基于聲全息技術的渦輪增壓直噴汽油機噪聲源識別試驗研究*

石來華

(重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401122)

0 引言

大氣污染、水污染和噪音污染為當今世界三大主要污染，已成為一個世界性的問題［1］。在現(xiàn)代城市環(huán)境噪聲源中，道路交通噪聲是城市環(huán)境噪聲的主要聲源［2－6］，而發(fā)動機噪聲對整車車外加速噪聲的貢獻最大［7－9］，因此有必要對發(fā)動機的噪聲輻射進行系統(tǒng)分析研究，進一步優(yōu)化和降低發(fā)動機的整機噪聲，使整車車外加速噪聲達滿足新的法規(guī)要求［10－12］。

要降低發(fā)動機整機噪聲，其噪聲源識別非常重要，在噪聲控制技術中聲源識別除了要盡量準確確定發(fā)聲部件及它們在整機噪聲中所占的比例，另外還應能通過對測量信號的處理獲得具體聲源的傳播途徑、變化規(guī)律、頻譜特性等，為進一步的降噪分析工作提供指導。噪聲源識別的主要方法有分別運轉(zhuǎn)消去法、聲壓測量法、頻譜分析法、表面振動速度法、信號分析法和聲全息法［13－14］。聲全息法對被測對象可得到任意頻率的聲源分析圖像，根據(jù)圖像上確定的位置，就可進行有效的噪聲控制。用該法分析聲源強度分布時，對發(fā)動機本身的聲場沒有任何附加的影響［15］。

筆者以某渦輪增壓直噴汽油機為研究對象，采用聲全息法對該汽油機在3 000 r/min和5 000 r/min時的空載、50%負荷和100%負荷工況下的噪聲源識別進行了試驗研究。

1 噪聲源識別試驗

1．1 發(fā)動機基本參數(shù)及測試設備

試驗用發(fā)動機為1．4 L渦輪增壓缸內(nèi)直噴汽油機，基本參數(shù)如表1所示。

表1 試驗發(fā)動機基本參數(shù)

本次試驗在天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室半消聲試驗室進行。主要試驗設備如表2所示。

表2 主要試驗設備

1．2 試驗過程

本次噪聲源識別試驗采用聲全息分析法，通過聲學照相機識別發(fā)動機整機的噪聲源，試驗時聲陣列放置距每個表面1～1．5 m位置處，其示意圖如圖1所示。由于發(fā)動機的底面和后端面不方便聲陣列的布置，故本次試驗只對發(fā)動機進氣側(cè)、排氣側(cè)、前側(cè)面和頂面進行噪聲源識別。

圖1 聲陣列放置示意圖

本文主要對該發(fā)動機3 000 r/min(扭矩點)和5 000 r/min(功率點)這兩個轉(zhuǎn)速點的空載、50%負荷和100%負荷工況下的發(fā)動機輻射噪聲源識別進行了測試，并采用總聲壓級聲源識別方法對試驗數(shù)據(jù)進行處理。

2 發(fā)動機噪聲源識別試驗結(jié)果

2．1 進氣側(cè)噪聲源識別

圖2～7為發(fā)動機不同工況下進氣側(cè)的噪聲源識別結(jié)果。由圖2～4可以看出，在3 000 r/min時，發(fā)動機進氣側(cè)的噪聲主要從變速箱與發(fā)動機結(jié)合部位輻射出來，隨著負荷的增加，機體和缸蓋左側(cè)面是主要噪聲輻射部位，油底殼表面、缸蓋罩和靠近機體的變速箱表面也有一定的貢獻量。

圖2 進氣側(cè)噪聲源識別(3000r/min，空載)

圖3 進氣側(cè)噪聲源識別(3000r/min，50%負荷)

由圖5～7可以看出，5 000 r/min時，進氣側(cè)的噪聲輻射和3 000 r/min時的主要噪聲輻射部位有一定的變化，其輻射部位逐漸向發(fā)動機靠近。100%負荷時，發(fā)動機進氣側(cè)噪聲輻射面較廣，噴油泵、油底殼和與油底殼相連的機體表面是主要噪聲輻射部位。

圖4 進氣側(cè)噪聲源識別(3000r/min，100%負荷)

圖5 進氣側(cè)噪聲源識別)(5000r/min，空載)

圖6 進氣側(cè)噪聲源識別(5000r/min，半載)

圖7 進氣側(cè)噪聲源識別(5000r/min，100%負荷)

2．2 排氣側(cè)噪聲源識別

圖8 ～13為發(fā)動機不同工況下排氣側(cè)的噪聲源識別結(jié)果。由圖8～13可以看出，在較低的負荷時，噪聲主要從發(fā)電機附近輻射出來的，在隨著負荷增加，排氣管部位的噪聲輻射開始占主要輻射部位，且輻射噪聲最大聲壓級隨著負荷的增加而增加。

圖8 排氣側(cè)噪聲源識別(3000r/min，空載)

圖9 排氣側(cè)噪聲源識別(3000r/min，半載)

圖10 排氣側(cè)噪聲源識別(3000r/min，100%負荷)

圖11 排氣側(cè)噪聲源識別)(5000r/min，空載)

圖12 排氣側(cè)噪聲源識別(5000r/min、50%負荷)

圖13 排氣側(cè)噪聲源識別(5000r/min，100%負荷)

2．3 前側(cè)面噪聲源識別

圖14 ～19為發(fā)動機不同工況下前側(cè)面的噪聲源識別結(jié)果。從圖14～19可以看出，在空載狀態(tài)下，主要輻射部位在發(fā)電機附近，噪聲主要從發(fā)電機附近輻射出來的，隨著負荷增加，主要輻射部位逐漸轉(zhuǎn)移到惰輪、張緊輪和曲軸中心位置附近，這主要由前端齒輪嚙合噪聲造成的。

圖14 前側(cè)面噪聲源識別(3000r/min，空載)

圖15 前側(cè)面噪聲源識別(3000r/min，半載)

圖16 前側(cè)面噪聲源識別(3000r/min，100%負荷)

圖17 前側(cè)面噪聲源識別 (5000r/min，空載)

圖18 前側(cè)面噪聲源識別(5000r/min、50%負荷)

圖19 前側(cè)面噪聲源識別 (5000r/min，100%負荷)

2．4 頂面噪聲源識別

圖20 ～25為發(fā)動機不同工況下頂面的噪聲源識別結(jié)果。由圖20～25可以看出，在較低的轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機頂面的主要輻射部位在高壓油泵和發(fā)電機，隨著轉(zhuǎn)速和負荷的增加，主要輻射部位逐漸轉(zhuǎn)移到前端齒輪罩殼、水泵皮帶輪附近，這主要由前端齒輪嚙合噪聲造成的。

圖20 頂面噪聲源識別(3000r/min，空載)

圖21 頂面噪聲源識別(3000r/min，半載)

圖22 頂面噪聲源識別(3000r/min，100%負荷)

圖23 頂面噪聲源識別 (5000r/min，空載)

圖24 頂面噪聲源識別(5000r/min、50% 負荷)

圖25 頂面噪聲源識別 (5000r/min，100% 負荷)

2．5 不同轉(zhuǎn)速和負荷下各側(cè)面最大聲壓級對比

發(fā)動機不同工況下各側(cè)面的輻射噪聲最大聲壓級對比如表3所示。

表3 不同轉(zhuǎn)速和負荷下各側(cè)面輻射噪聲最大聲壓級

從表3中可以看出，同一轉(zhuǎn)速下，隨著負荷的增加，發(fā)動機各側(cè)面的輻射噪聲聲壓級增加。同一負荷下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，發(fā)動機各側(cè)面的輻射噪聲聲壓級增加，總體上看，前端面輻射噪聲的聲壓級比其它側(cè)面低，噪聲輻射貢獻值小，進排氣側(cè)有較大的噪聲輻射。

3 結(jié)論

(1)發(fā)動機輻射噪聲的主要部位有機體兩側(cè)面、發(fā)電機表面、高壓油泵、惰輪和張緊輪、變速箱箱體、油底殼和缸蓋罩。

(2)在3 000 r/min和5 000 r/min轉(zhuǎn)速負荷下，前端面輻射噪聲的聲壓級比其它側(cè)面低，噪聲輻射貢獻值小，進排氣側(cè)有較大的噪聲輻射。

(3)同一負荷下，隨著轉(zhuǎn)速的上升，發(fā)動機各側(cè)面的輻射噪聲聲壓級增加。

(4)同一轉(zhuǎn)速下，負荷越大，發(fā)動機各側(cè)面的輻射噪聲聲壓級越強。

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