單缸汽油機缸頭異響識別與控制

景亞兵　劉煥領　林漫群　白　偉　趙鵬輝（天津大學內(nèi)燃機研究所　天津　300072）

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單缸汽油機缸頭異響識別與控制

景亞兵劉煥領林漫群白偉趙鵬輝
（天津大學內(nèi)燃機研究所天津300072）

摘要：針對某152QMI單缸汽油機怠速工況下缸頭部位的異響噪聲，綜合運用時頻分析、聲學互動濾波技術、階次分析等技術，分析確定了異響噪聲的來源及產(chǎn)生機理。研究結(jié)果表明，該發(fā)動機缸頭噪聲頻率有三個峰值頻段：800 Hz以下、1.8 kHz～2.3 kHz和4 kHz～5 kHz，其中1.8 kHz～2.3 kHz為異響頻率范圍，由缸蓋罩共振引起，隔離缸蓋罩振動激勵可有效消除怠速異響。

關鍵詞：單缸汽油機異響聲源識別時頻分析階次分析噪聲控制

引言

某152QMI單缸汽油機在怠速工況下，缸頭部位存在明顯的“咔啦咔啦”異響噪聲，降低了發(fā)動機的聲音品質(zhì)，影響了其市場競爭力。準確識別異響噪聲源，有效控制異響噪聲，對提升該發(fā)動機的聲學性能具有重要意義。

缸頭噪聲構(gòu)成較為復雜，包括了燃燒噪聲、氣動噪聲、機械噪聲[1]。該單缸汽油機體積小，燃燒室、進排氣口、配氣機構(gòu)都集中在缸頭部位，不適宜采用聲強、聲全息、Beamforming等表面輻射噪聲源識別方法[2]。本文運用聲學互動濾波技術識別異響特征，結(jié)合時頻分析，頻譜分析和階次分析等方法識別異響噪聲源，提出了相應的改進措施，有效地消除了該發(fā)動機的怠速異常噪聲。

1怠速噪聲測量與特征分析

1.1噪聲信號采集

被測單缸汽油機如圖1所示，排量125mL，缸徑52.4mm，沖程57.8mm，主要作為踏板摩托車動力使用。

使用LMS公司Mobile 01數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，選擇三個測點進行缸頭噪聲采集，同步采集發(fā)動機表面振動（三個測點）、氣缸壓力、曲軸轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速信號。噪聲測點布置在缸蓋左側(cè)、頂側(cè)、右側(cè)，距缸蓋約10mm。振動測點布置在缸蓋、缸體、箱體部位。具體測點布置如圖2所示。

圖1　 152QMI發(fā)動機

圖2　聲壓傳感器與振動傳感器布置示意圖

試驗在半消聲室中進行，啟動發(fā)動機，使之在怠速工況（發(fā)動機轉(zhuǎn)速1200 r/min）穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，機油溫度上升到正常工作溫度之后采集各信號，選用LMS公司的Test.Lab軟件對信號進行采集處理，采樣頻率為25.6 kHz，F(xiàn)FT頻率分辨率為1 Hz。

1.2噪聲特征分析

圖3　缸蓋噪聲頻譜分析

對噪聲信號進行頻譜分析，得到三個測點噪聲A計權(quán)聲壓級頻譜圖，如下圖3所示。從圖中可以看出三個測點的頻率分布特征并不一致：左側(cè)測點在頻帶1.8 kHz～2.3 kHz有一個較小的峰值，同時在800 Hz以下和4 kHz～5 kHz兩個頻帶內(nèi)聲壓級也較高；中間測點在頻帶1.8 kHz～2.3 kHz有一個明顯的主峰，峰值為65.8dB（A），同時在800 Hz以下頻帶內(nèi)聲壓級略高；而右側(cè)測點頻譜曲線較平緩，在800 Hz以下和4 kHz～5 kHz兩個頻帶內(nèi)聲壓級略高。

上述頻譜分析僅得到了噪聲信號的整體頻譜特征，即該發(fā)動機缸頭噪聲在800 Hz以下、1.8 kHz～2.3 kHz和4 kHz～5 kHz三個頻帶內(nèi)聲壓級較高，沒有獲得噪聲信號的局部特性。為識別發(fā)動機在一個工作循環(huán)內(nèi)噪聲信號的局部特征，采用基于小波變換[3]的時頻分析方法對噪聲信號進行分析，并根據(jù)轉(zhuǎn)速算得發(fā)動機怠速工況下，一個工作循環(huán)的周期為0.1 s （60 s/1200 r/min*2 = 0.1 s），截取一個工作循環(huán)（0.1 s）的時頻分析結(jié)果，如圖4所示。從圖中可以看出，各測點能量集中的頻帶與頻譜分析結(jié)果一致，結(jié)合發(fā)動機工作特征，可以看出頻率在800 Hz以下的噪聲，在發(fā)動機每個工作循環(huán)出現(xiàn)一次，一次持續(xù)約0.05 s（發(fā)動機運轉(zhuǎn)一周），初步判斷為進排氣噪聲；頻率在1.8 kHz～2.3 kHz內(nèi)的噪聲在一個工作循環(huán)內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)，初步判斷與結(jié)構(gòu)共振或齒輪等部件高頻嚙合沖擊有關；而頻率在4 kHz～5 kHz的噪聲，在發(fā)動機每個工作循環(huán)出現(xiàn)四次，具有明顯的間歇性，初步分析為配氣系統(tǒng)等部件間歇敲擊引起的噪聲。

通過頻譜分析及時頻分析得到了缸頭噪聲的主要特征，并初步分析了其可能的產(chǎn)生原因，下一步將結(jié)合缸頭噪聲特征，采用聲學互動濾波法對異響特征進行識別界定，并進一步分析確認其產(chǎn)生機理。

圖4　缸頭噪聲小波變換

2異響特征識別界定

聲學互動濾波法就是利用聲學濾波軟件對測量的聲音信號進行聲學數(shù)字濾波，再通過數(shù)字聲卡對濾波前后的數(shù)據(jù)進行回放，由人組成評審團對回放聲音進行對比，判斷異響是否消除，從而確定異響噪聲特征[4]。聲學互動濾波法是確定異常噪聲特征的有效手段，本文利用該方法，結(jié)合時頻分析得到的缸頭噪聲特征，在時頻域上進行濾波回放，來識別界定異響噪聲特征。

在時頻分析基礎上分別濾除時頻圖中的聲壓級較高的時頻區(qū)域，使其聲壓級接近相鄰區(qū)域的聲壓級，然后進行回放試聽并判斷異響是否消除，聲音品質(zhì)是否改善。采用數(shù)字濾波軟件，經(jīng)過反復濾波、回放、對比，最后確定的濾波器主要濾除了頻率在1.8 kHz～2.3 kHz內(nèi)的噪聲峰值。其缸頭中間測點濾波前后時頻圖如圖5所示。

濾波前后噪聲信號的聽覺主觀評價結(jié)果表明：濾波后缸頭異響消失，聲音品質(zhì)顯著改善。從而確定，發(fā)動機缸頭噪聲中頻率范圍在1.8 kHz～2.3 kHz的連續(xù)噪聲是異響噪聲。

圖5　缸頭中間測點濾波前后的時頻圖

3異響噪聲源識別驗證

3.1異響噪聲源識別

已識別異響特征，并根據(jù)其時頻特征初步分析該異響噪聲與結(jié)構(gòu)共振或齒輪等部件高頻嚙合沖擊有關。結(jié)構(gòu)共振噪聲頻率與共振部件的固有頻率有關，不隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速改變；齒輪等嚙合頻率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高而增加，相應的其產(chǎn)生的噪聲頻率也會隨著轉(zhuǎn)速的提高而增加。而階次分析[5]可以將頻譜及時間歷程與旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)速關聯(lián)起來，從而識別頻率是否與轉(zhuǎn)速相關。因此，可通過階次分析判斷異響頻率1.8 kHz～2.3 kHz是否與轉(zhuǎn)速相關，從而判斷其是結(jié)構(gòu)共振引起還是齒輪等結(jié)構(gòu)嚙合引起。

階次測試采用加速工況，發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍為1000 r/min～4000 r/min，其他測試條件與1.1節(jié)相同。

圖6為發(fā)動機缸蓋中間測點噪聲信號的階次分析結(jié)果，圖中標出了噪聲信號的前五個階次，在2 kHz左右，有一條垂直的頻率帶，此頻率帶的顏色隨著轉(zhuǎn)速的增加而逐漸變亮，表示隨著發(fā)動機運動的加劇，該頻率段聲音逐漸增強，但是隨著轉(zhuǎn)速的增加，該段的中心頻率無明顯變化，由此判定1.8 kHz～ 2.3 kHz頻帶的噪聲與發(fā)動機轉(zhuǎn)速無關，為結(jié)構(gòu)共振引起。對比圖4中左側(cè)、中間、右側(cè)三個測點的時頻圖，可以看出中間測點的異響特征最明顯，1.8 kHz～ 2.3 kHz頻帶的噪聲最突出，因此推斷該測點對應的缸頭蓋罩是異響噪聲源，其結(jié)構(gòu)共振是產(chǎn)生異響的主要原因。

圖6　階次分析

通過對缸壓的角度域信號分析，結(jié)合上止點位置信號及配氣相位參數(shù)，可得到各工作循環(huán)內(nèi)發(fā)動機的工作狀態(tài)[6]，與噪聲時頻特征對比可判定800 Hz以下和4 kHz～5 kHz這兩個頻帶的所對應的噪聲源。其中頻率在800 Hz以下的噪聲峰值總是出現(xiàn)在排氣門開啟后，并一直持續(xù)到進氣門關閉前，從而確定800 Hz以下頻率帶的噪聲是進排氣產(chǎn)生的氣動噪聲；頻率在4000 Hz～5000 Hz內(nèi)的噪聲，其峰值總是出現(xiàn)在進排氣門開啟及關閉時刻，從而確認該噪聲是配氣系統(tǒng)運動引起。

3.2異響噪聲源驗證

首先，對三個位置的振動信號進行時頻分析，如圖7所示。從圖中可以看出，缸蓋罩在1.8 kHz～2.3 kHz頻帶范圍內(nèi)振動加速度幅值較高，且該頻率范圍內(nèi)的振動信號在時間域上較連續(xù)，與異響時頻特征一致。

圖7　振動小波變換

然后，采用消去法將缸蓋罩拆除，測得缸頭中間測點噪聲頻譜，與原始狀態(tài)中間測點頻譜對比如圖8所示，從圖中可以看出，1.8 kHz～2.3 kHz頻段內(nèi)噪聲峰值消除，同時在發(fā)動機旁通過主觀感受評價：氣門敲擊等缸頭噪聲增加，異響噪聲消除。因此確定異響頻率在1.8 kHz～2.3 kHz，由于缸蓋罩共振引起。

圖8　缸蓋罩拆除前后中間測點噪聲頻譜

4結(jié)構(gòu)修改驗證

對于缸蓋罩振動可通過隔離振動激勵和優(yōu)化缸蓋罩結(jié)構(gòu)提高共振頻率加以控制。綜合考慮工藝成本等因素，選擇隔離振動的措施，對原缸蓋罩密封墊進行改進，提高密封墊的隔振效果，缸蓋罩及改進后密封墊片如下圖9所示。

圖9　缸蓋罩及改進前后密封墊片

圖10　改進前后缸頭噪聲頻譜

對比改進前后的缸頭噪聲頻譜圖，如圖10所示，可以看到1.8 kHz～2.3 kHz頻段內(nèi)噪聲峰值顯著降低，同時主觀評價判定異響消除。

因此，本文中通過改進缸蓋罩墊片，隔離振動傳遞，有效降低了缸頭蓋振動，控制了缸頭異響。

5　結(jié)論

針對某152QMI單缸汽油機怠速工況下缸頭部位的異響噪聲，綜合運用時頻分析、聲學互動濾波、階次分析等技術，分析確定了異響特征，識別出缸蓋罩共振輻射噪聲是異響產(chǎn)生的源頭，并通過隔離缸蓋罩振動激勵有效消除異響。

1）運用頻譜分析、時頻分析等方法，識別某152QMI發(fā)動機缸頭噪聲特征，得到該發(fā)動機缸頭噪聲頻率有三個峰值頻段：800 Hz以下、1.8 kHz～2.3 kHz和4 kHz～5 kHz。

2）通過聲學互動濾波法識別出該缸頭異響的特

征，該異響為1.8 kHz～2.3 kHz頻段內(nèi)的連續(xù)噪聲。

3）在時頻分析基礎上，結(jié)合階次分析、消去法，識別出異響噪聲源為缸蓋罩，其共振輻射噪聲是產(chǎn)生異響的主要原因。

4）通過改進密封墊片隔離缸蓋罩振動，測試結(jié)果及主觀評價均表明該方案有效降低了缸頭蓋振動，消除了缸頭異響。

參考文獻

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2胡伊賢，李舜酩，張袁元，等.車輛噪聲源識別方法綜述[J].噪聲與振動控制，2012（5）：11-15，20

3楊金才，郝志勇.用A計權(quán)連續(xù)小波變換識別內(nèi)燃機噪聲源[J].浙江大學學報（工學版），2006，40（7）：1174-1177

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5徐紅梅，郝志勇，郭磊.階次分析在發(fā)動機進氣噪聲研究中的應用[J].小型內(nèi)燃機與摩托車，2008，37（1）：83-86

6景亞兵，劉煥領，白偉，等.基于角度域的汽油發(fā)電機組噪聲分析[J].內(nèi)燃機與配件，2011（6）：25-27

·綜述·

Abnormal Noise Source Identification and Control of
Cylinder Head for Single Cylinder Gasoline Engine

Jing Yabing，Liu Huanling，Lin Manqun，Bai Wei，Zhao Penghui
Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University（Tianjin，300072，China）

Abstract：For the abnormal noise from cylinder head of 152QMI single cylinder gasoline engine in the idle speed condition，time-frequency analysis，acoustics interaction filtering technique and order analysis were used to analyze and determine the source and the mechanism of the abnormal noise. The research results showed that there were three peak noise frequency spectrums in the noise from the engine cylinder head: 800 Hz below，1.8 kHz - 2.3 kHz and 4kHz - 5 kHz, the spectrum 1.8 kHz - 2.3 kHz was the abnormal noise spectrum，and it was caused by resonance of cylinder head cover, interdicting the vibration motivation to the cylinder head cover could effectively eliminate the idle sound.

Keywords：Single cylinder gasoline engine，Abnormal noise，Noise source identification，Time-frequency analysis，Order analysis，Noise control

收稿日期：（2015-01-04）

文章編號：2095-8234（2015）03-0071-05

文獻標識碼：A

中圖分類號：TK411+.6

作者簡介：景亞兵（1979-），男，工程師，主要研究方向為摩托車振動與噪聲。