汽車水泵噪聲特性與評價

馮長虹，周先輝，趙衛(wèi)東，胡濱

（1.河南省西峽汽車水泵股份有限公司技術(shù)中心，河南西峽474500；2.南陽理工學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院，河南南陽473006；3.鄭州大學(xué)控制科學(xué)與工程博士后流動站，鄭州450001）

汽車水泵噪聲特性與評價

馮長虹1，周先輝2，3，趙衛(wèi)東1，胡濱1

（1.河南省西峽汽車水泵股份有限公司技術(shù)中心，河南西峽474500；2.南陽理工學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院，河南南陽473006；3.鄭州大學(xué)控制科學(xué)與工程博士后流動站，鄭州450001）

在構(gòu)建的汽車水泵總成半消聲室噪聲測試系統(tǒng)中，針對汽車水泵的工作噪聲特性，確立了企業(yè)水泵總成噪聲測試規(guī)范，用于評價汽車水泵總成件的噪聲性能。測試表明：正常水泵工作噪聲聲壓譜在400 Hz～10 kHz范圍內(nèi)呈現(xiàn)高低兩個單頻峰值結(jié)構(gòu)噪聲源，高轉(zhuǎn)速下水泵主要噪聲源為寬頻渦流噪聲。轉(zhuǎn)速和防凍液溫度對工作噪聲影響較大，低速、高溫工況下的工作噪聲應(yīng)為水泵噪聲主要質(zhì)量控制點。水泵工作噪聲合格性評判除包括穩(wěn)態(tài)工作轉(zhuǎn)速下測量表面總聲功率和聲功率譜外，還需控制其提速過程中的總聲功率，以防止結(jié)構(gòu)共振噪聲。

聲學(xué)；汽車水泵；水泵噪聲；噪聲評價；半消聲室

目前，車輛平順性NVH特性已成為汽車設(shè)計和制造質(zhì)量的一個重要綜合指標(biāo)，各國限制汽車噪聲的要求越來越嚴(yán)格，這對汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)提出了更高的要求[1,2]。水泵作為汽車發(fā)動機的重要組成部件，噪聲性能已成為其質(zhì)量控制的一項重要指標(biāo)。當(dāng)前我國汽車NVH的相關(guān)法規(guī)主要側(cè)重于整車和發(fā)動機噪聲，尚未規(guī)定其他總成部件的噪聲測試與分析方法和限值[3,4]。綜合各類文獻可知，目前我國在汽車水泵噪聲測試方法、測試系統(tǒng)設(shè)計、測試規(guī)范和分析方法等方面所做的工作還極少，對汽車水泵噪聲特性、異響識別與控制方面所作的工作則更少。本文通過建立企業(yè)水泵總成半消聲室噪聲測試系統(tǒng)，利用動態(tài)分析軟件和頻譜分析技術(shù)對各類水泵噪聲測試數(shù)據(jù)進行分析，在總結(jié)水泵噪聲特性的基礎(chǔ)上，確立了汽車水泵總成噪聲測試規(guī)范。這不僅有助于企業(yè)完善水泵質(zhì)量控制，對水泵異響噪聲源的識別和低噪聲水泵的設(shè)計更具有重要的現(xiàn)實意義。

1 半消聲室噪聲測試系統(tǒng)

汽車水泵噪聲測試系統(tǒng)由聲學(xué)測試環(huán)境、實驗臺架及測控系統(tǒng)和噪聲測試分析系統(tǒng)三大部分組成，如圖1所示。

根據(jù)產(chǎn)品特點及測試要求，測試聲學(xué)環(huán)境選用工程級半消聲室，主體結(jié)構(gòu)采用單層土建墻體結(jié)構(gòu)隔聲，平均隔聲量40 dB(A)，用隔振溝衰減周邊道路振源。消聲室四面墻體及頂部采用吸聲尖劈，水磨石地坪吸聲系數(shù)小于0.04，重型多層復(fù)合材料隔聲門及吸聲門結(jié)構(gòu)。室內(nèi)采用強迫對流通風(fēng)換氣系統(tǒng)，四角無聲電子鎮(zhèn)流節(jié)能燈照明，設(shè)置攝像監(jiān)視器系統(tǒng)、煙霧報警系統(tǒng)、聲響報警系統(tǒng)，預(yù)留水泵進出水管道口、電線電纜口及下水排液口。聲學(xué)驗收測試表明：測試室本底噪聲低于25.0 dB(A)，環(huán)境系數(shù)0.33，截止頻率≤125 Hz。在離開尖劈面0.8 m的所有空間區(qū)域內(nèi)，在125～12 500 Hz的頻率范圍內(nèi)，自由場精度誤差符合ISO 3744《Acoustics-Determination of sound power levels of noise sources using sound pressure-Engineering method in an essentially free field over a reflecting plane》和GB 3767-1996《聲學(xué)：噪聲源聲功率的測定：反射面上方近似自由場的工程法》標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 汽車水泵半消聲室噪聲測試系統(tǒng)

水泵工作噪聲測試需在一定的進出口壓力、流量、溫度、轉(zhuǎn)速下進行[5,6]。測試時，水泵的安裝條件需盡可能保持與發(fā)動機上一致，水泵帶輪的張力、扭矩和水管的連接需表現(xiàn)發(fā)動機上的環(huán)境，水泵性能需與設(shè)計點流量保持一致。因此，噪聲試驗臺架包括水泵及其安裝夾具、滿足轉(zhuǎn)速需要的電機驅(qū)動系統(tǒng)及安裝夾具、電機水泵連接機構(gòu)，能改變內(nèi)部壓力值以模擬不同系統(tǒng)壓力和水泵進出口壓力的冷卻液儲液箱、冷卻液加熱/制冷裝置、帶流量計和可變流量控制閥的管路系統(tǒng)。此外，實驗臺架需充分考慮滿足不同水泵的測試需要，為保證方便快速、穩(wěn)定省力及控制系統(tǒng)的通用性，噪聲測試臺架與企業(yè)已有性能實驗臺架結(jié)構(gòu)主要零部件設(shè)計成互換件。本測試臺架設(shè)計時將驅(qū)動電機布置于室內(nèi)，通過皮帶驅(qū)動水泵，設(shè)計隔聲罩以屏蔽電機、皮帶輪、聯(lián)軸器等傳動結(jié)構(gòu)噪聲；對電機夾具系統(tǒng)和水泵夾具分別進行減振、隔聲處理后，各轉(zhuǎn)速下的背景噪聲均小于水泵相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的工作噪聲10 dB(A)以上，從而保證了臺架系統(tǒng)滿足水泵測試時對背景噪聲的要求。

噪聲測試系統(tǒng)采用丹麥B&K積分型聲級計，傳聲器和電纜均符合IEC 60651和60804規(guī)定的1型儀器要求。積分聲級計采集水泵單體各測試點的工作噪聲聲壓信號，經(jīng)聲卡線性輸入至計算機中，進行實時分析、錄音及后處理工作。

2 噪聲測試與分析

測試時，水泵單體置于半消聲室內(nèi)，檢測人員在半消聲室外操作實驗臺架測控系統(tǒng)，控制水泵在規(guī)定的轉(zhuǎn)速、壓力、流量、溫度等工作條件下運轉(zhuǎn)。水泵噪聲測試根據(jù)ISO 3744要求進行，獲得每種穩(wěn)定轉(zhuǎn)速與提速過程時的背景噪聲和工作噪聲總聲壓級及1/3倍頻程聲壓譜、聲功率譜及總體水平。測試時水泵臺架應(yīng)無振動和寄生噪聲干擾，每個測量點的自由場噪聲輻射頻率高于125 Hz，零件和墻壁之間的距離大于1.5 m，環(huán)境溫度在18°C和30°C之間，相對濕度不大于70%。

傳聲器位置按GB 3767（ISO 3744）標(biāo)準(zhǔn)布置，采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的平行六面體測量表面。結(jié)合水泵噪聲試驗臺架實際狀態(tài)，測量表面?zhèn)髀暺魑恢冒碐B3767（ISO 3744）標(biāo)準(zhǔn)附錄中C7所示[7,8]。多次試驗表明：由于水泵聲源為穩(wěn)態(tài)噪聲，且輻射呈對稱性，將C7測量表面?zhèn)髀暺魑恢脺p少為4個后，測得的表面聲壓級與按全部傳聲器位置測得的結(jié)果偏差不超過0.5 dB(A)。因此，水泵噪聲測試時取四點法，測點布置如圖2所示。測試時，測點距離水泵0.5 m，水泵的安裝條件與發(fā)動機上的狀態(tài)保持一致，皮帶張緊力和水管的連接保持與發(fā)動機上一致，水泵性能參數(shù)與設(shè)計點性能參數(shù)保持一致，其中流量偏差允許在設(shè)計點流量偏差±10%條件下確定，驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速取發(fā)動機轉(zhuǎn)速的R倍（R為水泵安裝在發(fā)動機上的減速比）。測試前，水泵R在(800～6 000)r/m in轉(zhuǎn)速下預(yù)運轉(zhuǎn)，使其溫度達到介質(zhì)溫度。

圖2 水泵實驗臺架噪聲測點布置

測試結(jié)果分析按GB 3767（ISO 3744）標(biāo)準(zhǔn)進行。數(shù)據(jù)處理前先確認(rèn)測試值的有效性。測點處噪聲總聲壓、聲壓譜為30 s內(nèi)傳聲器采樣平均值。當(dāng)測試工作噪聲聲壓高于背景噪聲聲壓10 dB(A）（含10 dB(A)）以上時測試值有效；當(dāng)測試工作噪聲總聲壓高于背景噪聲總聲壓6～10 dB(A)時，測試值按標(biāo)準(zhǔn)修正；當(dāng)測試工作噪聲總聲壓與背景噪聲總聲壓差值小于6 dB(A)時，測試值無效，需減小試驗臺架的背景噪聲。測試數(shù)據(jù)處理包括對背景噪聲和工作噪聲的處理兩部分，對各測試條件下的噪聲聲壓作A計權(quán)分析，獲得同一測試狀態(tài)下各測點的總聲壓級和聲壓譜，由式（1）和（2）確定各測試條件下的平均聲壓級和聲壓譜、測量表面的總聲功率級LWA和聲功率譜。

式中LPAi為水泵相同測試條件下第i個測點處的A計權(quán)總聲壓級，S0為基準(zhǔn)面積（取1 m2），S為水泵噪聲測試時測量表面的面積。測點A計權(quán)各中心頻率處的平均聲壓和聲功率計算方法與對應(yīng)的測點A計權(quán)總聲壓和總聲功率的計算方法相同，由此獲得水泵多點測試法A計權(quán)聲功率譜。

3 水泵噪聲特性

為掌握噪聲特性，分析組成部件及工作參數(shù)對水泵工作噪聲的影響，測試了不同轉(zhuǎn)速、介質(zhì)溫度下的水泵工作噪聲總聲壓、聲壓譜及聲功率，對比了軸承故障水泵和水封故障水泵的噪聲譜特性。測試轉(zhuǎn)速包括整車上的穩(wěn)態(tài)工作轉(zhuǎn)速、從怠速至最高工作轉(zhuǎn)速的提速過程、非整車穩(wěn)態(tài)工作轉(zhuǎn)速三種情況。測試時整車穩(wěn)態(tài)工作轉(zhuǎn)速下測量時的壓差與流量按設(shè)計點確定，提速過程和非整車穩(wěn)態(tài)工作轉(zhuǎn)速在最大流量下進行。每個穩(wěn)定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下測量30 s，提速過程測量90 s。測試時介質(zhì)溫度分冷、熱兩種情況，冷介質(zhì)溫度20°C，熱介質(zhì)溫度60°C/80°C/ 100°C。測試前水泵在給定的測試轉(zhuǎn)速設(shè)計點性能參數(shù)下試運轉(zhuǎn)，使水泵溫度與介質(zhì)溫度保持一致。提速過程測試時，在最大流量條件下完成三次90 s內(nèi)從800至6 000 r/m in的提速試運轉(zhuǎn)。

整車穩(wěn)態(tài)工作轉(zhuǎn)速下，典型的水泵噪聲1/3倍頻程聲壓譜如圖3所示。

圖3 某型號水泵不同穩(wěn)態(tài)工作轉(zhuǎn)速下噪聲聲壓譜

由圖可知：水泵工作噪聲隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，穩(wěn)態(tài)工作噪聲譜在400 Hz～10 kHz內(nèi)呈現(xiàn)高低兩個單頻峰值，低速特別是怠速工作時，該特性尤為明顯。多種型號水泵測試表明，低頻單頻峰值頻率常處于630～1250Hz范圍內(nèi)，高頻單頻峰值頻率常處于3 150～6 000 Hz范圍內(nèi)。單頻峰值處的聲壓為水泵總聲壓的主聲源，水泵結(jié)構(gòu)不同，單頻峰值頻率不同，該峰值頻率不隨水泵速度而變化（圖4），為水泵的固有結(jié)構(gòu)噪聲特性，軸連軸承、水封裝置、葉輪、泵殼（體）及其裝配關(guān)系為主要影響因素。當(dāng)水泵在高速R（6 000 r/m in）運轉(zhuǎn)時，噪聲聲壓譜呈現(xiàn)寬頻噪聲特性。由流體動力學(xué)知：葉輪旋轉(zhuǎn)時，液流受水泵結(jié)構(gòu)的影響，在粘滯力的作用下形成一系列的小渦流，渦流的形成與分裂產(chǎn)生渦流噪聲。渦流噪聲為寬頻帶連續(xù)譜，其大小為葉輪周速、流量、壓力、效率的函數(shù)，周速影響最大，轉(zhuǎn)速越高，渦流噪聲越大。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過一定值時，渦流噪聲為水泵的主要噪聲源。針對水泵表現(xiàn)出的這種低速時高低頻單頻峰值特征和高速時的寬頻帶噪聲特性，為使水泵噪聲滿足發(fā)動機噪聲指標(biāo)要求，在規(guī)范產(chǎn)品總聲功率要求外，還需針對高速工作時的水泵寬頻渦流噪聲，用寬頻帶噪聲譜控制，同時控制其提速過程中的總聲功率，以防止結(jié)構(gòu)共振噪聲。

圖4 某水泵提速過程的聲壓譜變化

圖5（a）、（b）、（c）表示了溫度、軸承、水封故障件對水泵工作噪聲譜的影響。由圖可知，正常件水泵的工作噪聲譜受介質(zhì)溫度的影響很小。與正常件水泵相比，低速下的軸承故障水泵工作噪聲譜中，低頻單頻峰值聲壓顯著增大（增值大于10 dB(A)），而高速時的增值逐漸減小。水封故障件水泵低速工作噪聲譜中，高頻單頻峰值聲壓顯著增大（增值大于10 dB(A)），且與其相鄰1/3倍頻程聲壓差大于10 dB (A)，水泵出現(xiàn)明顯的高頻異音。介質(zhì)溫度對水封故障件工作噪聲的影響較大，相同測試條件下，介質(zhì)溫度降至60°C時，水泵高頻異音消失。圖5（d）表示了水封故障件在200～5 000 r/m in轉(zhuǎn)速下高頻單頻峰值頻率與相鄰1/3倍頻程中心頻率處的聲壓差，由該圖可知：轉(zhuǎn)速n≤800 r/m in時，100°C介質(zhì)下的水泵單頻峰值相鄰中心頻率聲壓差大于10 dB(A)，試驗時出現(xiàn)明顯高頻異音；60°C介質(zhì)下的水泵單頻峰值相鄰中心頻率聲壓差大于10 dB(A)的轉(zhuǎn)速下降至400/300/200 r/m in三種，轉(zhuǎn)速n＞800 r/min時的水泵，高頻異音消失。綜合分析可知，低速、高溫工況下的工作噪聲應(yīng)為水泵噪聲特性的主要質(zhì)量控制點，需限制其高低頻單頻峰值頻率范圍內(nèi)的聲壓譜，使其不超過一定的限值。

4 噪聲合格性評判

圖5 不同影響因素下的水泵噪聲特性

水泵噪聲合格性評判需抽檢數(shù)臺同類產(chǎn)品進行測試比較，限制其不同工作轉(zhuǎn)速下的最大可接受噪聲，使其不超出汽車發(fā)動機正常工作時所限定的噪聲等級。噪聲等級常用聲功率級或聲壓級衡量。國家標(biāo)準(zhǔn)對機電產(chǎn)品噪聲等級常用聲功率級評價，用于衡量聲源發(fā)聲能力，與聲源的安裝位置、環(huán)境無關(guān)，有利于不同廠家產(chǎn)品的比較。聲壓級與人對噪聲的感覺直接相關(guān)，它反映了人對產(chǎn)品噪聲的主觀感受，因此，噪聲控制中，也常用聲壓級來衡量聲音的強弱，但聲壓級與測點距聲源的遠(yuǎn)近和方向相關(guān)。聲功率級可通過在包絡(luò)聲源測量表面上的各測點聲壓級獲得，依據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)有簡易法、工程法和精密法三種，目前企業(yè)多采用國家標(biāo)準(zhǔn)中的工程法來測量水泵噪聲等級。

根據(jù)對水泵噪聲特性的研究及GB/T 3767《聲學(xué)聲壓法測定噪聲源聲功率級反射面上方近似自由場的工程法》，水泵工作噪聲結(jié)果評定時采用一點測試和多點測試評判兩種。一點測試時，水泵噪聲技術(shù)要求為對各測試狀態(tài)下的A計權(quán)聲壓級要求，限制總聲壓、聲壓譜數(shù)據(jù)，一臺合格的水泵，其測點處的聲壓值不能超過每種工作轉(zhuǎn)速下的參考等級。多點測試時，水泵噪聲技術(shù)要求包括對水泵在各測試條件下的三分之一倍頻程聲功率譜要求、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速下和提速過程中的總聲功率要求，限制總聲功率、總聲功率譜數(shù)據(jù)，一臺合格的水泵，其總聲功率不能超過每種穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速下、提速過程中要求的參考等級，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速下的聲功率譜不能超過其對應(yīng)狀態(tài)下的聲功率譜參考等級。某型號水泵工作噪聲參考等級如圖6所示。

圖6 某型號水泵工作噪聲參考等級

5 結(jié)語

水泵作為汽車發(fā)動機的重要組成部件，噪聲性能已成為其質(zhì)量控制的一項重要指標(biāo)。在專為水泵而設(shè)計的工程級半消聲室里可有效測試水泵在一定的進出口壓力、流量、溫度、轉(zhuǎn)速下的工作噪聲。測試時水泵的安裝條件需盡可能保持與發(fā)動機上一致，表現(xiàn)發(fā)動機上的工作環(huán)境。由不同測試條件下的水泵聲壓譜分析可知：穩(wěn)態(tài)工作轉(zhuǎn)速下，噪聲譜在400 Hz～10 kHz內(nèi)呈現(xiàn)高低兩個單頻峰值，低速特別是怠速工作時，該特性尤為明顯。單頻峰值處的聲壓為水泵總聲壓的主聲源，水泵結(jié)構(gòu)不同，單頻峰值頻率不同，該峰值頻率不隨水泵速度而變化，為水泵的固有結(jié)構(gòu)噪聲特性。低速、高溫工況下的工作噪聲應(yīng)為水泵噪聲特性的主要質(zhì)量控制點，需限制其高低頻單頻峰值頻率范圍內(nèi)的聲壓譜，使其不超過一定的限值。高速工作的水泵主聲源為寬頻渦流噪聲，需用寬頻帶噪聲譜控制。此外，為防止結(jié)構(gòu)共振噪聲，還需限制水泵提速過程中的總聲功率。

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[5]QC/T 288.2-2001汽車發(fā)動機冷卻水泵實驗方法[S].

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[7]GB/T 14367-2006（ISO 3740:2000,MOD）聲學(xué)噪聲源聲功率級的測定基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)使用指南[S].

[8]GB/T 3767-1996(ISO 3744-1994)聲學(xué)聲壓法測點噪聲源聲功率級反射面上方近似自由場的工程法[S].

Evaluation of Noise Performance of Automobile’ s Water Pumps

FENG Chang-hong1,ZHOU Xian-hui2，3,ZHAO Wei-dong1,HU Bing1

(1.Technical Center of Henan Province Xixia Automobile Water Pump Co.Ltd., Xixia 474500,Henan China; 2.School of Mechanical and Automotive Engineering,Nanyang Institute of Technology, Nanyang 473006,Henan China; 3.Postdoctoral Research Station of Control Science and Engineering of Zhengzhou University, Zhengzhou 450001,China)

Sem i-anechoic-room noise testing system of automobile’s water pump assembly is set up.Based on the operating noise behavior of the automobile’s water pumps,an enterprise noise testing specification is established to evaluate the noise performance of the assembly objectively.Test results show that acoustic pressure spectrum of the water pump in normal working condition can present two structural noise sources with two different single-frequency peak values for the pump in the range from 400 Hz to 10 kHz,while the wideband vortex noise is the leading sound source in the high-speed operation condition.Rotation speed and antifreeze’s temperature can affect the operation noise of the water pump greatly.The operation noise in low speed and high temperature condition should become the primary quality control index of the water pump.Qualification assessment of the water pump operation noise should involve the measurement of the overall acoustic power and the acoustic power spectrum in the surface of the pump,as well as the control of the overall acoustic power in the run-up process under the steady-state rotation speed to avoid the structural resonance noise.

acoustics;automobile water pump;water pump noise;noise evaluation;semi-anechoic room

TB5；TH3；470.30

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.01.027

1006-1355(2014)01-0118-05

2013-04-07

河南省西峽汽車水泵股份有限公司博士后科研工作站項目

馮長虹（1963-），男，河南西峽人，高級工程師，河南省西峽汽車水泵股份有限公司技術(shù)總監(jiān)，副總經(jīng)理，從事技術(shù)管理工作。

E-mail:changhongfeng@163.com

周先輝（1973-），女，湖南湘潭人，博士后，副教授，目前從事噪聲測試與分析、自潤滑復(fù)合材料摩擦磨損研究。E-mail:zhouxianhui2010@163.com