內燃機噪聲的研究綜述與思考

張博慧 章易程 駱鴻儒 席浩楠 馬賽 曾浩洋

摘要： 內燃機是汽車船舶、發(fā)電機水泵等機械裝備的心臟部件，但在工作時不可避免地會產生噪聲，從而對環(huán)境、生產和生活等方面造成影響。內燃機噪聲是衡量內燃機性能的重要指標之一。通過對國內外現有研究的調查與分析，分析了目前內燃機噪聲的研究現狀，就內燃機噪聲識別、噪聲控制兩方面的研究進行介紹，最后提出以下研究建議：①通過建立典型零部件噪聲特征以方便實際工作中進行內燃機的故障診斷;②通過研究分析聲波的負交互作用，以依靠內燃機的自身結構來實現降噪。

Abstract： Internal combustion engine is the heart of mechanical equipments such as automobile， ship， generator and water pump， but it inevitably produces noise when working， which will affect the environment， production and life. The noise of internal combustion engine is one of the important indexes to measure the performance of intern-al combustion engine. Based on the investigation and analysis of the existing researches at home and abroad， the? researches on the noise identification and noise control of internal combustion engine are introduced. The two res- earch suggestions are put forward： ①The noise characteristics of typical parts should be built to distinguish the no- ise source of internal combustion engine; ②The negative interaction of acoustic waves should be studied in order to reduce noise by means of the self-structure of internal combustion engine.

關鍵詞： 內燃機;噪聲;綜述;思考

Key words： internal combustion engine;noise;overview;consideration

中圖分類號：TK411+.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）19-0106-03

0? 引言

內燃機是各種機械裝備重要的動力來源?？墒?，內燃機在工作時不可避免地會產生噪聲，對環(huán)境安全和生產生活等方面造成影響，國內外很多學者都對內燃機噪聲展開過研究。根據所調研的文獻，本文從噪聲的識別和控制兩個方面對內燃機噪聲的研究展開綜述，并提出相關的研究建議。

1? 噪聲識別

噪聲識別旨在從復雜聲源中區(qū)分主要噪聲源。根據現有研究，常用的內燃機噪聲識別法包括近場聲壓法、聲全息法、小波分析法和聲強測量法等。

1.1 近場聲壓法

通過測量內燃機近場振動表面聲壓級而估算其表面噪聲級的方法，即為近場聲壓法，該方法因易受干擾而多用于近似性估評[1]。賴少將以轉子為研究對象，經實驗證明：基于聲源成像反卷積法的均勻線性近場聲陣列，能夠用于內燃機中旋轉機械的噪聲源識別。吳桂嬌指出：采用波束形成法，通過較少傳感器就能夠利用非規(guī)則的隨機聲陣列識別內燃機噪聲的中高頻聲源，且能針對較大聲源面積。張翠青等使用波束形成聲源識別算法，對大眾2VQS電噴汽油機進行了測試，提出：在構建輔助物理坐標系的基礎上采用波束形成算法，可以精確識別噪聲源位置。林建生等使用近場聲壓法測量了一臺單缸柴油機表面的線性聲功率級，得到其主要噪聲源，但指出該方法具有分辨率低、規(guī)律性差和總噪聲級誤差較大的缺點[2]。

1.2 全息法

利用聲的強度信息和相位信息對全息面上復聲壓測量數據進行反演，得到源面上的聲壓與振速的技術就是全息技術，它是內燃機噪聲源識別中常用的方法。郭慶在開展有關近場聲全息可視化噪聲源識別技術的多項實驗后提出：近場聲全息方法在低頻區(qū)域對內燃機噪聲源具有良好的識別能力。杜亮提出了一種截止波數選取公式，彌補了傳統濾波窗函數截止波數選取的經驗公式在信噪比、測量距離和聲源頻率方面的不足，減小了利用聲全息法識別內燃機噪聲源的重建誤差[3]。褚志剛等綜合采用Beamforming（波束形成）和SONAH（統計最優(yōu)近場聲全息）2種陣列的聲源識別方法，實現了對柴油機進氣側的噪聲在寬頻帶內的聲源識別。王迪等利用基于HELS算法的近場聲全息測試系統，對某直列四缸汽油機的噪聲進行了測量與分析，得到其在不同工況下輻射噪聲的近場全息圖。

1.3 小波分析法

由于傳統的傅里葉變換無法表現內燃機非平穩(wěn)信號的時間信息，所以不能用于內燃機噪聲源的識別。因此，小波變換因其“調焦”等功能而越來越多地被人們用于內燃機輻射噪聲信號的識別。

金巖等從小波變換幅值的時頻圖上提取了內燃機振動信號的特征，從中識別出不同部件對內燃機表面輻射噪聲中不同頻率成分的貢獻。楊金才等提出了一種連續(xù)小波變換的改進算法，可以直接從小波系數形成的云圖中識別出內燃機噪聲源[4]。梁佳等針對連續(xù)小波變換相對于二進離散小波變換和小波包變換，在尺度分辨率方面更精細的優(yōu)點，研究了C-mor小波變換的修正與證明，經實驗證實其能用于內燃機表面輻射噪聲源的識別。郝志勇等提出了A計權連續(xù)小波變換算法，使得經頻率修正后的小波系數更加適合內燃機噪聲源識別的實際需要。徐紅梅等采用連續(xù)小波變換方法，對四缸柴油機的噪聲信號進行了時頻分析處理，得到噪聲信號能量在時頻域內的分布規(guī)律，及其主要頻率成分隨轉速或時間變化的特性[5]。韓軍等提出了在識別內燃機噪聲源時，確定小波變換中最大和最小尺度參數等的方法。

1.4 聲強測量法

聲強法用于噪聲源識別時具有不受環(huán)境干擾的顯著優(yōu)勢，國內外學者已經在該領域進行了大量研究。謝裕智等對一臺增壓柴油機的噪聲進行了聲強測試，結合STARAcoustics聲強軟件確定了噪聲源位置、主要噪聲頻率成分和聲功率的貢獻。梁杰等使用復聲強測試系統對S493Q型柴油機表面進行了噪聲源識別，結合測點的聲壓頻譜圖得出：進氣渦流噪聲明顯、油底殼輻射噪聲值偏高等。王之東等采用聲強測量法對柴油機表面輻射噪聲進行了測量，通過聲強分布云圖確定其主要噪聲源為：氣門室罩、油底殼、增壓器和高壓油泵[6]。舒歌群等研究了雙傳聲器聲強測試技術及其在混響條件下的應用，指出：雙傳聲器聲強法具有測量系統相位不匹配誤差、有限差分誤差及近場誤差等。沙云東等在普通內燃機試驗間內有效地利用了聲強法對內燃機進行噪聲測量，并估算出表面輻射的聲功率及聲能分布。杜憲峰等將聲強測量與EMD-ICA模型結合，成功實現了對柴油機噪聲源進行分離及特征的提取研究。

2? 噪聲控制

噪聲控制的研究主要是從噪聲源、傳播途徑兩方面進行。

2.1 噪聲源

對噪聲源的控制是最根本有效的措施，根據對現有研究的調查統計，可以從燃燒噪聲和機械噪聲兩部分入手。

2.1.1 燃燒噪聲

燃燒噪聲來源于氣缸內周期性劇烈變化的氣體壓力，主要取決于燃燒方式和燃燒速度。

王平等通過一系列試驗和模擬分析得出：適當的預噴量能夠降低壓力升高率峰值和高頻振蕩，能有效控制柴油機燃燒噪聲;最佳預噴量與轉速成負相關等。姜智超等通過一系列仿真實驗證明：利用直噴柴油機電控系統精確控制多次預噴參數及節(jié)氣門開度，可以明顯降低柴油機的燃燒噪聲?？讕涐槍︻A混合低溫燃燒模式（PPCI-LTC），在仿真環(huán)境下得出了柴油機中單缸機控制燃燒噪聲的最佳預噴參數及預噴參數。A.J.Torregrosa開展了有關預噴、主噴參數PCCI模式下柴油機燃燒噪聲的研究，得出控制效果取決于燃油量等預噴射參數的組合的結論[7]。M.Badami提出，柴油機兩次預噴射相較于一次預噴射對燃燒噪聲有更好的控制效果。Evangelos G. Giakoumis通過實驗證明：增壓器滯后、噴油正時和缸套冷卻系統都對內燃機燃燒噪聲級有較大影響。

2.1.2 機械噪聲

機械噪聲包括活塞敲擊噪聲、傳動齒輪噪聲和配氣機構噪聲等，主要是由內燃機內部的活塞、氣缸套和氣缸體等運動零部件，在運轉時因受氣體壓力和運動慣性力的周期性變化而引起的振動或相互沖擊導致的。

曾慶釗從內燃機機械噪聲的作用機理出發(fā)，對其控制要點進行分析后指出：合理控制內燃機與機架連接位置減震塊的阻尼和剛度能夠有效地從源頭上減輕振動所引起的噪聲。劉瑞燕等指出，通過安裝彈簧、橡膠等隔振材料，能夠減弱內燃機壁面與其內部零部件之間的沖擊力，從而實現降噪。桂小林等通過實驗證明，雙平衡軸機構可以降低內燃機振動，且平衡軸平衡率越高，有利于降低噪聲。梁興雨等在研究復合阻尼材料薄壁件的降噪機理后得出：用復合阻尼減振鋼板取代普通鋼板制作柴油機的油底殼和缸蓋罩，能夠明顯減振降噪。李凱等對某國V柴油機進行機械噪聲分解試驗后提出：齒輪副的法向側隙保持在0.25mm以下時，可以使機油泵驅動齒輪副的47階次噪聲降低5-10dBA[8]。王攀等建立了采用四極子脈動球源定量描述內燃機活塞拍擊噪聲的理論模型，探討了配缸間隙、活塞銷偏移量等參數在不同轉速下對活塞拍擊噪聲的影響規(guī)律：減小活塞配缸間隙、減少活塞裙部下段剛度及長度等可以降低活塞拍擊噪聲。雷鳴在分析影響活塞拍擊噪聲的主要參數后，得出降低活塞拍擊噪聲的方法：活塞銷軸線偏向主推力面的距離由0.5mm改為1mm、活塞銷孔軸線向下平移2mm、活塞裙部下端長度減少0.5mm，及在活塞裙部開槽等。張小明等對單缸內燃機的虛擬樣機參數化實體模型進行了動力學仿真分析，在參數優(yōu)化分析后提出：改變曲柄連桿機構對機體的干擾力和傾覆力矩，可以實現離心慣性力的完全平衡和往復慣性力的部分平衡，從而降低內燃機的機械噪聲[9]。

2.2 傳播途徑

由于不可完全消除相關的振動以及燃燒氣流的震蕩，從而要做到從噪聲源入手來徹底或大幅消除噪聲是不可能的，所以，在傳播途徑上降噪是重要的降噪措施，主要有隔聲和吸聲兩種方法。

2.2.1 隔聲

隔聲降噪是指在噪聲傳播的路徑上加裝隔聲罩裝置或采取相應的隔振結構，以阻止噪聲傳播到環(huán)境中。

楊昭等設計了一種自帶通風系統的隔聲罩，經試驗證明其與雙室抗性消聲器配合用于內燃機時具有強大的降噪作用。沈衛(wèi)東等針對隔聲罩的通風散熱問題設計出可拆卸的百葉窗式隔聲罩，成功用于DF3000型汽油機組的降噪隱身。李艷會在研究KD186F/A型柴油機噪聲的產生機理及傳播途徑后指出：加裝局部隔聲罩可以減小柴油機表面的輻射噪聲。孫雷針設計了一套柴油機隔聲罩結構聲有源控制設計方案，通過對比控制開啟前后的聲壓頻譜，證明該方案可以有效控制低頻線譜噪聲。袁飛等針對某汽油機減振皮帶輪的結構特點設計了一種外層為2mm厚的工程塑料、內部為發(fā)泡成型PU材料的隔音罩，經測試證實其可以明顯降低800-1600Hz帶寬的噪聲和機油泵驅動諧次噪聲（48階、56階等）。李慧等以某船用柴油機為研究對象，通過模型試驗證明：加裝集成減振隔聲裝置能夠明顯提高機腳-基座的橫向、縱向及垂向的隔振效果，改善原始單層隔振方案中能量集中頻段的噪聲。宋寶安等對一臺車用大功率渦輪增壓中冷柴油機進行了臺架試驗，得出：用減振鋼板取代原普通鋼板可以顯著降低油底殼及進氣管振動水平、改善整體噪聲。

2.2.2 吸聲

通過增加吸聲材料或消聲器也是在噪聲傳播途徑上進行降噪的常用方法。

王忠等通過B&K3560噪聲測量分析系統對4110Q柴油機各零部件的噪聲進行了研究，結果表明：使用由橡膠、多孔泡沫、鋼板等3種材料黏結而成的復合材料覆蓋油底殼、飛輪殼等表面，能夠大量減少整機噪聲。許廣舉等指出：用橡膠/橡膠/吸聲棉材料覆蓋搖臂罩蓋和油底殼，能夠明顯降低柴油機噪聲聲壓級[10]。謝有浩等在對汽油機現有的抗性消聲器、阻性消聲器和阻抗復合式消聲器進行分析與比較后提出：設計排氣消聲器時，應充分考慮發(fā)動機的主要技術參數、排氣管布置與走向、消聲器安裝位置和空間大小等因素，充分利用有效設計空間來最大限度地滿足消聲要求。李洪亮等采用調整消聲器的穿孔率、孔徑等內部結構等方法，把純抗性消聲器改成了阻抗復合型的消聲器，經臺架試驗證明其可使汽油機加速噪聲降低2dB（A）。朱世廷等基于BAM（輔助消聲器）原理優(yōu)化了T15汽車中汽油機后的消聲器結構：取消進氣管中部所有孔，可以消除汽油機在加速時發(fā)出的“噗噗”聲。王磊等基于消聲器的壁面壓力分布，設計出一種內插管接擴張孔管的小型方型消聲器構型，可以通過改善消聲器內部的氣流流動、避免氣流對壁面沖擊的應力集中而降低內燃機噪聲。

3? 思考

以上對國內外研究現狀的闡述說明，內燃機噪聲在識別和控制上都取得了理論與實用研究的良好進展，但仍需要在以下幾個方面展開進一步研究：

①現有的研究主要是關于噪聲識別方法的研究，而關于內燃機內典型零部件噪聲特征的研究鮮于報道，為此以后有必要重點研究典型零部件的噪聲特征，為工程實際中進行噪聲識別提供切實可行的措施。

②現有的研究主要針對于單一噪聲源，以后有必要在利用多噪聲源聲波的負交互作用而降低聲強方面進行深入研究，以實現利用自身振動特性進行降噪。

參考文獻：

[1]郭永紅，郭常立，李杰，等.內燃機噪聲源識別與噪聲控制技術研究[J].現代制造技術與裝備，2009（1）：31-32.

[2]林建生，舒歌群.通過振動表面聲強測量識別發(fā)動機噪聲源[J].小型內燃機，1992（4）：30-34.

[3]杜亮.基于聲陣列與聲全息的噪聲源識別方法研究[D].浙江理工大學，2011.

[4]楊金才，郝志勇，賈維新.用連續(xù)小波變換識別內燃機噪聲源[J].浙江大學學報：工學版，2006（3）：404-407.

[5]徐紅梅，陳傳艷.基于連續(xù)小波變換的內燃機瞬態(tài)工況噪聲信號時頻特性研究[J].小型內燃機與摩托車，2011（1）：24-26.

[6]王之東，沈穎剛，畢鳳榮.基于聲強法識別柴油機表面輻射噪聲源的研究[J].噪聲與振動控制，2008（5）：182-184.

[7]A.J. Torregrosa， A. Broatch. Sensitivity of combustion noise and NOx and soot emissions to pilot injection in PCCI Diesel engines [J]. Applied Energy 104（2013）：149-157.

[8]李凱，王金立，范習民.某國V發(fā)動機噪聲優(yōu)化研究[J].汽車實用技術，2016（10）：53-55.

[9]張小明，冷軍發(fā)，劉波.基于ADAMS的單缸內燃機動力學分析與研究[J].機械傳動，2009（4）：52-54.

[10]許廣舉，陳慶樟，李學智，等.復合阻尼材料降低柴油機噪聲的試驗研究[J].機械設計與制造，2015（05）：160-163.