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)的衰減量，剩下的關(guān)鍵就是求輻射比σ。

1.2 輻射比確定

輻射比代表了部件振動(dòng)的噪聲輻射能力，跟部件的結(jié)構(gòu)、材料特性和振動(dòng)頻率特性都有關(guān)系。一般認(rèn)為在臨界頻率以上輻射系數(shù)σ≈1，在臨界頻率以下取0～1[3]。臨界頻率是指結(jié)構(gòu)表面彎曲波波長(zhǎng)和空氣中聲波波長(zhǎng)相等時(shí)的振動(dòng)頻率[4]。發(fā)動(dòng)機(jī)的零件形狀不規(guī)則，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各零件的聲輻射比具有差異，因此無(wú)法精確計(jì)算，所以只能靠經(jīng)驗(yàn)公式或?qū)嶒?yàn)獲得。對(duì)于車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，其本體主要部件如缸蓋罩、油底殼、曲軸箱、機(jī)體、齒輪室罩等的臨界頻率比較接近，大致在500～800Hz范圍內(nèi)[5]。英國(guó)南安普頓大學(xué)聲學(xué)振動(dòng)研究所通過(guò)大量的內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)分析，認(rèn)為可以把內(nèi)燃機(jī)的主要部分等效為輻射球體[6]。球體體積等于發(fā)動(dòng)機(jī)體積，各個(gè)部件表面都是球體的一部分，可認(rèn)為擁有相同的臨界頻率，該頻率與整機(jī)體積尺寸相關(guān)。對(duì)于空氣濾清器等非本體部件則不適用此假設(shè)。

以上計(jì)算而得的臨界頻率以及臨界頻率以下部分的輻射比對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲計(jì)算是一個(gè)誤差源。但發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲的頻率范圍主要在500～5000Hz，主要能量都分布在臨界頻率以上，并且對(duì)于A計(jì)權(quán)聲功率級(jí)，低頻段成分有較大衰減，衰減后低頻成分在總能量中占比較小，因此誤差對(duì)于總聲功率級(jí)測(cè)量結(jié)果的影響不大。

因此，只需要測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)零部件表面的法向振動(dòng)速度，就可以計(jì)算出各零部件的輻射聲功率，進(jìn)行能量合成后就可以得到整機(jī)總的聲功率級(jí)。

2 表面振動(dòng)與聲功率測(cè)量

為了驗(yàn)證表面振動(dòng)法預(yù)測(cè)汽油機(jī)輻射噪聲，并分析某四缸車(chē)用汽油機(jī)輻射噪聲分布特性，在怠速和2500 r/min全負(fù)荷兩種工況下對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行表面振動(dòng)試驗(yàn)，并在消聲室內(nèi)進(jìn)行聲功率測(cè)量。該汽油機(jī)為某1.8 L排量渦輪增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速為750 r/min。

根據(jù)該汽油機(jī)的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)布置，對(duì)以下主要部件進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量：油底殼、下缸體、缸體、缸蓋、缸蓋罩、齒輪室罩、進(jìn)氣歧管、排氣歧管、排氣管（首段）和油泵殼。對(duì)于輪系旋轉(zhuǎn)件，沒(méi)有進(jìn)行測(cè)量。

振動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)采用LMS Test.Lab測(cè)試系統(tǒng)、LMS SCADASⅢ采集前端和PCB加速度傳感器。試驗(yàn)中為了測(cè)得各個(gè)部件的準(zhǔn)確速度面積平均量，在各部件表面布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)，盡量均勻布置而且要均衡兼顧振動(dòng)強(qiáng)弱區(qū)域。

試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)消聲室內(nèi)進(jìn)行，同時(shí)按照國(guó)標(biāo)，采用9點(diǎn)聲壓法測(cè)量了該汽油機(jī)聲功率。測(cè)量時(shí)屏蔽了進(jìn)排氣口噪聲，使用吸聲材料包裹空氣濾清器前進(jìn)氣管和空氣濾清器，并取下皮帶使發(fā)電機(jī)和空氣壓縮機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，以減少除發(fā)動(dòng)機(jī)本體以外其他噪聲干擾。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 聲功率計(jì)算

試驗(yàn)完成后，使用LMS Test.Lab軟件的后處理功能，把測(cè)得的各測(cè)點(diǎn)時(shí)域信號(hào)處理計(jì)算得出速度頻譜，由于頻譜表示的是單個(gè)頻率下的響應(yīng)，所以把線性頻譜轉(zhuǎn)化成表示能量分布的1/3倍頻程速度譜。對(duì)于計(jì)算各部件的表面平均振動(dòng)速度v不能采用算數(shù)平均法，而要采用能量平均即均方根值平均法，所以公式（1）（2）中的平方平均速度（v2）=v2。由于汽油機(jī)每個(gè)部件均包含有多個(gè)表面，且各表面結(jié)構(gòu)、面積均不同，因此需先對(duì)各個(gè)表面進(jìn)行速度平均計(jì)算，而各部件的總平均速度則等于各表面平均速度的面積加權(quán)平均。

首先對(duì)怠速工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各部件振動(dòng)平均速度v的頻譜，如圖1所示。然后通過(guò)公式（2）就可以計(jì)算出各部件的表面輻射聲功率級(jí)Lw（A）頻譜，如圖2所示。頻譜合成后即可得汽油機(jī)各部件的聲功率級(jí)，若按照能量合成的方法把所有部件的聲功率進(jìn)行疊加，則可以得到該汽油機(jī)表面輻射噪聲的總聲功率級(jí)，見(jiàn)表1。

圖1 怠速工況各部件振動(dòng)速度1/3倍頻程譜

圖2 怠速工況各部件聲功率1/3倍頻程譜

按照以上方法計(jì)算得到2500 r/min全負(fù)荷工況部分部件的表面振動(dòng)速度和噪聲頻譜，如圖3、4所示，頻譜合成后各部件的輻射聲功率見(jiàn)表2。

表1 怠速工況各部件輻射噪聲級(jí)

3.2 結(jié)果分析

由表1得出，在怠速工況下通過(guò)表面振動(dòng)法預(yù)測(cè)得到的該汽油機(jī)總聲功率為76.9 dB（A），而采用9點(diǎn)法在消聲室內(nèi)測(cè)得聲功率為77.9dB（A），比振動(dòng)預(yù)測(cè)聲功率大1 dB（A）?？紤]到表面振動(dòng)預(yù)測(cè)噪聲時(shí)只是對(duì)主要部件進(jìn)行了測(cè)量，而其余部件如曲軸皮帶輪、水泵、空氣濾清器后進(jìn)氣管、渦輪增壓器（怠速時(shí)噪聲較小，且隔熱罩起到一定屏蔽作用）等沒(méi)有進(jìn)行測(cè)量，實(shí)際誤差要小于1 dB（A），這在工程上是可以接受的。

表22500 r/min全負(fù)荷工況各部件輻射噪聲級(jí)

由表2得出，在2500 r/min全負(fù)荷工況下振動(dòng)法測(cè)得總聲功率級(jí)為93.3 dB（A），消聲室內(nèi)9點(diǎn)法測(cè)得聲功率級(jí)為96.1 dB（A），由于此工況下排氣系統(tǒng)處于高溫狀態(tài)，沒(méi)有測(cè)量排氣管和排氣歧管的表面振動(dòng)，誤差相比怠速工況變大，但總體較小，所以可進(jìn)一步證明振動(dòng)法預(yù)測(cè)噪聲方法的可靠性。

圖32500 r/min全負(fù)荷工況各部件振動(dòng)速度1/3倍頻程譜

圖42500 r/min全負(fù)荷工況各部件聲功率1/3倍頻程譜

由表1數(shù)據(jù)可以看出，輻射噪聲最強(qiáng)的部件為油底殼，其輻射噪聲能量占總輻射噪聲能量的38.8%，其次分別是齒輪室罩、缸蓋罩、進(jìn)氣歧管和排氣管，能量占比也都達(dá)到了10%以上，這五個(gè)部件輻射了總能量的90%以上。根據(jù)前述理論，結(jié)合圖1、圖2頻譜和表1數(shù)據(jù)可分析出，這是因?yàn)榈皖l段的輻射比小，并且在A計(jì)權(quán)網(wǎng)格條件下由很大衰減，所以低頻段噪聲輻射能力微弱，主要噪聲輻射能量均來(lái)自于400 Hz以上的頻段。而這些薄壁件在400 Hz以上頻段的振動(dòng)速度相對(duì)較大，所以噪聲輻射能力較強(qiáng)，是整機(jī)輻射噪聲的主要來(lái)源。而缸體、下缸體、缸蓋等鑄造部件整體表面振動(dòng)速度較小，且多分布在低頻段，所以輻射能力較弱。薄壁件中，進(jìn)氣歧管和排氣管（首段）面積較大而且表面振動(dòng)速度也最大，但是振動(dòng)速度中低頻成分較高（排氣管首段主要在50 Hz，進(jìn)氣歧管主要在80 Hz），中高頻成分相比其他薄壁件要低，所以輻射噪聲貢獻(xiàn)不如油底殼、齒輪室罩和缸蓋罩等件。排氣歧管同樣是振動(dòng)速度主要分布在低頻段且面積較小，所以噪聲輻射貢獻(xiàn)很小，而油泵殼雖然中高頻段振速較大但面積較小所以噪聲輻射貢獻(xiàn)也不大。

由表2及圖3、圖4可以看出，進(jìn)氣歧管和缸蓋罩的輻射噪聲比例大幅上升，這主要是由于怠速工況沒(méi)有負(fù)荷，進(jìn)排氣量很小，而2500 r/min是全負(fù)荷工況，節(jié)氣門(mén)全開(kāi)，進(jìn)氣流量大，所以導(dǎo)致進(jìn)氣歧管振動(dòng)增大成為主要輻射源，同樣缸蓋罩也受進(jìn)排氣系統(tǒng)影響振動(dòng)和噪聲輻射增大。而齒輪室罩的振動(dòng)速度相對(duì)較小所以噪聲輻射能力相對(duì)不強(qiáng)，而其他部件噪聲輻射比例基本與怠速工況想同。

4 結(jié)論

通過(guò)測(cè)量車(chē)用汽油機(jī)各部件的表面振動(dòng)，經(jīng)處理后計(jì)算得到各部件噪聲聲功率級(jí)及頻譜，經(jīng)噪聲合成后，即可得到整機(jī)的聲功率級(jí)和各部件的貢獻(xiàn)量。實(shí)現(xiàn)了通過(guò)表面振動(dòng)對(duì)汽油機(jī)的輻射噪聲預(yù)測(cè)，并找出主要噪聲源，這對(duì)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的車(chē)用汽油機(jī)制定降噪措施，具有重要意義。振動(dòng)法計(jì)算的聲功率級(jí)與9點(diǎn)聲壓法測(cè)得的聲功率級(jí)非常接近，從而驗(yàn)證了用表面振動(dòng)法測(cè)量汽油機(jī)噪聲是有效可信的。

但同時(shí)表面振動(dòng)法也存在一些問(wèn)題，如輻射比只能通過(guò)工程近似或經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定，這雖然可以接受，但也成為一個(gè)誤差來(lái)源。另外振動(dòng)傳感器的測(cè)量帶寬有限，本文所采用測(cè)試帶寬為0～6400 Hz，這會(huì)造成一部分噪聲能量的泄漏。如本文9點(diǎn)法測(cè)得該汽油機(jī)的怠速工況聲功率，在0～6400 Hz頻帶范圍內(nèi)為77.9 dB（A），在0～25，600 Hz頻帶范圍內(nèi)為78.4 dB（A）。但由于發(fā)動(dòng)機(jī)的主要輻射噪聲范圍在500～5000 Hz，而且A計(jì)權(quán)網(wǎng)格高頻段也有一定衰減，所以誤差影響不大。另外對(duì)于表面振動(dòng)法，部分發(fā)動(dòng)機(jī)部件不能通過(guò)振動(dòng)測(cè)量計(jì)算輻射噪聲，如皮帶輪系是旋轉(zhuǎn)件不能測(cè)量，高溫狀態(tài)下的排氣歧管及增壓器測(cè)量也存在一定困難，發(fā)電機(jī)的電刷聲也不能通過(guò)振動(dòng)測(cè)量等。

雖然表面振動(dòng)法預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲存在誤差，但該法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主體的噪聲預(yù)測(cè)基本準(zhǔn)確，工程上可以接受，并且能預(yù)測(cè)出各部件對(duì)整機(jī)噪聲貢獻(xiàn)量，具有重要意義。而且還可以在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段，根據(jù)CAE模型模擬的表面振動(dòng)預(yù)測(cè)輻射噪聲，進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化改進(jìn)，可大大縮短研發(fā)周期，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。

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Estimating Gasoline Engine Radiated Noise by Surface Vibration Measurement

Gu Cansong，Cui Guoxu，Gao Hui，Yang Hang
China Automotive Technology&Research Center（Tianjin，300300，China）

A study on the method of calculating gasoline engine radiated noise by measuring surface vibration is carried out in this paper.Firstly，the theoretical basis and mathematical relationship of the method is studied，and test and data processing method is designed based on these.Then an experiment is carried out in a four-cylinder gasoline engine.By measuring the engine surface vibrating velocity，the sound power level for these engine components and for total engine is calculated.The calculation results of engine radiated noise are accurate.It shows that the sound power level of gasoline engine can be predicted by surface vibration.

Gasoline engine，Surface vibration，Measurement，Radiated noise

TK417+．125 TK417+．127

A

2095-8234（2014）06-0071-06

2014-07-30）

顧燦松（1980—），男，工程師，主要從事汽車(chē)振動(dòng)和噪聲控制方向研究。