伍川輝 周燦 靳行
摘要:為解決某地鐵調(diào)度用的內(nèi)燃機(jī)車司機(jī)室噪聲過大的問題,設(shè)計(jì)噪聲與振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行研究。通過振動(dòng)譜與工作變形分析(operational deflection shape,ODS)技術(shù)定位到司機(jī)室結(jié)構(gòu)噪聲重要聲源,并結(jié)合聲頻譜篩選出空氣噪聲能量聚集的重要頻帶。試驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)結(jié)構(gòu)噪聲的改造使司機(jī)室在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2100r/min時(shí)噪聲平均下降4dB(A),聯(lián)合空氣聲改造后司機(jī)室綜合降噪效果為10.5dB(A)。結(jié)構(gòu)噪聲改造后的降噪效果證實(shí)用振動(dòng)分析來確定結(jié)構(gòu)噪聲源的可靠性,在此基礎(chǔ)上輔以空氣聲降噪可以達(dá)到良好的綜合降噪效果。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中應(yīng)用該降噪思路以較少的分析時(shí)間和成本,帶來較好降噪效果。
關(guān)鍵詞:內(nèi)燃機(jī)車;降噪;譜分析;工作變形分析
中圖分類號(hào):U262.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1674-5124(2019)06-0131-07
0 引言
內(nèi)燃機(jī)車持續(xù)不斷的高強(qiáng)度噪聲會(huì)給司機(jī)身體帶來疲勞感,并壓迫聽覺神經(jīng)而造成身體器官損傷[1-2],因此降低內(nèi)燃機(jī)車的車內(nèi)噪聲需求迫切。
收稿日期:2018-01-03;收到修改稿日期:2018-03-18
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51475387)
作者簡(jiǎn)介:伍川輝(1964-),男,湖南長(zhǎng)沙市人,副教授,碩士,研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù),故障診斷。
劉金偉[3]利用Hypermesh對(duì)內(nèi)燃機(jī)車幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,然后在LMS Virtual.Lab里面進(jìn)行聲場(chǎng)響應(yīng)仿真分析,有效地對(duì)噪聲進(jìn)行了預(yù)測(cè);陳吉超[4]等利用VA-One對(duì)某型號(hào)內(nèi)燃機(jī)車進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)能量分析,提出降噪方案,并試驗(yàn)驗(yàn)證了降噪方案的有效性。有限元、邊界元以及統(tǒng)計(jì)能量分析是比較主流的噪聲預(yù)測(cè)方法,可以在設(shè)計(jì)階段為降噪提供有效的指導(dǎo)。但實(shí)際上,內(nèi)燃機(jī)車在裝配完成后依然可能出現(xiàn)噪聲偏大的問題,這些問題在設(shè)計(jì)和仿真階段無法得到細(xì)致模擬,也沒有一套系統(tǒng)的方法適合該情形下故障診斷。
針對(duì)裝配完成的內(nèi)燃機(jī)車降噪問題,本文以某型號(hào)地鐵調(diào)車為研究對(duì)象,該車為由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)車,型式試驗(yàn)中司機(jī)室噪聲平均值超標(biāo)準(zhǔn)值約12dB(A),該車已在關(guān)鍵設(shè)備和部分結(jié)構(gòu)處做了一些減振降噪的處理,但車輛總裝完成后主動(dòng)力室端司機(jī)室的噪聲仍超標(biāo)嚴(yán)重?;诖耍疚脑O(shè)計(jì)噪聲與振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)車輛進(jìn)行研究,通過振動(dòng)譜和ODS技術(shù)定位結(jié)構(gòu)噪聲源,提出改造方案,并針對(duì)重點(diǎn)空氣噪聲頻段提出隔聲與吸聲的措施,經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證二者的綜合降噪效果良好。
1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
1.1 診斷試驗(yàn)
本文診斷試驗(yàn)為靜態(tài)試驗(yàn),按照發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)6個(gè)工況,分別為750,1000,1200,1500,1800,2100r/min。噪聲測(cè)點(diǎn)共16個(gè),在車內(nèi)布置情況如
測(cè)點(diǎn)1~6在兩端司機(jī)室,距地板1.5m高;測(cè)點(diǎn)7~16在動(dòng)力室,距地板0.5m高??拷麵端的動(dòng)力室為輔動(dòng)力室,有7~9共3個(gè)測(cè)點(diǎn)。其中測(cè)點(diǎn)7在空壓機(jī)旁,測(cè)點(diǎn)8和9分布在柴油機(jī)輔助設(shè)備兩側(cè)??拷?1端的動(dòng)力室是主動(dòng)力室,有1216共5個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)12和13分布在柴油機(jī)兩側(cè),測(cè)點(diǎn)15和16分布在變速箱兩側(cè),測(cè)點(diǎn)14在測(cè)點(diǎn)12與15之間,靠近牽引電機(jī)。測(cè)點(diǎn)10和11在冷卻室,其中測(cè)點(diǎn)10在排氣口一側(cè)。
振動(dòng)測(cè)點(diǎn)共23個(gè),其中21個(gè)測(cè)點(diǎn)分布在車體結(jié)構(gòu)上,2個(gè)測(cè)點(diǎn)在設(shè)備上。測(cè)點(diǎn)1~13位于車體底板結(jié)構(gòu)上;測(cè)點(diǎn)14~21分布在兩端司機(jī)室間壁的4個(gè)角落,括號(hào)內(nèi)的測(cè)點(diǎn)為間壁下方測(cè)點(diǎn);測(cè)點(diǎn)22在變速箱蓋上,測(cè)點(diǎn)23在柴油機(jī)機(jī)蓋上。在測(cè)量車體底板結(jié)構(gòu)的測(cè)點(diǎn)時(shí),取下地板上的蓋板,將傳感器置于蓋板下與車體聯(lián)結(jié)的剛性結(jié)構(gòu)上,這樣測(cè)得的數(shù)據(jù)能夠較真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。所有振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的平面位置如圖2所示。
噪聲測(cè)試采用B&K的4189型傳聲器和BBM聲學(xué)分析儀器,保證了噪聲測(cè)試的精度。振動(dòng)測(cè)試采用朗斯的ZW9611A加速度傳感器和團(tuán)隊(duì)自開發(fā)的信號(hào)放大器與采集卡[5]采集。
1.2 驗(yàn)證性試驗(yàn)
驗(yàn)證性試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)為診斷試驗(yàn)中主動(dòng)力室和n端司機(jī)室的相關(guān)測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)共分為兩次,第一次是在對(duì)原車結(jié)構(gòu)噪聲源改造后,驗(yàn)證其效果。第二次是在第一次基礎(chǔ)上添加隔聲與吸聲的措施,驗(yàn)證二者的綜合效果。
2 聲學(xué)分析
2.1 聲壓級(jí)分布情況
根據(jù)ISO 3095~2013的定義,A計(jì)權(quán)等效連續(xù)聲壓級(jí)公式為
本測(cè)試中,故障出現(xiàn)在圖中Ⅱ端司機(jī)室,表I列出了診斷試驗(yàn)中主動(dòng)力室和11端司機(jī)室的噪聲測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)。
在ISO標(biāo)準(zhǔn)中,有軌車輛車內(nèi)司機(jī)室噪聲的限值為78dB(A)。由表中數(shù)據(jù)可以看到,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于1200r/min時(shí),Ⅱ端司機(jī)室內(nèi)測(cè)點(diǎn)3、4、5、6的噪聲均不達(dá)標(biāo)。測(cè)點(diǎn)4、5、6均勻地分布在11端司機(jī)室間壁后,但測(cè)點(diǎn)4的噪聲值一般比測(cè)點(diǎn)5,6略大,推斷噪聲源離測(cè)點(diǎn)4更近。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2100r/min時(shí),司機(jī)室各測(cè)點(diǎn)的平均噪聲超出了限值約12.6dB(A)。主動(dòng)力室測(cè)點(diǎn)的噪聲值在同一工況下的聲壓級(jí)非常接近,初步判定在主動(dòng)力室這個(gè)密閉的空間內(nèi),形成了混響場(chǎng)。
2.2 頻譜分析
對(duì)主動(dòng)力室的測(cè)點(diǎn)1216作頻譜分析,選取750r/min和2100r/min下的頻譜,如圖3所示。
各測(cè)點(diǎn)位置不同,但趨于同一譜結(jié)構(gòu),證實(shí)主動(dòng)力室存在混響場(chǎng)的推斷?;祉懶?yīng)隨著轉(zhuǎn)速的增大而增強(qiáng),可以看到2100r/min時(shí),各測(cè)點(diǎn)的譜值極其相似,變?yōu)閷拵щS機(jī)信號(hào)?;祉憟?chǎng)內(nèi)測(cè)點(diǎn)的頻譜有著很強(qiáng)的一致性,很難定位聲源位置。
圖4為測(cè)點(diǎn)4在不同工況下的頻譜。轉(zhuǎn)速對(duì)潛結(jié)構(gòu)的影響不大,這說明司機(jī)室的隔聲頻帶設(shè)計(jì)是較好的。100Hz以下的峰值位置一般與轉(zhuǎn)速存在對(duì)應(yīng)關(guān)系,由于該車的CAT C18發(fā)動(dòng)機(jī)是6缸4沖程,根據(jù)其所在頻率位置,推斷是發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲[6-7]。此外,圖中約在125Hz、200Hz、630Hz、2000Hz這4處頻率附近,譜峰位置基本沒有隨轉(zhuǎn)速變化,這說明譜峰代表的不是發(fā)動(dòng)機(jī)或傳動(dòng)機(jī)構(gòu)噪聲,需要進(jìn)一步分析來找到這些譜峰的關(guān)聯(lián)因素。
3 振動(dòng)分析
3.1 頻譜分析
離噪聲測(cè)點(diǎn)4最近的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)為司機(jī)室底板振動(dòng)測(cè)點(diǎn)13和間壁振動(dòng)測(cè)點(diǎn)14。圖5為底板上振動(dòng)測(cè)點(diǎn)13的頻譜,在125Hz處有明顯峰值,且位置不隨轉(zhuǎn)速變化,這說明125Hz的振動(dòng)是測(cè)點(diǎn)4在125Hz噪聲的直接源頭之一。
間壁上測(cè)點(diǎn)14的振動(dòng)頻譜如圖6所示。
2100r/min時(shí),振動(dòng)最異常峰值在63Hz,很可能是被激發(fā)了局部結(jié)構(gòu)模態(tài)。在125Hz處有小的峰值,且位置不隨轉(zhuǎn)速變化,這也是測(cè)點(diǎn)4在125Hz噪聲峰值的直接源頭之一。在200Hz處的振動(dòng)峰值明顯,且在各工況下位置不變,這是測(cè)點(diǎn)4在200Hz噪聲峰值的直接源頭之一。
在變速箱和柴油機(jī)蓋上各有一個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn),圖7和圖8是二者的振動(dòng)頻譜。
圖8柴油機(jī)蓋上的測(cè)點(diǎn)23振動(dòng)響應(yīng)高頻衰減,只有750r/min下有一個(gè)異常峰值。圖7中變速箱蓋上的測(cè)點(diǎn)22在630Hz有個(gè)峰值,位置不隨轉(zhuǎn)速變化,應(yīng)該是噪聲測(cè)點(diǎn)4的630Hz峰值的重要源頭。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí),100500Hz的寬頻帶內(nèi)振動(dòng)異常偏大,其中以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2100r/min時(shí)125Hz的峰值最突出,這一定會(huì)對(duì)附近的結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生明顯影響。
3.2 工作變形分析(ODS)
3.2.1 ODS理論
工作變形分析[8-10](ODS)體現(xiàn)的是在工作狀態(tài)下某個(gè)時(shí)刻或者頻率兩點(diǎn)或多點(diǎn)之間的相對(duì)振動(dòng)。為了獲得準(zhǔn)確的工作振型,所有測(cè)點(diǎn)必須同時(shí)測(cè)量,但限于通道數(shù)量與測(cè)量環(huán)境,往往無法同步測(cè)量所有的響應(yīng)信號(hào);因此,工程上普遍使用傳導(dǎo)函數(shù)法來測(cè)量,并引入了復(fù)傳遞率的概念。
復(fù)傳遞率可以由響應(yīng)信號(hào)與參考點(diǎn)信號(hào)的傅里葉譜表示,也可以用響應(yīng)信號(hào)與參考點(diǎn)信號(hào)的互功率譜與參考點(diǎn)的自功率譜之比表示,如下式所示:
各測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)可由下式計(jì)算:
3.2.2 整車底架ODS分析
對(duì)于司機(jī)室噪聲測(cè)點(diǎn),底架和間壁是兩處最直接的結(jié)構(gòu)噪聲源。圖9、圖10和圖11提取了1500~2100r/min發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下底架在以125Hz為中心頻率的頻程內(nèi)的ODS圖(x11和x12點(diǎn)是虛擬的測(cè)點(diǎn))。
在2100r/min和1500r/min時(shí),變速箱所在的橫斷面發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形,推斷與該處萬向軸和變速箱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。此外,振動(dòng)測(cè)點(diǎn)8與9組成的部分在3種工況下均發(fā)生了大的縱向扭轉(zhuǎn)變形,而無排氣口的另一側(cè)均無明顯變形。這說明排氣口安裝在車體一側(cè)雖對(duì)兩側(cè)車內(nèi)噪聲能量不構(gòu)成直接影響,但它在以125Hz為中心頻率的頻程內(nèi)引發(fā)了不良的結(jié)構(gòu)振動(dòng),可能會(huì)通過結(jié)構(gòu)傳遞間接影響到其他區(qū)域。
表2為發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱轉(zhuǎn)頻。車體架構(gòu)的前14階模態(tài)分別為10.62,15.82,19.03,24.05,25.73,26.09,26.83,36.87,38.53,39.63,40.44,41.31,41.39,41.67Hz。
總體來講,這幾種工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱激勵(lì)的轉(zhuǎn)頻避開了車體結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)頻率,不會(huì)激發(fā)出某階車體模態(tài)。車輛靜止工況下萬向軸幾乎沒有沿十字軸中心的任意擺動(dòng),即在此處萬向軸只有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)頻近似于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)頻,也不能激發(fā)某階車體模態(tài)。這說明整車架構(gòu)設(shè)計(jì)比較合理,125Hz所產(chǎn)生的幾處大的工作變形來源于局部故障,而非模型設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的整體模態(tài)響應(yīng)。
3.2.3 司機(jī)室間壁ODS分析
2100r/min時(shí),司機(jī)室間壁在以63Hz為中心頻率的頻程內(nèi)有異常突出的峰值,圖12為該工況下63Hz的兩側(cè)司機(jī)室間壁ODS圖。
Ⅱ端司機(jī)室的間壁在63Hz為中心頻率的頻程內(nèi)有明顯的縱向變形,而I端只有輕微的變形。通過圖13的Ⅱ端司機(jī)室間壁振動(dòng)測(cè)點(diǎn)與噪聲測(cè)點(diǎn)4相干性分析,4個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)在59Hz附近與測(cè)點(diǎn)4相干性都非常接近1,而該工況下變速箱的轉(zhuǎn)頻為59.1Hz,這說明變速箱是以63Hz為中心頻率的頻程內(nèi)間壁工作變形的源頭,同時(shí)也是噪聲測(cè)點(diǎn)4在63Hz處峰值的間接源頭。
根據(jù)振動(dòng)譜的分析,1800r/min和2100r/min的工況下200Hz的峰值突出,圖14和圖15分別為兩種工況下以200Hz為中心頻率的頻程內(nèi)兩端司機(jī)室間壁的ODS圖。
在1800r/min時(shí)200Hz的頻程內(nèi),Ⅰ端司機(jī)室間壁無明顯變形,Ⅱ端司機(jī)室間壁測(cè)點(diǎn)15和17變形比較突出。在2100r/min時(shí)200Hz頻程內(nèi),I端司機(jī)室間壁無明顯變形,而11端司機(jī)室間壁測(cè)點(diǎn)15與1800r/min時(shí)有一個(gè)相似的變形,但測(cè)點(diǎn)17只發(fā)生了輕微變形。由于I端司機(jī)室間壁沒有發(fā)生明顯的變形,推斷應(yīng)該是局部模態(tài)引起。限制于縱向測(cè)點(diǎn)數(shù)量,局部模態(tài)源頭暫時(shí)未知。
4 改造方案與驗(yàn)證
通過以上分析,確立了司機(jī)室噪聲測(cè)點(diǎn)4在各工況下125Hz、200Hz和630Hz峰值的重要來源以及在2100r/min時(shí)獨(dú)有的63Hz的異常峰值來源,各源頭與路徑情況如表3所示。
4.1 傳動(dòng)方案改造與試驗(yàn)驗(yàn)證
在噪聲的已知源中,源頭都與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有關(guān),但憑借目前的測(cè)點(diǎn)數(shù)量,只能追蹤到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。若改造傳動(dòng)機(jī)構(gòu)周圍結(jié)構(gòu),需要布置更多測(cè)點(diǎn)來評(píng)估傳動(dòng)機(jī)構(gòu)本體以及與周圍結(jié)構(gòu)所形成的系統(tǒng)模態(tài),并在模態(tài)分析結(jié)果的指導(dǎo)下進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造,工作量大。若繼續(xù)對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的故障進(jìn)行定位,也需更多測(cè)點(diǎn),且若故障并不在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)本體,可能造成工作量浪費(fèi)。考慮到改造措施實(shí)施的靈活性,選擇更改傳動(dòng)方案,將萬向軸驅(qū)動(dòng)變速箱的方式改為皮帶驅(qū)動(dòng)活塞式空壓機(jī),并進(jìn)行第一次試驗(yàn)驗(yàn)證。
再次對(duì)主動(dòng)力室和Ⅱ端司機(jī)室測(cè)點(diǎn)進(jìn)行噪聲測(cè)量,結(jié)果見表4。主動(dòng)力室的噪聲沒有明顯變化,而Ⅱ端司機(jī)室的)菊占一般下降1~5dB(A),且在2100r/min的額定轉(zhuǎn)速時(shí)平均下降4dB(A)。更改傳動(dòng)方案雖然沒有改變主動(dòng)力室的聲壓級(jí),但是對(duì)司機(jī)室的降噪效果明顯。該現(xiàn)象說明動(dòng)力室聲壓級(jí)的主要貢獻(xiàn)者是發(fā)動(dòng)機(jī),但原傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組合確實(shí)對(duì)司機(jī)室的噪聲有較大影響。
圖16為更改傳動(dòng)方案后噪聲測(cè)點(diǎn)4在不同工況下的頻譜,圖17為改動(dòng)前后各工況下63,125,200,630,2000Hz的噪聲對(duì)比圖。
可見除2000Hz的峰值沒有受到明顯影響,其他幾個(gè)峰值改動(dòng)后都明顯低于改動(dòng)前。這證實(shí)了本文的推斷正確,改造合理。此外,從200Hz噪聲的降噪效果來看,其對(duì)應(yīng)的未知源也是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
4.2 隔聲與吸聲改造與試驗(yàn)驗(yàn)證
為了減弱動(dòng)力室的混響場(chǎng),動(dòng)力室兩側(cè)墻安裝冷卻裝置處內(nèi)側(cè)采用多孔板結(jié)構(gòu)[11]。動(dòng)力室頂蓋、側(cè)墻噴有5~8mm阻尼漿[12],在其上部安裝有50mm厚吸聲隔熱塊,并用2mm的多孔板進(jìn)行固定。
為了減弱動(dòng)力室混響場(chǎng)對(duì)司機(jī)室噪聲的影響,需要提高間壁在中高頻噪聲上的隔聲能力,尤其是以2000Hz為中心頻率的噪聲。此外,為了削弱排氣口單側(cè)安裝對(duì)司機(jī)室噪聲的影響,間壁在排氣口一側(cè)的隔聲能力要強(qiáng)于另一側(cè)。原車輛間壁采用單隔墻,墻壁厚度130mm,左右兩側(cè)各有一道鋼隔門。改造后的車輛間壁采用雙層墻[13],主動(dòng)力室側(cè)墻壁厚度為88mm,Ⅱ端司機(jī)室側(cè)的墻壁厚度為130mm,兩墻壁間的空氣層厚度為50mm;并取消了排氣口一側(cè)隔門,在另一側(cè)采用雙隔門,分別為主動(dòng)力室側(cè)鋼隔門,Ⅱ端司機(jī)室側(cè)鋁合金隔門。
進(jìn)一步改造完成后在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2100r/min時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證性測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖18所示。
新的測(cè)點(diǎn)A和B與原噪聲測(cè)點(diǎn)12和13對(duì)應(yīng),分布在發(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè);C和D與原噪聲測(cè)點(diǎn)15和16對(duì)應(yīng),分布在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩側(cè);E、F、G與原噪聲測(cè)點(diǎn)4、5、6對(duì)應(yīng),在司機(jī)室內(nèi)靠近隔墻;H與原噪聲測(cè)點(diǎn)3對(duì)應(yīng),位于司機(jī)室司機(jī)座椅上方。在改進(jìn)的車型中,動(dòng)力室噪聲平均值降到了104.8dB(A),司機(jī)室噪聲平均值下降6.5dB(A)至80.05dB(A)。
5 結(jié)束語
根據(jù)振動(dòng)譜分析和ODS分析的結(jié)果,對(duì)結(jié)構(gòu)聲主要源提出了改造方案,使司機(jī)室在發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速2100r/min時(shí)噪聲下降4dB(A)。在前者基礎(chǔ)上,對(duì)間壁在中高頻隔聲性能的改造以及動(dòng)力室的吸聲措施使額定工況下司機(jī)室的噪聲再下降6.5dB(A),綜合降噪效果為10.5dB(A),可以作為后續(xù)車型改造的主體部分。但該研究由于試驗(yàn)條件受限,未能找出2000Hz噪聲峰值源頭,導(dǎo)致無法對(duì)源頭直接采取控制,略微地增大了空氣聲改造成本。
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(編輯:莫婕)