汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源位置識(shí)別方法研究

于濤

摘 要：為了控制汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲，最關(guān)鍵性的工作就是識(shí)別噪聲源位置。噪聲源位置識(shí)別的方式較多，文章提出了一種逆邊界元方法對(duì)噪聲源位置進(jìn)行識(shí)別，該方法操作更加的簡(jiǎn)單，具有較好的可實(shí)施性。通過邊界元法構(gòu)建聲源傳遞向量，然后將聲壓測(cè)量作為輸入數(shù)據(jù)，通過逆向數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算出振動(dòng)速度，于是就可以得叨噪聲源位置信息。為了驗(yàn)證該方法的有效性，將其應(yīng)用于某汽車發(fā)送機(jī)噪聲源位置識(shí)別中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文章研究的識(shí)別方法與實(shí)際結(jié)果基本保持一致，驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);噪聲源;位置識(shí)別

中圖分類號(hào)：TP274+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）04-0189-04

Abstract：In order to control the noise of automobile engines， the most critical task is to identify the location of the noise source. There are many ways to identify the location of the noise source. The paper proposes an inverse boundary element method to identify the location of the noise source. This method is simpler to operate and has better implementability. The sound source transfer vector is constructed by the boundary element method， and then the sound pressure measurement is used as the input data， and the vibration velocity is calculated by the inverse numerical calculation method， so that the position information of the noise source can be obtained. In order to verify the effectiveness of this method， it is applied to the location identification of a car transmitter noise source. The experimental results show that the identification method studied in this paper is basically consistent with the actual results， which verifies the effectiveness of the method.

Key words：engine; noise source; location recognition

如今，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噪音的問題越來越重視，為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪音，首要工作就是識(shí)別和定位噪聲源。當(dāng)前主要使用的噪聲識(shí)別技術(shù)有近場(chǎng)聲強(qiáng)掃描法[1]、近場(chǎng)聲全息法[2]和表面振速測(cè)量法[3-4]等。這些方法能夠?qū)υ肼曉催M(jìn)行識(shí)別，但是其中都會(huì)存在一些問題，比如近場(chǎng)聲全息法和近場(chǎng)聲強(qiáng)掃描法不能夠精準(zhǔn)定位出噪聲源，而且不能確定出噪聲源本身信息;表面振速測(cè)量法需要進(jìn)行大量工作，往往會(huì)難以在實(shí)際狀況中進(jìn)行使用。

邊界元法主要作用在于預(yù)測(cè)振動(dòng)結(jié)構(gòu)輻射噪聲，將其應(yīng)用到近場(chǎng)聲全息進(jìn)行結(jié)合使用，于是將有助于噪聲源位置識(shí)別[5-6]。于是文章將結(jié)合使用這兩種方法，研究汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源位置識(shí)別，這種方法具有較好的可實(shí)施性，另外，能夠獲取噪聲源特征信息，能夠在復(fù)雜的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中識(shí)別出噪聲源位置。于是文章將對(duì)這種方法的基本原理進(jìn)行分析，然后將其應(yīng)用到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行實(shí)例研究。

1 聲學(xué)傳遞向量

直接邊界元法首先需要選擇一個(gè)輸入量，該輸入可以是結(jié)構(gòu)表面復(fù)振速度vn（Q）或者復(fù)聲壓p（Q），于是可以依據(jù)邊界條件計(jì)算出另外一個(gè)物理量。所以即可得到復(fù)振速度和復(fù)聲壓，再根據(jù)赫姆霍茲積公式，該公式如下所示，于是使用的邊界元法就可以計(jì)算出聲場(chǎng)中的任何聲壓。

其中，Q表示的是表面節(jié)點(diǎn)，P為場(chǎng)點(diǎn)，G（P，Q）是自由場(chǎng)格林函數(shù)，p（P）表示的是場(chǎng)點(diǎn)復(fù)聲壓，nQ是結(jié)構(gòu)表面單位法向矢量，該指向?yàn)槁曒椛淇臻gΩ+。，R表示的是P和Q之間的距離，如圖1所示。

表面S中存在N個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過公式（1）和公式（3）對(duì)表面節(jié)點(diǎn)積分求解，能夠得到vn（Q）和p（Q）之間的關(guān)系如下所示：

其中，H和G為矩陣。

通過對(duì)公式（1）、公式（3）和公式（4）進(jìn)行迭代計(jì)算，于是能夠得到vn（Q）和p（P）之間的關(guān)系如下所示：

其中A表示的是vn（Q）和p（P）之間的關(guān)系，稱之為聲學(xué)傳遞矩陣。于是在聲場(chǎng)中某點(diǎn)i的聲壓公式如下所示：

聲學(xué)傳遞向量能夠通過試驗(yàn)或有限元方法得到，還能夠使用邊界元方法得到[7]。通過上述公式可知只要知道聲源表面振動(dòng)速度或者聲場(chǎng)場(chǎng)點(diǎn)聲壓之一就能夠計(jì)算出另外一個(gè)量，即逆聲學(xué)計(jì)算。

2 逆邊界元法

通過邊界元方法獲得聲學(xué)傳遞向量，通過測(cè)量得到p（P），于是可以根據(jù)公式（5）計(jì)算出vn（Q）。但是在實(shí)際計(jì)算過程中，由于表面節(jié)點(diǎn)數(shù)N大于場(chǎng)點(diǎn)數(shù)Nf，于是A不是方陣，不能直接進(jìn)行計(jì)算。那么為了得到vn（Q），需要使用奇異值分解法求解公式（5）。那么矩陣A*使用奇異值分解法表示方法如公式（7）所示。

于是將公式（7）帶入到公式（5）中，可以得到公式（10）：

其中，和分別表示的是的廣義偽逆和矩陣A。

在上述計(jì)算過程中，由于A處于病態(tài)，測(cè)量場(chǎng)點(diǎn)聲壓容易存在誤差，于是通過公式（10）計(jì)算的結(jié)果將會(huì)有很大誤差，不能得到有意義的解，需要進(jìn)行正則化處理。于是文章利用截?cái)嗥娈愔捣╗8]消除測(cè)量誤差，目的在于消除測(cè)量誤差對(duì)重構(gòu)解的影響。文章還是用廣義交叉檢驗(yàn)法獲得最優(yōu)的截?cái)嘞禂?shù)k[9]。

3 場(chǎng)點(diǎn)選取

選取聲壓測(cè)量場(chǎng)點(diǎn)關(guān)乎場(chǎng)點(diǎn)位置和場(chǎng)點(diǎn)數(shù)，最高分析頻率決定著最小場(chǎng)點(diǎn)數(shù)。在選擇場(chǎng)點(diǎn)過程中，場(chǎng)點(diǎn)數(shù)量要合理，不能過多也不能過少，在選擇過程中應(yīng)該遵循唯一性和完備性。唯一性就是要求兩個(gè)相鄰測(cè)點(diǎn)距離不能太近，完備性表示的是選擇的場(chǎng)點(diǎn)要涵蓋所有聲源信息。場(chǎng)點(diǎn)在位置上咩有要求，能夠在同一平面上，也能夠處于空間不同平面上。場(chǎng)點(diǎn)距離聲源的最大距離能夠通過頻段上最高頻率進(jìn)行判斷，另外，的值需要滿足一下公式：

其中，表示的是最高計(jì)算頻率，c表示的是聲波速度。

4 應(yīng)用實(shí)例分析

為了檢測(cè)上述發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源位置識(shí)別方法的有效性，將其應(yīng)用與某發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行實(shí)測(cè)研究。發(fā)動(dòng)機(jī)沒有安裝冷卻風(fēng)扇，并且處于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，在精密級(jí)的半自由消聲室中測(cè)試聲場(chǎng)聲壓，實(shí)驗(yàn)時(shí)將排氣管進(jìn)行了噪聲屏蔽，為了提高測(cè)量準(zhǔn)確度，在測(cè)功機(jī)上覆蓋了吸聲材料。

4.1 聲學(xué)模型

圖2即為使用邊界元方法獲得的聲學(xué)和結(jié)構(gòu)邊界元模型。發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)邊界元模型一共有2728個(gè)節(jié)點(diǎn)和2726個(gè)單元，選擇單元長(zhǎng)度時(shí)，其原則需要滿足一個(gè)波長(zhǎng)中有六個(gè)單元的數(shù)值聲學(xué)，于是最高計(jì)算頻率為1640Hz。

在發(fā)動(dòng)機(jī)的左右、前和頂面靠近場(chǎng)平面的文職設(shè)置聲場(chǎng)測(cè)點(diǎn)。在近場(chǎng)聲壓測(cè)量中，測(cè)取144個(gè)點(diǎn)，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)間距離是100mm，每個(gè)波長(zhǎng)中至少有2個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

在某些頻率處使用邊界元法可能會(huì)存在結(jié)果不唯一的情況，該頻率即為非穩(wěn)定頻率，于是為了消除非穩(wěn)定頻率，文章使用了方式是在封閉單元內(nèi)表面定義阻尼，這種方式能夠不增加任何單元，將非穩(wěn)定頻率進(jìn)行消除。因此在邊界元模型出選擇20單元，然后將其內(nèi)部增加聲學(xué)阻尼，從而降低非穩(wěn)定性頻率的影響。

4.2 聲學(xué)傳遞向量計(jì)算

通過邊界元模型能夠計(jì)算出聲學(xué)傳遞向量，頻率范圍在40～1640Hz，將5Hz為計(jì)算頻率步長(zhǎng)，最后計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的聲學(xué)傳遞向量，如圖3所示，其中發(fā)火頻率點(diǎn)為140Hz，表示的是該點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)對(duì)排氣管測(cè)測(cè)量面中心場(chǎng)點(diǎn)的聲學(xué)傳遞向量，圖中表明的是該場(chǎng)點(diǎn)在140Hz處，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體中間部位的振動(dòng)非常敏感。

4.3 表面振速重構(gòu)

通過上面獲得的聲學(xué)邊界元模型和聲學(xué)傳遞向量，然后進(jìn)行逆聲學(xué)計(jì)算，圖4即為發(fā)動(dòng)機(jī)重構(gòu)振動(dòng)速度，其中頻率為140Hz。從圖中可以看出，能夠知道發(fā)動(dòng)機(jī)表面振動(dòng)情況，于是有助于分析出發(fā)動(dòng)機(jī)中振動(dòng)比較激烈的位置，即對(duì)噪聲源進(jìn)行定位。實(shí)驗(yàn)所研究的發(fā)動(dòng)機(jī)中2階振動(dòng)和噪聲最為顯著，在140Hz時(shí)，能夠定位到發(fā)動(dòng)機(jī)的主要噪聲源。

4.4 輻射聲場(chǎng)重構(gòu)及驗(yàn)證

140Hz處實(shí)測(cè)聲壓和計(jì)算聲壓分布云圖的比較如圖5所示，從圖中可以看出，使用本文的計(jì)算方法其結(jié)果和實(shí)測(cè)值相差非常小，即具有較好的一致性，最大聲壓值兩者也只相差0.01dB。所以定位方法中使用的截?cái)嗥娈愔捣軌蛳`差，使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果基本相同。

為了檢測(cè)方法在重構(gòu)聲場(chǎng)中的可靠性，于是對(duì)另外兩個(gè)參考點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)，然后沒有對(duì)其進(jìn)行重構(gòu)計(jì)算，于是將重構(gòu)值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，即可計(jì)算出方法的精度。參考點(diǎn)1位于發(fā)動(dòng)機(jī)頂面中心出，參考點(diǎn)2在發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)、頂面和前面的交點(diǎn)處。然后使用文章研究的方法計(jì)算兩個(gè)點(diǎn)的輻射聲壓，然后得到如圖6和圖7所示的對(duì)比圖，從兩幅圖中可以看出，實(shí)測(cè)聲壓和文章研究的識(shí)別方法的計(jì)算聲壓在頻率范圍內(nèi)具有較高的一致性。

5 結(jié)語

綜上所述，結(jié)合近場(chǎng)聲壓測(cè)量，逆邊界法在發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源位置識(shí)別中具有較好的應(yīng)用效果，并且該方法較簡(jiǎn)單，易于實(shí)施，能夠?qū)?fù)雜噪聲源進(jìn)行識(shí)別，所以將其應(yīng)用到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中能夠準(zhǔn)確的識(shí)別出噪聲源。當(dāng)前對(duì)噪聲源進(jìn)行識(shí)別的方法比較多，每種方法都有其利弊，文章以前文的研究成果為依據(jù)，設(shè)計(jì)基于逆邊界元法識(shí)別噪音具有現(xiàn)實(shí)意義和理論意義。

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