基于聲振耦合的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)輻射噪聲計(jì)算

李秋悅，盧熾華，王治文，吳海濤

(1.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 汽車零部件技術(shù)湖北省創(chuàng)新協(xié)同中心，湖北 武漢 430070；3.重慶車輛檢測(cè)研究院，重慶 404100； 4.歐源動(dòng)力科技有限公司，湖北 武漢 4300704)

發(fā)動(dòng)機(jī)是機(jī)動(dòng)車輛的核心部件，也是機(jī)動(dòng)車噪聲的主要噪聲源[1-2]。根據(jù)相關(guān)研究表明，在不同車輛的車外加速噪聲中，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲占主要位置。而單缸汽油機(jī)多用于摩托車、割草機(jī)等工程機(jī)械，與汽車不同，摩托車沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)艙室，發(fā)動(dòng)機(jī)暴露在車體外，乘員和發(fā)動(dòng)機(jī)均處于開放空間，少了一道隔音屏障。因此，其產(chǎn)生的噪聲大部分向外輻射，對(duì)乘員和周圍環(huán)境均會(huì)產(chǎn)生較大的影響。基于該特性，在對(duì)摩托車進(jìn)行降噪時(shí)，主要從噪聲源著手進(jìn)行設(shè)計(jì)。

發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)輻射噪聲是整機(jī)噪聲的主要來(lái)源之一。發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲預(yù)測(cè)可以在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段對(duì)整機(jī)噪聲的預(yù)測(cè)和控制起指導(dǎo)意義，在設(shè)計(jì)初期從根源上控制整機(jī)噪聲，對(duì)縮短開發(fā)周期和減少開發(fā)成本有現(xiàn)實(shí)意義[3-6]。

以一單缸汽油機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)仿真分析和試驗(yàn)分析相結(jié)合的方法，完成對(duì)其輻射噪聲水平、噪聲主要輻射面及噪聲主要貢獻(xiàn)激勵(lì)源等特性的研究。筆者采取的技術(shù)路線如圖1所示。采用多體動(dòng)力學(xué)、有限元和邊界元相結(jié)合的方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)表面輻射噪聲進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)[7-11]。采用多體動(dòng)力學(xué)建立發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，獲得機(jī)體所受到的激勵(lì)力；以機(jī)體所受激勵(lì)力為邊界條件，采用有限元方法獲得機(jī)體表面振動(dòng)參數(shù)；以機(jī)體表面振動(dòng)參數(shù)為邊界條件，采用直接邊界元方法得到發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲。

圖1 技術(shù)路線

1 發(fā)動(dòng)機(jī)表面振動(dòng)響應(yīng)分析

1.1 有限元模型建立

所研究的對(duì)象為一直立式單缸汽油機(jī)，其機(jī)體結(jié)構(gòu)如圖2所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)主體部分主要包括鏈輪罩蓋、配氣罩蓋、缸蓋、缸體、缸套、左右曲軸箱蓋以及左右曲軸箱9個(gè)部分，分別與圖2中編號(hào)①～⑨的結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)

筆者采用四面體單元對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，機(jī)體有限元模型如圖3所示。對(duì)于缸套結(jié)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通過(guò)自由模態(tài)計(jì)算和模態(tài)測(cè)試的數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了有限元模型的可靠性。機(jī)體自由模態(tài)分析結(jié)果與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果如表1所示。

圖3 機(jī)體有限元模型

階次頻率計(jì)算模態(tài)/Hz試驗(yàn)?zāi)B(tài)/Hz相對(duì)誤差/%19209493.0621 0061 0403.2731 4741 5092.3241 9872 0261.9252 2602 2921.4062 3302 3571.1572 4542 5011.8882 4882 5371.93

1.2 多體動(dòng)力學(xué)模型建立

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的三大激勵(lì)力主要包括曲軸主軸承激勵(lì)力、活塞敲擊力和配氣機(jī)構(gòu)激勵(lì)力。通過(guò)VALDYN軟件分別建立曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型、活塞連桿動(dòng)力學(xué)模型和配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)各機(jī)構(gòu)之間的耦合關(guān)系進(jìn)而建立整機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算得到與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)更加符合的各機(jī)構(gòu)激勵(lì)力。并以其計(jì)算結(jié)果為邊界條件計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體表面振動(dòng)響應(yīng)。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)輻射噪聲計(jì)算

2.1 聲學(xué)邊界元模型建立

在分析過(guò)程中，考慮到計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性及準(zhǔn)確性，選擇聲學(xué)邊界元的單元基本尺寸為10 mm。在建立聲學(xué)邊界元時(shí)，單元尺寸基本保持一致，最小單元尺寸不小于6 mm，最大單元尺寸不大于14 mm，得到邊界元模型如圖4所示。為了考察發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體各部分對(duì)輻射噪聲總量的貢獻(xiàn)量，分析過(guò)程中建立分區(qū)域邊界元模型，如圖5所示。該模型中包括配氣罩蓋、缸頭、缸體、左右曲軸箱及左右曲軸箱蓋。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)邊界元模型

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)分區(qū)域邊界元模型

結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生噪聲，噪聲以聲波的形式向四周傳播，并被物體所接收。為了考察噪聲向周圍傳播時(shí)對(duì)各方向的影響程度，需要建立場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格。場(chǎng)點(diǎn)相當(dāng)于接收者或者試驗(yàn)測(cè)試中的傳感器，可通過(guò)計(jì)算獲得場(chǎng)點(diǎn)的聲學(xué)物理量。筆者建立了如圖6所示的場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格，其整體尺寸為1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm，網(wǎng)格單元尺寸為25 mm。此外，在如圖7所示的缸頭左右2處位置建立聲壓級(jí)測(cè)量點(diǎn)，各點(diǎn)分別位于發(fā)動(dòng)機(jī)外表面法向向外50 mm處。

圖6 邊界元場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格模型

圖7 聲壓級(jí)測(cè)點(diǎn)位置

2.2 整機(jī)噪聲計(jì)算結(jié)果及分析

通過(guò)建立發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體各點(diǎn)的振動(dòng)速度級(jí)。此處將發(fā)動(dòng)機(jī)表面各節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)速度級(jí)映射至如圖5所示的邊界元模型，并將其作為發(fā)動(dòng)機(jī)表面輻射噪聲計(jì)算的邊界條件。以上述邊界元模型及其振動(dòng)速度級(jí)作為邊界條件，采用直接邊界元法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)表面輻射噪聲進(jìn)行計(jì)算，得到0～4 000 Hz頻域發(fā)動(dòng)機(jī)表面輻射噪聲聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí)等物理參數(shù)。

圖8為A計(jì)權(quán)下0～4 000 Hz發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)表面輻射噪聲總聲功率曲線，從圖8中可以看出，該曲線具有低頻特性。曲線在562.5 Hz處聲功率存在一個(gè)明顯的峰值，峰值聲功率達(dá)到68.5 dB(A)左右。并且在450～1 350 Hz頻域內(nèi)聲功率值普遍較高。當(dāng)頻率高于1 350 Hz時(shí)，聲功率值隨頻率的升高呈平緩降低的趨勢(shì)。因此可以推斷，該發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲的貢獻(xiàn)主要集中在450～1 350 Hz頻域內(nèi)。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲總聲功率級(jí)頻響曲線

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲試驗(yàn)分析

采用頻譜分析法對(duì)怠速工況發(fā)動(dòng)機(jī)工作噪聲頻譜特性進(jìn)行識(shí)別，試驗(yàn)在半消聲室中進(jìn)行。測(cè)試方法參考GB/T1859-2000《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)輻射的空氣噪聲測(cè)量工程法及簡(jiǎn)易法》和QC/T70-2014《摩托車和輕便摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲測(cè)量方法》；測(cè)點(diǎn)為上述測(cè)點(diǎn)A和測(cè)點(diǎn)B；數(shù)據(jù)采集設(shè)備為L(zhǎng)MS SCARDS多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及Gras聲學(xué)麥克風(fēng)，如圖9所示[12]。

圖9 頻譜測(cè)試儀

通過(guò)測(cè)試，得到發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下測(cè)點(diǎn)A和測(cè)點(diǎn)B聲壓級(jí)頻譜圖，如圖10所示。測(cè)點(diǎn)A在530～1 300 Hz范圍內(nèi)存在明顯的噪聲峰值，測(cè)點(diǎn)B在400～1 300 Hz范圍內(nèi)存在明顯的噪聲峰值。各點(diǎn)測(cè)試聲壓級(jí)與仿真分析的對(duì)比結(jié)果如圖11所示，從圖11中可以看出，聲壓級(jí)曲線呈現(xiàn)低頻特性，其在530～640 Hz頻域內(nèi)出現(xiàn)峰值，且測(cè)點(diǎn)A在530～1 300 Hz頻段內(nèi)聲壓級(jí)相對(duì)較高，而后隨頻率升高聲壓級(jí)逐漸降低。該結(jié)果與仿真結(jié)果吻合度較高，因此可認(rèn)為仿真結(jié)果正確。

圖10 各測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)頻譜

圖11 各測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)曲線

3 噪聲源貢獻(xiàn)量分析

3.1 噪聲源定位分析

為考查發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體各區(qū)域?qū)φ麢C(jī)輻射噪聲的貢獻(xiàn)量，分別計(jì)算得出各區(qū)域所產(chǎn)生的聲功率。圖12(a)和圖12(b)分別為僅保留發(fā)動(dòng)機(jī)上部分(缸體、缸蓋和配氣罩蓋)和下部分(曲軸箱及曲軸箱罩蓋)聲學(xué)邊界元所計(jì)算得出的聲功率級(jí)。從圖12可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)上部分聲功率曲線在1 500 Hz以下與總聲功率曲線重合度較高，且其峰值聲功率級(jí)所在頻率及大小均與總聲功率級(jí)對(duì)應(yīng)，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)低頻高噪聲來(lái)源于機(jī)體上部分。發(fā)動(dòng)機(jī)下部分聲功率級(jí)曲線在高頻與總聲功率級(jí)曲線重合度較高，說(shuō)明高頻噪聲主要來(lái)自機(jī)體下部分。由于高頻段的聲功率幅值較小，因此，可初步將主要噪聲源定位于機(jī)體上部分。

圖12 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體各部分聲功率級(jí)

為進(jìn)行更加準(zhǔn)確的噪聲源定位，采用如圖5所示的分區(qū)域邊界元模型進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體聲功率計(jì)算，得到各部分的聲功率大小如圖13所示。從圖13可以看出，缸蓋對(duì)機(jī)體輻射聲功率的總量貢獻(xiàn)較大，其次是右側(cè)曲軸箱蓋和配氣罩蓋，缸體和左右曲軸箱的聲功率相對(duì)較小。

圖13 發(fā)動(dòng)機(jī)不同區(qū)域聲功率貢獻(xiàn)量

由于機(jī)體各部分的面積差異較大，各部分聲功率的大小并不能完全反應(yīng)該部分的輻射噪聲強(qiáng)弱。為此，將各部分面積考慮在內(nèi)，計(jì)算得到各部分的輻射噪聲結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，盡管缸蓋部分在輻射聲功率總量中占有很大的比例，由于其面積比較大，單位面積聲功率大小并不是最大；配氣罩蓋由于總面積較小，盡管總聲功率值相對(duì)較小，但單位面積聲功率值卻最大。此外，機(jī)體上部中，缸體部分的單位聲功率較??；機(jī)體下部分中，右側(cè)曲軸箱蓋單位聲功率較大。因此可以判斷，缸蓋和配氣罩蓋對(duì)總噪聲貢獻(xiàn)量較大，且主要貢獻(xiàn)于噪聲低頻部分，而高頻部分的噪聲主要來(lái)自右側(cè)曲軸箱蓋。

表2 機(jī)體各部分聲功率及其貢獻(xiàn)量

進(jìn)一步從激勵(lì)力的角度對(duì)輻射噪聲貢獻(xiàn)量進(jìn)行分析，分別將主軸承激勵(lì)力、活塞激勵(lì)力和配氣機(jī)構(gòu)激勵(lì)力(主要包括氣門落座激勵(lì)力、凸輪軸承激勵(lì)力和氣門搖臂銷激勵(lì)力)單獨(dú)作用于機(jī)體，得到各激勵(lì)力下發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)聲功率如圖14所示。從圖14可以看出，主軸承激勵(lì)力作用下的機(jī)體輻射聲功率總量最大，配氣機(jī)構(gòu)激勵(lì)力次之，活塞，激勵(lì)力作用下的機(jī)體輻射噪聲與前兩者相比相對(duì)較弱；而配氣機(jī)構(gòu)各激勵(lì)力中，凸輪軸承激勵(lì)力作用下的機(jī)體輻射聲功率總量最大，其次為氣門落座激勵(lì)力，氣門搖臂激勵(lì)力對(duì)機(jī)體輻射聲功率總量的影響最小。

圖14 各機(jī)構(gòu)激勵(lì)力作用下機(jī)體輻射聲功率

通過(guò)對(duì)各激勵(lì)力作用下的機(jī)體聲功率級(jí)曲線和聲強(qiáng)云圖進(jìn)行分析可以看出：各激勵(lì)力作用下的峰值聲功率級(jí)均出現(xiàn)在562.5 Hz附近，高聲功率主要集中在500～1 350 Hz，且該頻率段的高聲強(qiáng)位置主要集中在缸蓋和配氣罩蓋，高頻段的高聲強(qiáng)位置主要為曲軸箱罩蓋。圖15為主軸承激勵(lì)力、凸輪軸承激勵(lì)力和活塞激勵(lì)力作用下的整機(jī)聲功率曲線，該曲線反映了上述規(guī)律。因此可以判斷，發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲的輻射規(guī)律主要由自身結(jié)構(gòu)性質(zhì)決定，激勵(lì)力的大小主要影響輻射噪聲的輻射量值。

圖15 單激勵(lì)力作用下機(jī)體聲功率級(jí)

3.2 噪聲源定位測(cè)試

為驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體上部是否為主要噪聲源進(jìn)行了噪聲源隔離試驗(yàn)。如圖16所示，將發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體上部用鉛皮包裹，盡量減少上部分噪聲對(duì)總噪聲的影響。通過(guò)測(cè)試，得到測(cè)點(diǎn)A和測(cè)點(diǎn)B聲壓級(jí)曲線和頻譜圖。通過(guò)對(duì)聲壓級(jí)曲線進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，測(cè)點(diǎn)A峰值噪聲降低約10.0 dB(A)，整機(jī)噪聲降低約6.0 dB(A)；測(cè)點(diǎn)B峰值噪聲降低約6.0 dB(A)，整機(jī)噪聲降低約3.5 dB(A)。圖17(a)，圖17(b)分別為測(cè)點(diǎn)A和測(cè)點(diǎn)B對(duì)應(yīng)的噪聲頻譜特性圖，從圖17可以看出，經(jīng)鉛皮包裹發(fā)動(dòng)機(jī)上部后，整個(gè)頻率段的噪聲都有所降低。其中，低頻段降低較明顯，發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)噪聲較右側(cè)降低明顯，分析其原因主要在于左側(cè)為鏈輪所在區(qū)域，鏈輪的運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)體振動(dòng)噪聲會(huì)產(chǎn)生一定的影響。由此推斷，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲主要來(lái)自于機(jī)體上部。

圖16 鉛皮包裹噪聲試驗(yàn)

圖17 測(cè)點(diǎn)頻譜特性圖

此外，引入聲強(qiáng)測(cè)試方法對(duì)高噪聲頻段530～1 300 Hz進(jìn)行噪聲源定位。聲源定位中，采用DEWsoft公司的DAQ系列數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及Microflown公司的P-U聲強(qiáng)探頭獲取發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況聲強(qiáng)分布圖。

通過(guò)測(cè)試，得到發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況指定頻段對(duì)應(yīng)的聲強(qiáng)云圖如圖18所示。結(jié)果顯示，該頻段對(duì)應(yīng)的聲強(qiáng)峰值主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)靠近缸蓋位置以及曲軸箱和缸體連接處附近；而仿真計(jì)算結(jié)果顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)高聲強(qiáng)位置主要表現(xiàn)在缸體上部，以缸蓋和配氣罩蓋為主，并且低頻段這種表現(xiàn)尤為突出，二者呈現(xiàn)出較高的吻合度，說(shuō)明仿真計(jì)算結(jié)果真實(shí)可靠。

圖18 聲強(qiáng)測(cè)試云圖

4 結(jié)論

(1)建立了發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體有限元模型，并通過(guò)模態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了有限元模型的可靠性。建立了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)機(jī)體的主要激振力進(jìn)行計(jì)算，并以其計(jì)算結(jié)果為邊界條件計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的表面振動(dòng)響應(yīng)。

(2)建立了發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲邊界元計(jì)算模型，計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體表面振動(dòng)輻射噪聲。計(jì)算結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲的貢獻(xiàn)主要集中在450～1 350 Hz頻域內(nèi)。

(3)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲頻譜測(cè)試，測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)的主要輻射噪聲頻率在400～1 300 Hz范圍內(nèi)，這與仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲計(jì)算方法的可行性，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲的控制具有指導(dǎo)意義。

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