某工程機械駕駛室噪聲源識別與噪聲控制

邵　威，臧獻國

（三一汽車制造有限公司 技術(shù)中心，長沙 410100）

某工程機械駕駛室噪聲源識別與噪聲控制

邵威，臧獻國

（三一汽車制造有限公司 技術(shù)中心，長沙 410100）

隨著對駕駛員舒適度的日益關(guān)注，以及噪聲輻射法規(guī)持續(xù)趨于嚴格，工程機械的噪聲控制水平已經(jīng)成為其產(chǎn)品核心競爭力之一。為了提高某工程機械駕駛室的舒適性，針對駕駛室內(nèi)部噪聲、外部近場噪聲和噪聲源近場噪聲，運用數(shù)種方法對測試數(shù)據(jù)進行分析，包括傳遞路徑法、頻譜分析法和分別運轉(zhuǎn)法；識別出駕駛室內(nèi)部噪聲的主要噪聲源和傳播途徑。根據(jù)測量數(shù)據(jù)和分析結(jié)果針對性提出降噪措施，降低了此型機械駕駛室的內(nèi)部噪聲，提升了舒適性。

聲學；駕駛室；噪聲源識別；頻譜分析；噪聲控制

噪聲是一種社會公害，它嚴重影響著人類的生活環(huán)境。隨著工程機械行業(yè)的迅速發(fā)展，對于工程機械已不再是簡單的要求作業(yè)效率和可靠性這些指標，特別是國內(nèi)工程機械產(chǎn)品對歐美地區(qū)出口量的逐年增長，社會發(fā)展和用戶群對于工程機械產(chǎn)品的舒適性和振動噪聲控制的要求越來越嚴格。

工程機械噪聲由多種因素綜合疊加而成，且各種噪聲形成的機理各不相同?？焖贉蚀_地確定各種噪聲源所在的部位，有針對性地提出有效改進措施，是降低工程機械噪聲的關(guān)鍵［1-4］。為了降低駕駛員耳旁噪聲，測量了典型工況駕駛室、發(fā)動機、冷卻風扇、排氣口噪聲源以及駕駛員耳旁的噪聲。運用分別運轉(zhuǎn)法分離了發(fā)動機冷卻風扇噪聲與液壓系統(tǒng)噪聲，運用分離法分離了駕駛室內(nèi)部結(jié)構(gòu)噪聲，通過對噪聲數(shù)據(jù)的分析識別了駕駛室內(nèi)部噪聲的主要噪聲源和傳遞路徑，針對性提出降噪措施，降低了駕駛室內(nèi)部噪聲，提高了產(chǎn)品的舒適性。

1　噪聲測試與噪聲源分離試驗

測試平臺為LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要包括LMS SCR05數(shù)據(jù)采集器、GRAS傳感器、B&K聲級計，聲壓信號采樣頻率為8 192 Hz。測量額定轉(zhuǎn)速下駕駛室內(nèi)部、駕駛室外部近場、發(fā)動機近場、排氣口、冷卻風扇近場噪聲。

工程機械因動力與液壓系統(tǒng)散熱量大，定置工況多，冷卻風扇迎面風壓低，冷卻風扇的轉(zhuǎn)速與尺寸大，造成風扇噪聲大［6-7］。為了分離冷卻風扇噪聲源，試驗過程中臨時拆除了冷卻風扇，對拆除冷卻風扇后的機械測量額定工況各點噪聲，獲取冷卻風扇對駕駛員耳旁噪聲的貢獻。

工程機械駕駛室噪聲一部分由噪聲源（發(fā)動機、冷卻風扇、液壓系統(tǒng)、排氣噪聲等）通過空氣傳遞到駕駛室內(nèi)部，另一部分發(fā)動機、液壓系統(tǒng)的振動最后經(jīng)駕駛室懸置傳遞到駕駛室，駕駛室振動引起結(jié)構(gòu)輻射聲。工程機械駕駛室通過橡膠懸置與車架體連接，駕駛室由鋼板、玻璃及立柱組成。為了分離駕駛室鋼板與玻璃板件的結(jié)構(gòu)輻射噪聲，試驗過程中臨時拆除駕駛室懸置，通過起重機械吊起駕駛室，駕駛室與車架體保持10 cm的高度，使發(fā)動機、液壓系統(tǒng)等振動無法通過懸置傳遞到駕駛室，從而分離駕駛室結(jié)構(gòu)振動引起的噪聲。測量額定工況駕駛員耳旁噪聲，獲取駕駛室結(jié)構(gòu)聲對駕駛員耳旁噪聲的影響［8］。

工程機械工作裝置運轉(zhuǎn)時，液壓泵及管道壓力顯著增加，工作時液壓泵及管道產(chǎn)生液壓脈沖噪聲，而工作裝置不運轉(zhuǎn)時，液壓泵及管道壓力小，液壓系統(tǒng)噪聲隨之減?。?］。為了識別液壓系統(tǒng)對駕駛員耳旁噪聲的影響，設(shè)定了兩種工況。一種是發(fā)動機處于額定轉(zhuǎn)速，工作裝置不運轉(zhuǎn)。一種是發(fā)動機處于額定轉(zhuǎn)速，工作裝置滿載工作，從而獲取液壓系統(tǒng)噪聲對駕駛員耳旁噪聲的影響。

2　噪聲測試分析與噪聲源識別

2.1總聲壓級分析

提取發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速工況空載下各測點總聲壓，各測點總聲壓級如表圖1所示。

圖1　各測點聲壓級對比

圖中1為駕駛員耳旁，2為駕駛室外部前面，3為駕駛室外部左面，4為駕駛室外部右面，5為駕駛室外部后面，6為駕駛室外部底面，7為排氣口，8為發(fā)動機近場，9為冷卻風扇近場。

從圖1分析可知：

（1）冷卻風扇噪聲＞發(fā)動機噪聲＞排氣口噪聲，排氣口噪聲低于駕駛室外場后部噪聲。

（2）駕駛室外部近場噪聲中，駕駛室底部噪聲和后部噪聲高于兩側(cè)和前面噪聲。說明噪聲源傳遞路徑主要從駕駛室底部和后部傳遞過來。

2.2噪聲頻譜分析

頻譜分析可以獲取發(fā)動機、冷卻風扇、柱塞泵等聲源與駕駛員耳旁噪聲頻譜特性，對比聲源的特征頻率峰值與駕駛員耳旁特征頻譜峰值，識別噪聲源在特征頻率處的貢獻。

發(fā)動機點火頻率

其中i為氣缸數(shù)（i=6），n為發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速，τ為沖程系數(shù)；

風扇旋轉(zhuǎn)基頻

其中z為風扇葉片數(shù)，n1為冷卻風扇轉(zhuǎn)速

柱塞泵脈動基頻

其中z2為柱塞泵柱塞個數(shù)，n2為柱塞泵轉(zhuǎn)速

取30 s穩(wěn)定時域采集數(shù)據(jù)進行譜分析，頻譜分析選擇Hanning窗，頻率分辨率為0.5 Hz。駕駛員耳旁噪聲1/3頻譜如圖2所示。

圖2　駕駛員耳旁噪聲頻譜

從頻譜圖分析可知：主要峰值頻率位于發(fā)動機點火頻率以及冷卻風扇旋轉(zhuǎn)基頻。

2.3噪聲分離試驗分析

拆除冷卻風扇前后，發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速空載下駕駛員耳旁噪聲頻譜和三分之一倍頻程如圖3所示。拆除風扇駕駛員耳旁噪聲總聲壓降低3 dB，冷卻風扇旋轉(zhuǎn)基頻處聲壓幅值降低15 dB以上，對應(yīng)315 Hz倍頻帶的聲壓級降低13 dB以上，在其它倍頻帶聲壓級均有不同程度下降。從聲學能量角度，冷卻風扇噪聲對駕駛員耳旁噪聲的貢獻量達50%。拆除冷卻風扇后，駕駛員耳旁的發(fā)動機轉(zhuǎn)頻的諧波成分更顯著，冷卻風扇一定程度上掩蓋了發(fā)動機的諧波成分。

圖3　拆除冷卻風扇前后駕駛員耳旁噪聲對比

吊起駕駛室前后，發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速空載下駕駛員耳旁噪聲總聲壓僅降低0.2 dB，表明駕駛室板件的結(jié)構(gòu)輻射噪聲對駕駛員耳旁噪聲無影響，通過降低駕駛室結(jié)構(gòu)板件的振動來降低駕駛員耳旁噪聲不可行。

發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速下，在額定負載下液壓泵工作壓力達到最大，與空載工況進行對比，駕駛員耳旁噪聲頻譜和三分之一倍頻程如圖4所示。額定載荷下，與空載對比駕駛員耳旁噪聲增加了2.8 dB。液壓系統(tǒng)脈動基頻以及2倍頻噪聲顯著增加，分別增加14.4 dB和13.1 dB，對應(yīng)250 Hz和500 Hz三分之一倍頻程的聲壓級顯著增加，分別增加了4.8 dB和9.3 dB，在其它倍頻帶聲壓級無明顯變化。額定載荷下，液壓系統(tǒng)脈動噪聲顯著增加，液壓系統(tǒng)噪聲對駕駛員耳旁噪聲影響較大。

圖4　空載與額定載荷駕駛員耳旁噪聲對比

3　降噪措施及試驗驗證

根據(jù)噪聲源識別結(jié)果，在不改變動力與整車結(jié)構(gòu)的前提下，主要從優(yōu)化冷卻風扇、抑制液壓脈動噪聲以及在主要噪聲傳遞路徑上采取隔聲吸聲措施來降低駕駛員耳旁噪聲。在控制冷卻風扇噪聲方面，把吹風式風扇改為吸風式風扇。在控制液壓系統(tǒng)噪聲方面，增加盲管以及蓄能器，盲管為液壓軟管，設(shè)置在液壓泵出口處，盲管調(diào)諧目標頻率為柱塞泵基頻239 Hz，盲管長度為該頻率下波長的四分之一，盲管和蓄能器布置見表1中降噪措施2。在噪聲傳遞路徑方面，增加隔板與吸聲材料，如在風扇噪聲向駕駛室內(nèi)部傳遞的路徑上增加蓋板，蓋板位置見表1中降噪措施1。

表1　降噪措施

滿載工況下，增加盲管和蓄能器后駕駛員耳旁噪聲聲壓級降低2.5 dB，表明能有效抑制液壓系統(tǒng)的脈動噪聲。優(yōu)選冷卻風扇以及對主要傳遞路徑進行隔聲和吸聲措施后，發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速空載下，駕駛室耳旁噪聲降低3 dB。

4　結(jié)語

本文通過噪聲試驗識別了駕駛員耳旁噪聲的主要噪聲源和噪聲傳遞路徑，針對性提出降噪措施，降低了駕駛員耳旁噪聲。

（1）發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速空載下，冷卻風扇噪聲是駕駛員耳旁的主要噪聲源，排氣噪聲不是主要噪聲源，駕駛室板件的結(jié)構(gòu)輻射噪聲對駕駛員耳旁噪聲無影響。駕駛員耳旁噪聲主要從駕駛室底部和后部傳遞到駕駛室。

（2）發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速額定載荷下，液壓系統(tǒng)脈動基頻以及2倍頻噪聲顯著增加，與空載對比駕駛員耳旁噪聲增加了2.8 dB，液壓系統(tǒng)噪聲對駕駛員耳旁噪聲影響較大。

（3）滿載工況下，增加盲管和蓄能器后駕駛員耳旁噪聲聲壓級降低2.5 dB，表明能有效抑制液壓系統(tǒng)的脈動噪聲。優(yōu)選冷卻風扇以及對主要傳遞路徑進行隔聲和吸聲措施后，發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速空載下，駕駛室耳旁噪聲降低3 dB，表明通過識別噪聲源指導降噪的正確性和降噪措施的有效性。

［1］胡成太，高云凱，劉爽.基于頻譜和相干分析的挖掘機噪聲識別與控制［J］.振動測試與診斷，2013，33（6）：1032-1038.

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Noise Sources Identification and Noise Control of the Cab of an Off-highway Machine

SHAOWei，ZANG Xian-guo
（Central Institute of R&D，SanyAutomobile Manufacture Co.Ltd.，Changsha 410100，China）

Acoustic performance has become a key competitive factor for off-highway machinery due to the increasing focus on operator’s comfort and noise pollution as well as continuing regulatory pressure.In order to improve the operator’s comfort of an off-highway machine，a number of methods including transfer path analysis，spectrum analysis and separatestep running，are used to analyze the measurement data of the near-field noise of the machine and interior/exterior noise of its cab.The main noise sources and noise transfer paths are identified.Based on the analysis results，some noise reduction measures are provided and implemented.The results show that the interior noise of the cab is greatly reduced and the operator’s comfort is improved.

acoustics；cab；identification of noise sources；spectrum analysis；noise control

TB535

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.05.012

1006-1355（2016）05-0056-03+64

2016-05-17

國家科技支撐計劃資助項目（2015BAF07B03）

邵威（1971-），男，西安市人，博士，高級工程師，研究方向為振動噪聲分析與控制。E-mail:shaow2@sany.com.cn

臧獻國（1983-），男，湖南省益陽市人，博士，研究方向為振動噪聲分析與控制。E-mail:zangxianguo@163.com