基于聲強(qiáng)法的發(fā)動機(jī)噪聲測量分析

劉臣富，李曉霖，岳東鵬

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

引言

隨著私家車日益增加，城市中汽車噪聲污染越來越影響到人們的日常生活。公眾更加重視汽車的環(huán)保性，對汽車噪聲的要求日趨嚴(yán)格。汽車的噪聲主要包括發(fā)動機(jī)噪聲、輪胎噪聲和傳動機(jī)構(gòu)噪聲等。發(fā)動機(jī)是車輛行駛噪聲的一個最主要的噪聲源，要降低內(nèi)燃機(jī)噪聲，必須找到內(nèi)燃機(jī)的主要噪聲源的位置或部件，采取相應(yīng)的減振降噪措施，才能夠收到預(yù)期的降噪效果。

本文以一臺車用發(fā)動機(jī)作為研究對象，采用日本小野公司生產(chǎn)的3599聲強(qiáng)分析軟件、聲強(qiáng)探頭、信號放大器和四通道分析儀對發(fā)動機(jī)不同位置進(jìn)行聲強(qiáng)測試，用 Pulse軟件進(jìn)行分析，檢測出該發(fā)動機(jī)的聲強(qiáng)分布情況，以提供改進(jìn)依據(jù)。

1 發(fā)動機(jī)噪聲源識別及聲強(qiáng)測量技術(shù)

1.1 發(fā)動機(jī)噪聲源識別類型

目前，發(fā)動機(jī)基本結(jié)構(gòu)不變的情況下降低噪聲源的識別技術(shù)是一個發(fā)展很快的研究領(lǐng)域。表面噪聲源識別的主要方法有：鉛屏蔽法、表面振動速度測量法、聲強(qiáng)測量法，此外還采用話筒拾音技術(shù)、傳遞函數(shù)法、聲全息攝影法等技術(shù)。

聲強(qiáng)測量法是通過測量傳聲介質(zhì)微粒的速度與壓強(qiáng)，評定聲源及其相互影響的聲場，計算出真實(shí)聲功率。聲介質(zhì)微粒速度用一般兩個非常接近的話筒測量、計算得到。由于聲強(qiáng)是矢量，它不僅能給出測點(diǎn)部位的聲流的量值，而且能揭示出聲能流的方向，同時還具有區(qū)分聲場中的有功分量和無功分量，所以聲強(qiáng)法無論在近場、自由場、遠(yuǎn)場及廣散場中都能使用，無需特殊的聲學(xué)環(huán)境，也需要引入各種繁雜的修正系數(shù)，而同時分析速度比傳統(tǒng)的鉛屏蔽法要快。

1.2 聲強(qiáng)測量的基本原理

聲強(qiáng)測量法識別噪聲源是利用聲強(qiáng)的矢量性特點(diǎn)和聲強(qiáng)探頭的方向靈敏度來進(jìn)行的。當(dāng)聲強(qiáng)探頭在聲源附近移動時，聲波入射角與傳聲器膜片外法向方向?yàn)?90°時具有最小的方向靈敏度，輸出聲強(qiáng)為 0。當(dāng)聲強(qiáng)探頭改變位置并使其夾角小于或大于90°時，聲強(qiáng)探頭輸出正或負(fù)聲強(qiáng)，且隨夾角增加在 0～180°范圍內(nèi)聲強(qiáng)絕對值增加，因此，用聲強(qiáng)測量法能區(qū)分出聲波入射的方向，從而找到噪聲聲源，也可測量可能聲源位置。

2 四缸發(fā)動機(jī)表面聲強(qiáng)研究及發(fā)動機(jī)噪聲分析

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)為直列四缸水冷四沖程汽油機(jī)，其最大輸出功率為 78KW，額定轉(zhuǎn)速 4600rpm/min；最大扭矩為190N·m/2400-2800rpm/min。測試發(fā)動機(jī)在2000rpm時整機(jī)表面的輻射噪聲。

2.2 試驗(yàn)測試

依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn) ISO9614-1，將被測發(fā)動機(jī)作為聲源，用一假設(shè)的矩形包絡(luò)面包圍。沿x方向布置21個點(diǎn)，測點(diǎn)間距50mm；沿y方向布置27個點(diǎn)，測點(diǎn)間距50mm；測點(diǎn)距發(fā)動機(jī)表面100mm。圖2-1為實(shí)驗(yàn)室發(fā)動機(jī)前端面的實(shí)景圖。測量完畢后利用 Pulse軟件對記錄信號計算處理，就得到每一個測點(diǎn)的聲強(qiáng)，進(jìn)一步分析可得到每一個測量面上的等聲強(qiáng)線圖（依聲強(qiáng)級值大小分為紅、粉、深藍(lán)、黃、綠和淺藍(lán)）和等聲強(qiáng)線的三維圖。將通過 Pulse軟件測得的發(fā)動機(jī)前端面噪聲云圖覆蓋在發(fā)動機(jī)前端面實(shí)景圖上，即可以直觀的觀測處發(fā)動機(jī)各部件所在位置的發(fā)動機(jī)振動情況。

圖2 前端面常速狀態(tài)聲強(qiáng)云圖

2.3 試驗(yàn)圖形分析

對發(fā)動機(jī)振動在500-1kHz頻率段進(jìn)行分析。對發(fā)動機(jī)前端面的每個點(diǎn)進(jìn)行計算，從而得出發(fā)動機(jī)前端面每個測試點(diǎn)的聲強(qiáng)值。在所得數(shù)據(jù)值中進(jìn)行比較分析，以聲強(qiáng) I=20 dB為基準(zhǔn)值，可得出，該發(fā)動機(jī)在測試轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機(jī)前端面振動的峰值分布較分散，大致分布在油底殼，皮帶輪，進(jìn)氣歧管，發(fā)電機(jī)，缸蓋，及轉(zhuǎn)向柱塞泵處（如圖1、圖2所示）；發(fā)動機(jī)左側(cè)端面振動較弱，僅在油底殼，變速箱及機(jī)油濾清器處噪聲振動較大，如圖3、圖4所示；發(fā)動機(jī)右側(cè)端面噪聲振動較弱，僅在油底殼的兩端位置產(chǎn)生了兩處峰值，而在進(jìn)氣歧管位置的噪聲振動甚至低于基準(zhǔn)值，如圖5、圖6所示；發(fā)動機(jī)上端面噪聲振動的峰值分布大致在飛輪，氣缸室蓋，排氣歧管及進(jìn)氣歧管穩(wěn)壓倉處（如圖7、圖8所示）。

圖3 發(fā)動機(jī)左側(cè)端面

圖4 左側(cè)端面常速狀態(tài)聲強(qiáng)云圖

圖5 發(fā)動機(jī)右側(cè)端面

圖6 右側(cè)端面常速狀態(tài)聲強(qiáng)云圖

圖7 發(fā)動機(jī)上端面

圖8 上端面常速狀態(tài)聲強(qiáng)云圖

圖9 所測發(fā)動機(jī)常速工況立體圖

根據(jù)測試工況下該發(fā)動機(jī)前、左、右、上四個端面的聲強(qiáng)云圖進(jìn)行三維立體組合，可以得出發(fā)動機(jī)的噪聲振動較為劇烈的地區(qū)，運(yùn)用聲強(qiáng)計算公式進(jìn)行計算，得到三維立體分布圖（如圖9所示）。

對于聲強(qiáng)云圖的測量網(wǎng)格，水平方向本文定義為x方向，垂直方向定義為y方向，左下方第一個點(diǎn)為起始點(diǎn)，設(shè)為（1，1）。這樣圖2-2中就有三個峰值區(qū)：（5，1）處（聲強(qiáng)級99.4dB）對應(yīng)于油底殼；（8，4）處(聲強(qiáng)級 99dB)和（9，4）處（聲強(qiáng)級99.3dB）與皮帶輪相對應(yīng)。圖2-4為發(fā)動機(jī)左側(cè)面聲強(qiáng)法測量得到的聲場分布，其中有兩個個峰值區(qū)：（1，12）處（聲強(qiáng)級為99.2dB）是油底殼；（7，13）處（聲強(qiáng)級為99dB）為變速箱。圖2-4中有兩個峰值位置：（6，1）對應(yīng)于油底殼一端，測量值為99dB；（23，2）處（聲強(qiáng)級為99dB）與油底殼另一端對應(yīng)。圖2-6中有三個峰值區(qū)（7，1）處（測量值98.6dB）為飛輪；（4，18）處（測量值98.8dB）對應(yīng)進(jìn)氣管；（8，14）處（聲強(qiáng)級98.7dB）是氣門室罩蓋。從上面各圖中的三維圖可以直觀地看到發(fā)動機(jī)表面輻射噪聲的分布情況。

通過上述分析可得出該發(fā)動機(jī)的主要噪聲源為油底殼、變速箱、氣門室罩蓋、皮帶輪和進(jìn)氣管。

3 結(jié)論

（1）采用聲強(qiáng)測量方法可無需消聲室，同時該方法對于識別發(fā)動機(jī)與汽車噪聲源具有快速、便捷和準(zhǔn)確的特點(diǎn)。聲強(qiáng)測試技術(shù)的研究和應(yīng)用有利于推動汽車和發(fā)動機(jī)噪聲控制技術(shù)水平的發(fā)展和提高。

（2）通過聲強(qiáng)測量發(fā)現(xiàn)該發(fā)動機(jī)的油底殼位置處噪聲振動效果最強(qiáng)，應(yīng)將其作為主要噪聲控制對象。

[1] 岳東鵬,郝志勇,劉月輝,韓軍.柴油機(jī)表面噪聲源識別的試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報.2004.06

[2] 劉月輝,郝志勇.車用發(fā)動機(jī)表面輻射噪聲的研究[J].汽車工程.2005(3)：213～216.

[3] Crewe A, Perrin F, Benoit V and Haddad. K Real-Time Pass-by Noise Source Identification Using A Beam-Forming Approach. SAE -Paper, 2003-01-1537.