柴油機(jī)表面輻射噪聲源識別與降噪研究*

劉 帥，王 忠，王 林，查 紅，趙 洋

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013； 2.南京依維柯汽車有限公司發(fā)動機(jī)分公司，南京 210012)

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柴油機(jī)表面輻射噪聲源識別與降噪研究*

劉 帥1，王 忠1，王 林2，查 紅2，趙 洋1

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013； 2.南京依維柯汽車有限公司發(fā)動機(jī)分公司，南京 210012)

表面輻射噪聲是除空氣動力性噪聲外柴油機(jī)的主要噪聲源。采用近場聲壓法和表面振速法進(jìn)行試驗，以識別柴油機(jī)的主要輻射噪聲源，探討了不同工況下，各輻射噪聲源對總噪聲的貢獻(xiàn)率。研究了兩種不同組合吸聲材料對柴油機(jī)輻射噪聲的影響規(guī)律，探討了正時齒形帶罩蓋和機(jī)體的結(jié)構(gòu)改進(jìn)的降噪效果。結(jié)果表明，噴油泵、油底殼和正時齒形帶罩蓋為柴油機(jī)的主要輻射噪聲源，對整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)率達(dá)70%左右；隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，材料的吸聲性能下降，海綿在里層時對輻射噪聲的控制效果較好，吸聲材料主要吸收31.5～100Hz的低頻段噪聲的聲能量；正時齒形帶罩蓋和機(jī)體結(jié)構(gòu)改進(jìn)，降低了中、高頻率段的噪聲聲壓級和近場噪聲；綜合運用降噪措施，可使柴油機(jī)整機(jī)輻射噪聲，在標(biāo)定工況、最大轉(zhuǎn)矩工況和怠速工況下分別降低1.2，1.4和1.3dB(A)。

柴油機(jī)；輻射噪聲；噪聲源識別；降噪效果

前言

柴油機(jī)噪聲激勵主要來自空氣動力學(xué)效應(yīng)、燃燒壓力震蕩和零部件振動與沖擊產(chǎn)生的機(jī)械噪聲等。燃燒噪聲和機(jī)械噪聲主要以結(jié)構(gòu)振動的形式向外傳遞，激發(fā)起空氣質(zhì)點的振動而形成聲波向外輻射。表面輻射噪聲是除空氣動力性噪聲外柴油機(jī)的主要噪聲源[1-3]。

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)圍繞柴油機(jī)表面輻射噪聲源識別與降噪問題，開展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[4]中采用近場聲強(qiáng)法識別了柴油機(jī)的主要噪聲源，結(jié)果表明，當(dāng)柴油機(jī)在2 100r/min全負(fù)荷運轉(zhuǎn)時，油底殼輻射噪聲聲強(qiáng)級達(dá)到108.8dB(A)，對整機(jī)噪聲貢獻(xiàn)率為47%，是柴油機(jī)最主要的噪聲源，柴油機(jī)前端面對整機(jī)噪聲貢獻(xiàn)率為20%，是柴油機(jī)另一個主要噪聲源。文獻(xiàn)[5]中采用小波變換的方法分析了直噴柴油機(jī)工作過程中的輻射噪聲，結(jié)果表明，機(jī)械振動和缸內(nèi)壓力影響噪聲產(chǎn)生，機(jī)械振動對噪聲的貢獻(xiàn)率隨轉(zhuǎn)速的提高而增大，減少噴油量可以減小機(jī)械振動對噪聲的貢獻(xiàn)率。文獻(xiàn)[6]中采用有限元與聲學(xué)邊界元仿真相結(jié)合的方法，對柴油機(jī)油底殼進(jìn)行了低噪聲改進(jìn)設(shè)計，結(jié)果表明，油底殼改進(jìn)后，最大聲壓增加，輻射面積大幅減小，在3 000Hz以內(nèi)，油底殼的總輻射噪聲聲功率級從改進(jìn)前的101.0降低到改進(jìn)后的97.8dB(A)。文獻(xiàn)[7]中對附加自由阻尼和復(fù)合阻尼的柴油機(jī)薄壁件進(jìn)行了聲輻射效率的試驗研究，結(jié)果表明，自由阻尼材料不能很好地起到阻尼減振作用，在中低速運轉(zhuǎn)時，復(fù)合阻尼減振鋼板對降低柴油機(jī)薄壁件表面噪聲輻射影響大。

本文中采用近場聲壓法和表面振速法進(jìn)行試驗，識別了柴油機(jī)的主要噪聲源，分析了不同零部件的噪聲貢獻(xiàn)率。探討了不同吸聲材料對柴油機(jī)噪聲的降低效果，對正時齒形帶罩蓋和機(jī)體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，分析了改進(jìn)前后噪聲的變化規(guī)律。

1 噪聲源識別

1.1 識別設(shè)備

用于噪聲源識別的是一臺直列四缸增壓中冷柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。試驗采用丹麥B&K公司生產(chǎn)的聲學(xué)采集處理系統(tǒng)，如圖1所示。

試驗在半消聲噪聲實驗室進(jìn)行。柴油機(jī)安裝在彈性地基上，通過彈性聯(lián)軸器與電力測功器相連，排氣管包裹吸聲材料，拆除柴油機(jī)冷卻風(fēng)扇，試驗現(xiàn)場如圖2所示。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 聲學(xué)測量儀器

圖2 柴油機(jī)試驗臺架

1.2 識別方案

根據(jù)柴油機(jī)的運行狀態(tài)，結(jié)合文獻(xiàn)[8]～文獻(xiàn)[12]中的研究，確定了14個零部件作為研究對象，柴油機(jī)在標(biāo)定工況、最大轉(zhuǎn)矩工況和怠速工況運行，測量了各零部件的近場噪聲聲壓級，根據(jù)能量疊加法則得到對整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)率。傳聲器探頭離被測物表面的距離為50mm。

14個近場測點位置為：1-氣缸罩左端，2-氣缸罩中端，3-氣缸罩蓋右端，4-氣缸罩側(cè)端，5-燃油泵，6-附件箱，7-油底殼側(cè)面，8-正時齒形帶罩蓋上端，9-正時齒形帶罩蓋中端，10-正時齒形帶罩蓋下端，11-機(jī)體，12-增壓器，13-起動電機(jī)，14-空氣濾清器外壁。

在柴油機(jī)氣缸罩蓋、正時齒形帶罩蓋、油底殼和機(jī)體表面布置振動測點[13]，如圖3所示。振動測試分析系統(tǒng)主要包括加速度傳感器、電荷放大器、采集儀和頻譜分析軟件，表面振動測量采用壓電晶體加速度計。柴油機(jī)在標(biāo)定工況、最大轉(zhuǎn)矩工況和怠速工況運行時，采集各測點表面振動速率，結(jié)合近場聲壓識別出柴油機(jī)主要輻射噪聲源。

圖3 表面振動測點

1.3 主要噪聲源確定

圖4為柴油機(jī)在不同工況運行時，各個測點的噪聲聲壓級測量值。由圖可見，柴油機(jī)在標(biāo)定工況運行時，燃油泵、附件箱、油底殼、正時齒形帶罩蓋下端和起動電機(jī)的噪聲聲壓級高于其他測點，其中，燃油泵的噪聲聲壓級最大，達(dá)到109.9dB(A)，噪聲最低的為空氣濾清器外壁；最大轉(zhuǎn)矩工況下，燃油泵和正時齒形帶罩蓋下端噪聲值最大，達(dá)到101.7dB(A)；柴油機(jī)在怠速工況運行時，氣缸罩側(cè)端、燃油泵、正時齒形帶罩蓋中端與下端和柴油機(jī)機(jī)體的噪聲聲壓級高于其他測點，附件箱、油底殼、正時齒形帶罩蓋上端和增壓器為次要噪聲源。

圖4 不同工況近場測點噪聲聲壓級

圖5 不同部件近場振動速度

圖5為柴油機(jī)在不同工況運行時，不同部件的近場振動速度。由圖可見，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，各部件表面振動速度下降，降幅達(dá)13～16mm/s；各部件中，氣缸罩蓋的振動速度最大，在標(biāo)定工況，達(dá)到35.8mm/s，油底殼振動速度最??；比較各部件在不同工況的差值可以看出，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，氣缸罩蓋和機(jī)體表面振動速度的差值最大，達(dá)到8mm/s左右，原因主要是隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，最大爆發(fā)壓力升高，燃燒壓力波對氣缸罩和機(jī)體的敲擊壓力增大，表面的振動速度加大。

綜合比較近場聲壓法和表面振速法的識別結(jié)果可見，燃油泵、氣缸罩蓋、正時齒形帶罩蓋、機(jī)體和油底殼為柴油機(jī)的主要噪聲源，結(jié)合客觀條件，本文中將圍繞氣缸罩蓋、正時齒形帶罩蓋和機(jī)體的噪聲控制展開研究。

1.4 噪聲貢獻(xiàn)率

聲壓級作為對數(shù)單位，須按能量相加原則進(jìn)行疊加。假設(shè)存在噪聲源A和B，A點聲壓級大于B點聲壓級，A點和B點的噪聲值相互疊加后得到的合成聲壓級應(yīng)為

(1)

式中：Lp∑為疊加后總聲壓級；LpA為A點噪聲聲壓級；pA和pB為A點和B點的聲壓值；p0為聽閾聲壓。

將式(1)變形可以得到

Lp∑=LpA+10lg[1+10-(LpA-LpB)/10]

(2)

由式(2)可見，聲壓級不同的兩個噪聲源，合成后的噪聲聲壓級應(yīng)是較大的噪聲源聲壓級加一個增加值，增加值是兩個噪聲源噪聲分貝值差數(shù)的函數(shù)。根據(jù)式(1)和式(2)，結(jié)合近場聲壓的測量結(jié)果，分析了標(biāo)定工況、最大轉(zhuǎn)矩工況和怠速工況時，各零部件對柴油機(jī)的噪聲貢獻(xiàn)率。

圖6 各零部件對柴油機(jī)噪聲貢獻(xiàn)率

圖6為柴油機(jī)按不同工況運行時，主要零部件噪聲對整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)率。由圖可見，柴油機(jī)在標(biāo)定工況運行時，噪聲聲壓級最大的燃油泵對整機(jī)噪聲聲壓級的貢獻(xiàn)率達(dá)到36%，附件箱產(chǎn)生的噪聲占整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)率達(dá)到22%；柴油機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩工況下運行時，油底殼輻射噪聲和曲軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲對整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)率皆為30%；柴油機(jī)在怠速工況運行時，曲軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲對整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)率達(dá)36%，機(jī)體輻射噪聲的貢獻(xiàn)率為21%。

2 降噪措施研究

2.1 覆蓋吸聲材料

試驗選用兩種不同組合方式的復(fù)合吸聲材料，第一種組合方式外層和中間層為阻尼橡膠，里層為吸聲海綿，第二種組合方式外層和里層為阻尼橡膠，中間層為吸聲海綿，如圖7所示。

圖7 不同組合方式的吸聲材料

將復(fù)合材料壓制成形，安裝在柴油機(jī)氣缸罩蓋上端。柴油機(jī)從標(biāo)定工況開始按照外特性運行。近場測點為柴油機(jī)氣缸罩蓋上端左側(cè)測點。

圖8為柴油機(jī)按照外特性運行時，氣缸罩蓋覆蓋不同復(fù)合吸聲材料后，罩蓋上端和側(cè)端4個測點噪聲聲壓級比較圖。由圖可見，覆蓋復(fù)合吸聲材料可使氣缸罩蓋輻射噪聲聲壓級降低2～4dB(A)；使用里層為吸聲綿的材料對氣缸罩蓋輻射噪聲的抑制效果更好，噪聲可多降低0.5dB(A)；柴油機(jī)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速運行時，復(fù)合材料的吸聲效果最明顯，但隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，復(fù)合吸聲材料的吸聲效果下降。

圖8 不同工況材料的吸聲效果

圖9為柴油機(jī)在標(biāo)定工況運行時，氣缸罩蓋上端覆蓋不同吸聲材料測點1的1/3倍頻程圖。由圖可見，柴油機(jī)在標(biāo)定工況運行時，在各個頻率段，使用復(fù)合材料都可以降低噪聲聲壓級；在31.5～100Hz的低頻率段復(fù)合材料的吸聲效果更明顯，噪聲聲壓級最大降低了19dB(A)左右；兩種復(fù)合材料在各個頻率段的吸聲效果基本一致，主要由于兩種復(fù)合材料的性質(zhì)沒有變化，只是組合方式發(fā)生了變化；第一種材料在各個頻率段的降噪效果略好于第二種材料，在頻率為500～1 000Hz的中頻率段第一種組合方式的復(fù)合材料降噪效果明顯比第二種組合方式好，最大達(dá)到6dB(A)左右。

圖9 氣缸罩蓋覆蓋吸聲材料頻譜圖

2.2 正時齒形帶罩蓋結(jié)構(gòu)改進(jìn)

正時齒形帶罩蓋面積大，厚度薄，在柴油機(jī)工作時，它劇烈振動并向外輻射噪聲，是柴油機(jī)的主要噪聲源[14]。安裝改進(jìn)后的正時齒形帶罩蓋，柴油機(jī)在標(biāo)定工況、最大轉(zhuǎn)矩工況和怠速工況運行，測量罩蓋近場的噪聲聲壓級，比較結(jié)構(gòu)改進(jìn)對柴油機(jī)噪聲的影響。

對正時齒形帶罩蓋進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，主要是在罩蓋內(nèi)表面加網(wǎng)狀加強(qiáng)筋，增加罩蓋厚度，提高罩蓋強(qiáng)度和剛度以減小表面振動。

圖10為柴油機(jī)安裝不同正時齒形帶罩蓋，在標(biāo)定工況、最大轉(zhuǎn)矩工況和怠速工況下近場測點的噪聲聲壓級。由圖可見，柴油機(jī)在不同工況時，安裝改進(jìn)的正時齒形帶罩蓋近場聲壓級降低1dB(A)左右，說明結(jié)構(gòu)的修改提高了正時齒形帶罩蓋表面的剛度和強(qiáng)度，使罩蓋表面的振動幅度減小，降低了表面輻射噪聲。

圖10 正時齒形帶罩蓋結(jié)構(gòu)改進(jìn)對近場噪聲的影響

圖11為柴油機(jī)安裝不同的正時齒形帶罩蓋，標(biāo)定工況運行時，近場噪聲的1/3倍頻程頻譜圖。由圖可見，柴油機(jī)在標(biāo)定工況運行時，各個頻率段輻射噪聲基本一致；在中、高頻率段改進(jìn)型罩蓋的聲壓級低于原罩蓋的輻射噪聲，頻率越高對總聲壓級的貢獻(xiàn)率越大，改進(jìn)的罩蓋主要降低了高頻率段噪聲。

圖11 罩蓋改進(jìn)對噪聲頻譜的影響

2.3 機(jī)體結(jié)構(gòu)改進(jìn)

對原機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了兩處修改，一是將機(jī)體排氣側(cè)中部的加強(qiáng)筋布置方向由斜向改為垂直方向，并增加了加強(qiáng)筋的厚度，二是封閉機(jī)體后端主軸承孔上方圓孔。

圖12為柴油機(jī)分別按照標(biāo)定工況、最大轉(zhuǎn)矩工況和怠速工況運行時，機(jī)體改進(jìn)前后近場測點噪聲聲壓級的比較。由圖可見，柴油機(jī)在標(biāo)定工況運行時，結(jié)構(gòu)改進(jìn)機(jī)體近場測點的噪聲聲壓級降低了2.3dB(A)，在最大轉(zhuǎn)矩工況下，機(jī)體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)可以降低2dB(A)的輻射噪聲，柴油機(jī)在怠速工況運行時，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的機(jī)體噪聲僅降低0.9dB(A)。可見，隨著轉(zhuǎn)速的降低，改進(jìn)結(jié)構(gòu)對柴油機(jī)機(jī)體近場噪聲的影響減弱。

圖12 近場測點聲壓級比較

圖13為柴油機(jī)分別按照標(biāo)定工況和怠速工況運行，機(jī)體結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后近場測點噪聲1/3倍頻程頻譜圖。由圖可見，中、高頻率段的噪聲占主要部分，通過機(jī)體的結(jié)構(gòu)改進(jìn)降低了中、高頻率段的噪聲聲壓級；柴油機(jī)按照怠速工況運行時，在各個頻率段，機(jī)體改進(jìn)的降噪效果不明顯，與近場噪聲測量結(jié)果一致。

圖13 不同工況機(jī)體近場的噪聲頻譜

2.4 綜合措施對整機(jī)噪聲的影響

圖14 改進(jìn)前后整機(jī)噪聲聲功率級比較

使用復(fù)合吸聲材料覆蓋柴油機(jī)氣缸罩蓋，對正時齒形帶罩蓋和機(jī)體進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，測量了柴油機(jī)整機(jī)噪聲聲功率級，與改進(jìn)前柴油機(jī)進(jìn)行了比較，如圖14所示。由圖可見，柴油機(jī)實施綜合降噪措施后，在各個工況，整機(jī)噪聲聲功率級有明顯下降，在標(biāo)定工況降低了1.2dB(A)，最大轉(zhuǎn)矩工況和怠速工況分別降低了1.4和1.3dB(A)，噪聲降低的最大值出現(xiàn)在2 000r/min，達(dá)到1.5dB(A)，整機(jī)噪聲降低明顯，達(dá)到了降低柴油機(jī)整機(jī)噪聲的目的。

3 結(jié)論

(1)本文中研究的柴油機(jī)，在標(biāo)定工況運行時，燃油泵、附件箱和油底殼為主要噪聲源，燃油泵的輻射噪聲占整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)率達(dá)到36%；最大轉(zhuǎn)矩工況時，燃油泵和附件箱的聲能分別占整機(jī)聲能的30%；怠速工況時，主要噪聲源為正時齒形帶罩蓋和氣缸罩蓋。

(2)使用復(fù)合吸聲材料能夠有效控制柴油機(jī)表面輻射噪聲；里層吸聲海綿對噪聲的控制效果好；吸聲材料主要吸收了31.5～100Hz的低頻率段噪聲的聲能量，在中、高頻率段，里層為吸聲海綿的效果較好。

(3)正時齒形帶罩蓋結(jié)構(gòu)的改進(jìn)降低了中、高頻率段的噪聲，該柴油機(jī)的輻射噪聲下降了0.3dB(A)；隨著轉(zhuǎn)速的降低，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的機(jī)體抑制了中、高頻率段的噪聲，近場噪聲下降。

(4)柴油機(jī)氣缸罩蓋覆蓋吸聲材料，并改進(jìn)正時齒形帶罩蓋和機(jī)體，可以明顯降低所研究柴油機(jī)的整機(jī)噪聲，降幅達(dá)1～1.5dB(A)。

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A Study on Surface Radiation Noise Source Identification and Noise Reduction for Diesel Engine

Liu Shuai1, Wang Zhong1, Wang Lin2, Zha Hong2& Zhao Yang1

1.SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013;2.EnginePlantofNavecoCorporation,Nanjing210012

Surface radiation noise is the main noise source of diesel engine, besides aerodynamic noise. In this paper, tests are conducted with near-field sound pressure method and surface vibration velocity method, to identify the main radiation noise sources of diesel engine. The contribution rates of each noise source to overall noise in the different conditions are investigated. The influences of two different combinations of sound-absorbing materials on the radiation noise of diesel engine are studied and the noise reduction effects of the structural modification of toothed timing belt cover and cylinder block are explored. The results show that the fuel injection pump, oil pan and toothed timing belt cover are the main radiation noise sources of diesel engine, with the sum of contribution rates of their noises to the overall noise of engine reaching about 70%. With the lowering of engine speed, the sound absorbing performance of materials declines, the material with sponge in its inner layer has better control effects of radiation noise, and the sound absorbing material mainly absorbs the sound energy of noises at a low-frequency band of 31.5～100Hz. The structural modification of toothed timing belt cover and cylinder block lower the sound pressure level of noises at medium and high frequency bands and near-field noises. Concurrently adopting various noise reduction measures can lower the total radiation noise of diesel engine by 1.2, 1.4 and 1.3dB(A) in rated condition, maximum torque condition and idling condition respectively.

diesel engine; radiation noise; noise source identification; noise reduction effects

*國家自然科學(xué)基金(51376083)、江蘇省高校自然科學(xué)基金(10KJA470009和13KJA470001)、江蘇省2013年度普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(CXZZ13-0672)、江蘇省2014年度普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(KYLX-10635)和2011年江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目(PAPD)資助。

原稿收到日期為2015年3月18日，修改稿收到日期為2015年9月1日。