卡車加速行駛車外噪聲單點階次分析法源 識別與改進

張攀登，王軍龍，殷金祥，孟娜，趙波，宋吉全

（1.濰柴動力上海研發(fā)中心，上海 201114；2.陜西法士特齒輪有限責任公司，陜西 西安 710119； 3.山東汽車制造有限公司，山東 萊陽 265200）

前言

隨著汽車保有量的急劇增加，汽車產(chǎn)生的噪聲污染問題突出，因此，國家制定和不斷修訂相應(yīng)的強制車外噪聲標準，規(guī)定了測試方法和限值[1]。在加速行駛車外噪聲的研究上，大多采用試驗分析的方法，對于可能的噪聲源采取近場測量法、分別運行法、鉛覆蓋法、信號分析法、聲強測量等[2-5]，識別出動力總成輻射噪聲、冷卻風扇輻射噪聲、油底殼噪聲、進氣口輻射噪聲、排氣尾管輻射噪聲、變速箱噪聲和輪胎輻射噪聲等[6-10]。除此之外，有文獻利用了噪聲的強度信息和相位信息的近場聲全息技術(shù)和聲場空間變換技術(shù)來用于研究車外噪聲源識別[11-12]。

本文只采集一個評價點的噪聲信號，根據(jù)加速行駛車外噪聲試驗過程，分析了該測點聲壓級曲線、colormap云圖和時間切片，判斷出變速箱噪聲為主要來源，并改進和驗證，工程上有一定參考意義。

1 加速行駛車外噪聲測試

該輕型卡車設(shè)計總質(zhì)量6t，長5.5m，寬2m，發(fā)動機額定功率為81kW，額定轉(zhuǎn)速為3200rpm，車輛類型為N2類，總前進擋數(shù)為5。對于加速行駛車外噪聲，國家標準和歐盟標準等均采用在測試區(qū)域內(nèi)加速的操作方式，以3檔2400rpm進線，出線轉(zhuǎn)速為3000rpm，如圖1所示[13]。

圖1 加速行駛車外噪聲測試示意圖

采用一個測點，車輛跑8個來回則可獲得包含左右側(cè)的4次有效數(shù)據(jù)。在中汽研鹽城汽車試驗場測得的試驗結(jié)果如表1所示。

表1 加速行駛車外噪聲試驗結(jié)果

由表1可見，該車加速行駛車外噪聲左側(cè)和右側(cè)分別為83.6dB（A）和83.2dB（A），其中左側(cè)較大，可判定加速行駛車外噪聲為83.6 dB（A）。超過了國標規(guī)定的限值83dB（A），需要整改才能銷售。

2 診斷分析

2.1 噪聲影響因素分析

車輛上存在各種噪聲源，包括發(fā)動機本體、進排氣系統(tǒng)、變速箱、后橋、輪胎、風扇等，在試驗時，車輛處于全油門加速狀態(tài)，發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升，各噪聲源的噪聲大小和頻率均發(fā)生變化。除此之外，各噪聲源與加速行駛車外噪聲測點的距離先近后遠，由于噪聲源輻射噪聲與距離有關(guān)，因此，即使各噪聲源大小不變，測點處的噪聲也將發(fā)生變化。開展加速行駛車外噪聲分析時需要考慮這兩個因素。

如果將汽車上產(chǎn)生噪聲的零部件視為點聲源，將試驗環(huán)境視為自由聲場，點聲源的聲波遵循球面發(fā)散規(guī)律，則聲功率級衰減量為[14]：

式中，△L為距離增加產(chǎn)生的衰減值，dB（A），r為點聲源到受聲點的距離，m。點聲源輻射噪聲與距離有關(guān)，距離增大一倍噪聲將下降6dB。

2.2 評價點分析及流程

測試獲得的噪聲聲壓級曲線和colormap云圖如圖2、圖3所示。

圖2 加速行駛車外噪聲聲壓級曲線

由圖3可見，最大聲壓級對應(yīng)的時刻為2.8s。

圖3 加速行駛車外噪聲隨時間變化的clormap云圖

圖3 中，縱坐標為時間變量，主要包括3個部分，在0-t1時間段，車輛還未進入測試區(qū)域，車輛以穩(wěn)定的擋位和轉(zhuǎn)速接近到測試區(qū)域；在t1-t3區(qū)域，車輛位于測試區(qū)域內(nèi)，此時油門處于最大開度，在t2時刻，加速行駛車外噪聲出現(xiàn)最大值；在大于t3時間區(qū)域時，車輛駛出測試區(qū)域，油門踏板恢復到零位的狀態(tài)，此時車輛處于減速狀態(tài)。

圖3中，該車加速行駛車外噪聲主要有三個階次亮線，分別為A階次線、B階次線和C階次線，在最大值上依次為C線、B線和A線。

測試區(qū)域內(nèi)，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2400-3200rpm，發(fā)動機2階主要頻率范圍為80-107Hz，根據(jù)t1時刻頻率可判斷，A階次線為發(fā)動機二階；對于圖3，在聲壓級大約為最大的時刻的2.8s做時間切片，此時與A、B、C階次線的交點分別為為94Hz、410Hz和750Hz，如圖4所示。

圖4 時間切片提取的頻譜

發(fā)動機的噪聲主要包括三種類型，即燃燒噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲[13]。機械噪聲與燃燒噪聲通過發(fā)動機表面對外輻射，空氣動力噪聲來著發(fā)動機附件進氣和排氣，均直接向大氣輻射。發(fā)動機噪聲頻率按下式計算：

式中，f1為發(fā)動機噪聲頻率，Hz；n1為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，rpm； i為氣缸數(shù)；τ為沖程系數(shù)，四沖程τ=2，二沖程τ=1。顯然，A階次線由發(fā)動機產(chǎn)生。圖4中94Hz為發(fā)動機二階頻率，可計算出發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2820rpm。

風扇葉片噪聲基頻計算：

式中，f2為風扇葉片噪聲基頻，Hz；n2為風扇轉(zhuǎn)速，rpm；z2為風扇葉片數(shù)。根據(jù)風扇與發(fā)動機速比可計算出風扇轉(zhuǎn)速n2=2274rpm，z2=7，可計算出風扇葉片噪聲為408Hz，由于加速過程采集的為瞬態(tài)信號，信號沒有充分的平均，同時皮帶、齒輪傳遞等也會存在一定傳遞誤差，因此，切片的頻譜圖可能會與實際有幾赫茲的偏差，初步判斷B階次線由風扇產(chǎn)生。

齒輪嚙合頻率為：

式中，f3為齒輪嚙合噪聲基頻，Hz；n3為齒輪軸轉(zhuǎn)速，rpm；z3為齒輪輪數(shù)。根據(jù)變速箱與發(fā)動機速比可計算出變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速n3=1617rpm，變速箱3擋齒輪嚙合頻率為755Hz，與圖4中750Hz接近，初步判斷C階次線由變速箱產(chǎn)生。 以上采用的分析流程如圖5所示。

圖5 分析流程圖

2.3 近場測試和覆蓋驗證

將采集器移到車內(nèi)，在變速箱近場布置傳聲器和加速度傳感器，采集變速箱信號，如圖6所示。

圖6 變速箱近場噪聲與振動測點

圖7 變速箱近場噪聲與振動頻譜

發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號通過CAN數(shù)據(jù)讀取，變速箱近場測量獲得的噪聲和振動頻譜如圖7所示，主要為16階次，可見在發(fā)動機為2820rpm時變速箱的主要噪聲和振動為750Hz，與圖4中主要峰值相同。

變速箱傳動如圖8所示，相對于發(fā)動機轉(zhuǎn)速（即變速箱輸入軸）v1，第二對齒輪的嚙合階次為：

式中，i為第二對齒輪嚙合階次，z1z2z3分別為一軸和中間軸上齒輪的齒數(shù)，z1=22，z2=37，z3=28，可得i=16。

圖7中，相對于發(fā)動機轉(zhuǎn)速，變速箱振動噪聲主要表現(xiàn)為16階，由變速箱中間軸齒輪與二軸齒輪的嚙合產(chǎn)生，則圖3中clormap云圖的C階次線由變速箱產(chǎn)生。

圖8 變速箱傳動示意圖

采用吸隔聲材料將變速箱外表面包裹起來，阻止其對外輻射噪聲，如圖9所示。

圖9 對變速箱進行包裹隔音處理

再次測試加速行駛車外噪聲為82.4dB（A），較原狀態(tài)降低了1.2dB（A），滿足了國標限值要求，證明變速箱對于加速行駛車外噪聲產(chǎn)生影響。

3 改進與測試

變速箱的速比在設(shè)計選型時，不僅需要考慮動力性、經(jīng)濟性因素，還需要考慮對于加速行駛車外噪聲的影響。將三擋速比由1.74調(diào)整為1.57，速比調(diào)整會使測試的最高轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，噪聲大小因此會發(fā)生變化。另一方面，調(diào)整優(yōu)化了齒輪參數(shù)，加大了齒輪的重合度，可降低了變速箱的噪聲。

再次測試，車輛出線時發(fā)動機轉(zhuǎn)速降為2950rpm，加速行駛車外噪聲試驗結(jié)果為80.3dB（A），較原狀態(tài)降低了3.3dB（A），滿足國標限值要求，同時該方案可以在量產(chǎn)車上推廣。

4 結(jié)語

（1）根據(jù)加速行駛車外噪聲試驗過程，采集一個評價點 的噪聲信號，根據(jù)加速行駛車外噪聲試驗過程、聲壓級曲線、colomap云圖及其時間切片分析判斷出噪聲主要頻率的來源，并提出了分析流程；

（2）對于頻譜分析結(jié)果采用通過近場測試分析和覆蓋法進行了驗證；

（3）對于變速箱重新選型匹配，適當降低了三擋速比，同時加大了齒輪重合度，重新試驗后噪聲下降了3.3dB（A），滿足了國標的要求。