基于Test. Lab隔熱罩輻射噪聲分析

張偉龍，鄔忠永，丁保安，郭彬，李秀山

(1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊　261061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊　261061)

引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)汽車性能及舒適性提出了更高的要求。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率越來(lái)越高，噪聲與振動(dòng)問(wèn)題越來(lái)越突出[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)件輻射噪聲一般占發(fā)動(dòng)機(jī)總輻射噪聲的40%～60%[2]。發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲中，外圍結(jié)構(gòu)件同樣是非常重要的輻射噪聲源。外圍結(jié)構(gòu)件受到發(fā)動(dòng)機(jī)各種激勵(lì)時(shí)，表現(xiàn)出橫向彎曲、縱向彎曲、扭轉(zhuǎn)或耦合效應(yīng)等，因此研究結(jié)構(gòu)件輻射噪聲非常重要，但相關(guān)研究?jī)H限于理論研究，未將研究成果應(yīng)用到實(shí)際故障解決中。

本研究對(duì)薄壁件輻射噪聲產(chǎn)生機(jī)理和特性進(jìn)行了分析，并通過(guò)NVH試驗(yàn)及LMS Test. lab聲診斷方法對(duì)隔熱罩輻射噪聲進(jìn)行分析并提出優(yōu)化措施，有效地降低了整車噪聲。為解決隔熱罩輻射噪聲異常問(wèn)題提供了可借鑒的方法。

1　輻射噪聲產(chǎn)生機(jī)理

發(fā)動(dòng)機(jī)是存在多個(gè)聲源的復(fù)雜機(jī)器，其噪聲按產(chǎn)生機(jī)理可分為：空氣動(dòng)力性噪聲、結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲。結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲是燃燒噪聲、機(jī)械噪聲、液體動(dòng)力噪聲激振發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲，又稱表面輻射噪聲。發(fā)動(dòng)機(jī)中激勵(lì)引起的振動(dòng)形成了各種不同形式和不同地點(diǎn)的激勵(lì)源，使結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況有所不同，最終反映在與空氣接觸的表面振動(dòng)。

輻射聲波機(jī)理來(lái)看，有點(diǎn)源、偶極子源和四極子源等基本類型。在空間某點(diǎn)上質(zhì)量流率隨時(shí)間改變時(shí)就形成了點(diǎn)源，點(diǎn)源的聲輻射是無(wú)指向性的，設(shè)簡(jiǎn)諧點(diǎn)源的振動(dòng)為：

S(t)=Sωcosωt，

(1)

式中:S(t)為源處流體的體積變化率；Sω為源處流體的體積速度最大值；ω為圓頻率；

簡(jiǎn)諧點(diǎn)源的輻射聲功率為：

(2)

式中:ρ為環(huán)境媒介的密度；c為環(huán)境媒介的升速；|Sω|為點(diǎn)源強(qiáng)度的有效值。

控制發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，最終就是要減小表面輻射噪聲，可考慮：控制噪聲源、控制傳播途徑，控制表面輻射噪聲，隔離輻射噪聲，前兩者屬于主動(dòng)控制，后者屬于被動(dòng)控制。表面輻射噪場(chǎng)中燃燒噪聲和活塞撞擊噪聲對(duì)表面輻射噪聲影響較大，對(duì)這兩種噪聲源及其傳遞途徑采取措施，能有效地降低輻射噪聲。

2　隔熱罩輻射噪聲案例分析

2.1　問(wèn)題描述

某牽引車在中高轉(zhuǎn)速時(shí)，出現(xiàn)整車噪聲大的問(wèn)題，異響噪聲主觀感受為“尖銳清脆”的聲音，嚴(yán)重影響了舒適性。

2.2　試驗(yàn)分析

首先進(jìn)行了機(jī)動(dòng)車輛定置噪聲及升速工況整車車外0.5 m測(cè)點(diǎn)噪聲試驗(yàn)。圖1為升速工況整車左側(cè)噪聲Overall Level曲線，圖2為升速工況整車左側(cè)噪ColorMap圖，圖3為升速工況隔熱罩振動(dòng)ColorMap圖，圖4為穩(wěn)態(tài)工況1 700 r/min整車左側(cè)噪聲1/3倍頻圖。

圖1　升速工況整車左側(cè)噪聲Overall Level曲線

圖2　升速工況整車左側(cè)噪聲ColorMap圖

圖3　升速工況隔熱罩振動(dòng)ColorMap圖

圖4　穩(wěn)態(tài)工況1 700 r/min整車左側(cè)噪聲1/3倍頻圖

圖5　升速工況拆除隔熱罩前后整車左側(cè)噪聲Overall Level對(duì)比曲線

如圖1所示，整車定置噪聲為105.7 dB(A)，不能滿足國(guó)標(biāo)限值要求(小于103 dB(A))。如圖2～4所示，初步判定異常噪聲頻率以800 Hz、1 000 Hz和1 250 Hz為中心頻率(1/3倍頻程)，主要為813 Hz、1 086 Hz和1 142 Hz左右的窄頻。通過(guò)LMS Test. lab聲診斷濾波回放及振動(dòng)試驗(yàn)綜合分析，主要是由于隔熱罩存在810 Hz、1 083 Hz和1 142 Hz左右某幾階固有頻率，發(fā)生共振產(chǎn)生較大輻射噪聲；同時(shí)由于隔熱罩為不銹鋼材料，結(jié)構(gòu)阻尼較小，受到激勵(lì)輻射噪聲較大，且結(jié)構(gòu)輻射主要分布于500～1 500 Hz頻率帶內(nèi)[3]，隔熱罩輻射噪聲為整車噪聲主要噪聲源。

為了進(jìn)一步確定輻射噪聲貢獻(xiàn)量，拆掉隔熱罩后進(jìn)行整車噪聲試驗(yàn)。圖5為升速工況拆除隔熱罩前后整車左側(cè)噪聲Overall Level對(duì)比曲線。

如圖5所示，隔熱罩對(duì)整車定置噪聲的貢獻(xiàn)量Lp1為：

(3)

式中：Lp為整車定置噪聲聲壓級(jí)，dB(A)；Lp2為拆掉隔熱罩的整車定置噪聲聲壓級(jí)，dB(A)。

隔熱罩噪聲對(duì)整車定置噪聲的貢獻(xiàn)率P為:

(4)

根據(jù)國(guó)標(biāo)機(jī)動(dòng)車輛定置噪聲測(cè)量方法，整車定置噪聲取值為1 700 r/min時(shí)測(cè)得的聲壓值，整車定置噪聲中，隔熱罩噪聲為103 dB(A)，大于拆掉隔熱罩的整車定置噪聲聲壓值102.45 dB(A)，噪聲貢獻(xiàn)百分比為53.33%，由此確定隔熱罩輻射噪聲大是整車噪聲大主要原因。

圖6　不同壁厚下殼體輻射聲功率

圖7　不同結(jié)構(gòu)阻尼下殼體輻射聲功率

2.3　優(yōu)化措施及效果驗(yàn)證

2.3.1優(yōu)化措施

根據(jù)薄壁件輻射噪聲產(chǎn)生的機(jī)理分析，優(yōu)化輻射噪聲的途徑主要有兩種：一是加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度，采用合理動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，改變對(duì)激振力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[4]。增加厚度可以提高剛度和固有頻率以減少響應(yīng)強(qiáng)度，固有頻率提高后進(jìn)入到人耳不敏感的高頻區(qū)域，同時(shí)共振點(diǎn)移向激勵(lì)振動(dòng)較小區(qū)域，在整個(gè)頻段內(nèi)都有較好的降噪效果，如圖6所示。

增加結(jié)構(gòu)表面的阻尼，阻尼對(duì)能量消耗起著至關(guān)重要作用，高頻范圍內(nèi)，隨著殼體阻尼增大，殼體輻射聲功率逐漸降低，高阻尼殼體材料有利于降低殼體的高頻噪聲。

不同結(jié)構(gòu)阻尼下殼體輻射聲功率[5]如圖7所示。

本例中采用了上述途徑對(duì)隔熱罩輻射噪聲進(jìn)行優(yōu)化，不改變?cè)O(shè)計(jì)尺寸的情況下顯著降低輻射噪聲，且容易實(shí)現(xiàn)，是一種低成本很有效的方法，隔熱罩材料由不銹鋼改成阻尼較大的鋁，且由單層結(jié)構(gòu)隔熱罩更換成雙層結(jié)構(gòu)隔熱罩如圖8所示。對(duì)共振峰值的抑制、固體傳聲的降低、振動(dòng)表面聲輻射的衰減有明顯效果，同時(shí)有良好的隔聲性能，有效抑制吻合效應(yīng)，從而降低結(jié)構(gòu)的輻射噪聲。

2.3.2效果驗(yàn)證

圖8　兩種不同結(jié)構(gòu)阻尼隔熱罩示意圖

將隔熱罩由單層不銹鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化到雙層鋁制結(jié)構(gòu)，重新裝機(jī)后對(duì)整車噪聲進(jìn)行NVH試驗(yàn)，試驗(yàn)工況與優(yōu)化前相同。其中圖9為優(yōu)化前后升速工況整車左側(cè)噪聲Overall Level對(duì)比曲線，圖10為優(yōu)化前后穩(wěn)態(tài)工況1 700r/min整車左側(cè)噪聲1/3倍頻程對(duì)比圖，圖11為優(yōu)化前后升速工況整車左側(cè)噪聲ColorMap對(duì)比圖。

如圖9～11所示，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，優(yōu)化后整車左側(cè)噪聲降低3～4 dB(A)，整車噪聲大問(wèn)題解決，優(yōu)化后整車定置噪聲為102.45 dB(A)，滿足國(guó)標(biāo)限值要求。原隔熱罩813 Hz、1 086 Hz和1 142 Hz左右輻射噪聲頻帶消失，800 Hz、1 000 Hz和1 250 Hz為中心頻率(1/3倍頻程)處對(duì)應(yīng)的噪聲值降低了7～8 dB(A)，整車左側(cè)Overall噪聲值降低了3～4 dB(A)。

圖9　優(yōu)化前后升速工況整車左側(cè)噪聲Overall Level對(duì)比曲線

圖10　優(yōu)化前后穩(wěn)態(tài)工況1 700 r/min整車左側(cè)噪聲1/3倍頻程對(duì)比圖

a)原隔熱罩　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　b)鋁制隔熱罩圖11　優(yōu)化前后升速工況整車左側(cè)噪聲ColorMap對(duì)比圖

3　結(jié)論

以某牽引車整車噪聲大的故障為例，通過(guò)對(duì)薄壁件輻射噪聲產(chǎn)生機(jī)理和特性進(jìn)行分析，結(jié)合NVH試驗(yàn)及LMS Test. lab聲診斷分析手段，確定隔熱罩輻射噪聲為整車噪聲主要噪聲源，提出優(yōu)化隔熱罩輻射噪聲主要途徑：通過(guò)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度和結(jié)構(gòu)表面的阻尼，提高固有頻率，增加能量消耗以減少響應(yīng)強(qiáng)度使之進(jìn)入到人耳不敏感的高頻區(qū)域，優(yōu)化后試驗(yàn)結(jié)果表明，隔熱罩輻射噪聲對(duì)整車噪聲貢獻(xiàn)量降低7～8 dB(A)，噪聲貢獻(xiàn)率由62.7%降低為20.2%，不僅降低了噪聲值，而且聲品質(zhì)也有所提升，也驗(yàn)證了分析方法的正確性及控制方法的有效性。

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