發(fā)動(dòng)機(jī)排氣隔熱罩噪聲研究

丁光輝 李凱 王卓 王國剛 劉龍軍

摘要： 薄板件共振是發(fā)動(dòng)機(jī)常見的噪聲問題，本文通過頻譜分析、聲源定位試驗(yàn)、仿真分析的方式鎖定了導(dǎo)致排氣隔熱罩共振噪聲突出的原因，通過對(duì)隔熱罩進(jìn)行形貌優(yōu)化，降低了模態(tài)密度，提高了模態(tài)頻率，降低了產(chǎn)生共振噪聲的風(fēng)險(xiǎn)，最終降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲，提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的聲品質(zhì)。

Abstract： The resonance of thin plate is a common noise problem of engine. Through spectrum analysis， sound source location test and simulation analysis， locks the cause of the prominent resonance noise of Heat Shield， by optimizing the shape of the Heat Shield， the modal density is reduced， the modal frequency is increased， the risk of resonance noise is reduced， the noise of the engine is reduced， and the sound quality of the engine is improved.

關(guān)鍵詞： 頻譜分析;形貌優(yōu)化;共振噪聲

Key words： spectrum analysis;shape optimization;resonance noise

中圖分類號(hào)：U263.14? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）19-0055-02

0? 引言

隨著客戶對(duì)整車舒適要求的不斷提高，推動(dòng)了發(fā)動(dòng)機(jī)NVH水平的不斷提升。結(jié)構(gòu)共振噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)最常見的共振類問題，而根據(jù)共振噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，發(fā)生部位的不同可采用不同的方式進(jìn)行優(yōu)化。如薄壁件的共振噪聲是由于受到外部激勵(lì)引起了自身模態(tài)激起而產(chǎn)生的噪聲，此類噪聲一般可采用形貌優(yōu)化或者改善自身的阻尼特性來解決[1]。針對(duì)排氣隔熱罩的設(shè)計(jì)，常用的設(shè)計(jì)方式為單層鋼板或雙層鋼板，這兩種方式工藝簡單，成本較低，可以滿足隔熱和可靠性的要求，但缺點(diǎn)是薄板模態(tài)較為集中，容易受到排氣歧管振動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生共振輻射噪聲，成為發(fā)動(dòng)機(jī)突出的噪聲源。

1? 薄板件振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理

根據(jù)空氣介質(zhì)的連續(xù)條件，假設(shè)振動(dòng)表面任一點(diǎn)的法向振動(dòng)速度為V（x，ω），如果振動(dòng)表面為薄板大平面，其輻射聲壓p（y，ω）可由瑞利積分得到[2]

r為平面的點(diǎn)x和噪聲觀測(cè)點(diǎn)y之間的距離。

根據(jù)薄板件的振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理可知，薄板件的輻射面積、表面振動(dòng)和噪聲之間有著密切的關(guān)系。輻射面積越大，輻射聲壓越大;表面振動(dòng)越大，輻射聲壓越大。所以針對(duì)薄板件的設(shè)計(jì)，要盡量避免大平面，可采用加筋的方式將大平面分割為較多的小平面，同時(shí)薄板件局部模態(tài)要盡量和系統(tǒng)的模態(tài)要避開，避免共振加劇。

2? 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣隔熱罩頻譜特征

某發(fā)動(dòng)機(jī)加速噪聲測(cè)試時(shí)排氣側(cè)噪聲最大，如圖1所示，排氣頻譜分析顯示，320-700Hz共振帶共振能量突出，拆除隔熱罩后噪聲降低2-5dB，共振帶基本消失，所以排氣隔熱罩產(chǎn)生了320-700Hz多條共振噪聲，隔熱罩聲學(xué)效果較差。

3? 噪聲源識(shí)別

3.1 聲源定位試驗(yàn)? 采用基于Beamforming聲源識(shí)別法，截取320-700Hz頻帶噪聲進(jìn)行聲源定位分析，如圖2所示，320-700Hz頻帶噪聲主聲源在排氣隔熱罩附近，通過以上分析可知共振帶來自排氣隔熱罩。

3.2 仿真分析? 采用仿真分析，進(jìn)一步鎖定問題源。首先要建立排氣隔熱罩及排氣歧管的仿真模型。使用Abaqus仿真軟件計(jì)算前13階模態(tài)。如圖3所示，分析表明800Hz以下存在13個(gè)模態(tài)，且存在局部大平面臌脹模態(tài)，與試驗(yàn)問題頻段較吻合，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果確定導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)噪聲較大的主要原因是排氣隔熱罩模態(tài)被激起導(dǎo)致。

4? CAE仿真分析及優(yōu)化

如圖4所示，根據(jù)薄板件的設(shè)計(jì)原則，將大平面機(jī)構(gòu)改為凹面結(jié)構(gòu)[3]。

4.1 模態(tài)分析? 原狀態(tài)排氣隔熱罩800Hz以內(nèi)存在13個(gè)模態(tài)，且存在局部臌脹模態(tài)，形貌優(yōu)化后800Hz以下模態(tài)頻率顯著提升，總模態(tài)數(shù)從原來的13個(gè)模態(tài)降低到7個(gè)，模態(tài)密減低了46%，同時(shí)解決了中間局部臌脹模態(tài)。

4.2 聲學(xué)響應(yīng)分析? 在支架中間位置施加1m/s2單位激勵(lì)來計(jì)算隔熱罩的聲學(xué)響應(yīng)，結(jié)果顯示中心頻率為300-700Hz噪聲降低約10dB（A），優(yōu)化效果明顯。

5? 優(yōu)化驗(yàn)證

將安裝有新隔熱罩的發(fā)動(dòng)機(jī)上消聲室臺(tái)架進(jìn)行最終的驗(yàn)收測(cè)試。如圖7、圖8優(yōu)化后800Hz以下共振帶基本消失，排氣側(cè)噪聲有近0-5dB（A）的降低，發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)較優(yōu)化前有明顯的提升。

6? 結(jié)語

仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的采用可快速鎖定噪聲問題的根源，提高了優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率。針對(duì)薄板件振動(dòng)噪聲問題可首先從模態(tài)頻率、模態(tài)密度、聲學(xué)響應(yīng)等方面進(jìn)行優(yōu)化，確定有優(yōu)化效果的前提下再進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，縮短了試驗(yàn)驗(yàn)證周期，提高了工作效率，降低了優(yōu)化成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙俊男，趙世來，等.基于有限元的排氣歧管隔熱罩的振動(dòng)分析與噪聲驗(yàn)證[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2018（3）：82-85.

[2]陳浩杰，周期阻尼薄板結(jié)構(gòu)聲輻射特性研究[D].湖北：湖北工業(yè)大學(xué)，2013.

[3]范習(xí)民，錢德猛，等.某汽油機(jī)排氣歧管隔熱罩優(yōu)化分析[J].機(jī)械工程師，2014（11）：208-210.