基于質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度聲全息圖的裝載機(jī)噪聲優(yōu)化

郭彬，金釗，袁帥，李艷君

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濰坊 261000；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司,山東濰坊 261000

0 引言

裝載機(jī)的噪聲分司機(jī)位置處噪聲和機(jī)外輻射噪聲兩種。司機(jī)位置處噪聲影響駕駛員的操作舒適性，增加駕駛員的疲勞感。機(jī)外輻射噪聲會(huì)造成環(huán)境公害，干擾機(jī)器附近人們的正常工作與休息。其噪聲源主要為發(fā)動(dòng)機(jī)，而發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲主要有燃燒噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力噪聲[1]。在噪聲傳遞路徑中，發(fā)動(dòng)機(jī)艙對(duì)噪聲的包覆起重要作用，其表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，聲輻射強(qiáng)度分布大小不一致。

近場(chǎng)聲全息技術(shù)包含眾多先進(jìn)的算法，如Fourier變換法[2]、等效源法[3]、分布源邊界點(diǎn)法[4]、HELS法[5]等，這些算法都是基于聲壓測(cè)量技術(shù)對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行重建，由于傳聲器距聲源較近，極易產(chǎn)生嚴(yán)重的反射、衍射現(xiàn)象，導(dǎo)致誤差過(guò)大。而通過(guò)測(cè)量質(zhì)點(diǎn)振速進(jìn)行聲場(chǎng)重建，由于傳感器本身尺寸較小，聲反射和衍射造成的影響較小，測(cè)量效果精度高。

某50裝載機(jī)樣車在進(jìn)行噪聲試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)外輻射噪聲超標(biāo)，本文通過(guò)Microflown公司的PU聲學(xué)傳感器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行聲學(xué)掃描，得到其表面聲質(zhì)點(diǎn)速度分布，形成聲全息圖像，在聲輻射較高的部位相應(yīng)增加隔聲措施，從而達(dá)到降噪的目的。

1 基于質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度測(cè)量的近場(chǎng)聲全息重建

假設(shè)介質(zhì)為理想流體，基于聲壓測(cè)量的常規(guī)近場(chǎng)聲全息重建公式[6-7]為：

P(kx,ky,zS)=P(kx,ky,zH)e-ikz(zH-zS)

(1)

式中：k為聲波數(shù)，k=ω/c=2π/λ，λ為特征波長(zhǎng)，c為聲速；

kx,ky分別為沿x,y方向上的波數(shù)；

zH為全息測(cè)量面z方向坐標(biāo)；

zS為重建面z方向坐標(biāo)；

P(kx,ky,zH)為波數(shù)域全息復(fù)聲壓；

kz為z方向波數(shù)，其中

(2)

Euler計(jì)算公式為：

(3)

式中:ρ為介質(zhì)密度；

u(x,y,zH)為全息面質(zhì)點(diǎn)振速。

對(duì)式(3)兩邊進(jìn)行傅里葉變換得到：

P(kx,ky,zH)=ρωU(kx,ky,zH)/kz

(4)

將式(4)代入式(1)得到基于質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的近場(chǎng)聲全息重建公式：

P(kx,ky,zS)=ρωU(kx,ky,zH)eikz(zH-zS)/kz

(5)

將式(5)進(jìn)行逆傅里葉變換，即可得到重建面上的空間域聲場(chǎng)。

2 整車噪聲優(yōu)化試驗(yàn)

2.1 整車噪聲摸底

進(jìn)行裝載機(jī)原始噪聲試驗(yàn)可對(duì)裝載機(jī)的現(xiàn)有噪聲水平進(jìn)行摸底，確定降噪目標(biāo)。某50裝載機(jī)匹配6缸10 L柴油機(jī)，額定功率162 kW，額定轉(zhuǎn)速2 200 r/min，最高空車轉(zhuǎn)速2 400 r/min，對(duì)其進(jìn)行噪聲性能優(yōu)化。

首先在整車定置狀態(tài)下，按照GB/T 25612—2010《土方機(jī)械 聲功率級(jí)的測(cè)定 定置試驗(yàn)條件》及GB/T 25614—2010《土方機(jī)械 聲功率級(jí)的測(cè)定動(dòng)態(tài)試驗(yàn)條件》進(jìn)行噪聲測(cè)量，由于試驗(yàn)條件有限，高空點(diǎn)未進(jìn)行測(cè)試。某裝載機(jī)外輻射噪聲試驗(yàn)結(jié)果見表1，機(jī)外輻射噪聲超標(biāo)1 dB(A)。

表1 某裝載機(jī)機(jī)外輻射噪聲試驗(yàn)結(jié)果 單位:dB(A)

對(duì)定置工況下各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行頻譜分析，確定最大噪聲所在頻段。如圖1所示，機(jī)外輻射噪聲貢獻(xiàn)量最大頻段為1 600 Hz，其次為800 Hz頻段，根據(jù)降噪原則，優(yōu)先進(jìn)行1 600 Hz頻段的降噪工作。經(jīng)分析確定1 600、800 Hz頻段噪聲主要來(lái)源于工作泵的齒輪嚙合，由于改進(jìn)齒輪難度大、成本高，本文通過(guò)優(yōu)化傳遞路徑的方式進(jìn)行降噪。

圖1 噪聲測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)艙聲學(xué)掃描

Microflown公司的PU聲學(xué)成像設(shè)備由數(shù)采前端、攝像頭、PU傳感器等部件組成。對(duì)試驗(yàn)裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙左右兩側(cè)進(jìn)行聲學(xué)掃描，由于面積過(guò)大，將每側(cè)分成4個(gè)部分進(jìn)行測(cè)試，圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)艙表面分區(qū)。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)艙表面分區(qū)

分別對(duì)左右兩側(cè)共8個(gè)表面進(jìn)行聲全息重建，并取1 600 Hz頻段(±50 Hz)進(jìn)行分析。圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)艙右側(cè)聲全息重建圖，圖中顏色較深的區(qū)域代表聲輻射較大，較淺的區(qū)域代表聲輻射較小。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)艙右側(cè)聲全息重建圖

圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)艙左側(cè)聲全息重建圖。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)艙左側(cè)聲全息重建圖

根據(jù)聲全息圖像，可以得到噪聲能量輻射大的區(qū)域，在相應(yīng)區(qū)域增加消聲棉，減小噪聲輻射，從而達(dá)到降噪的目的，本文采用PU-聚氨酯發(fā)泡消聲棉，在1 600 Hz頻段消聲率可以達(dá)到95%(試驗(yàn)室數(shù)據(jù))，其消聲率曲線如圖5所示。

圖5 PU-聚氨酯發(fā)泡消聲棉消聲率曲線

2.3 優(yōu)化驗(yàn)證

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，增加消聲棉后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙表面重新進(jìn)行聲學(xué)掃描，右、左兩側(cè)各掃描面聲輻射全息圖對(duì)比結(jié)果如圖6和圖7所示。圖中上半部分為原始狀態(tài)，下半部分為增加消聲棉后狀態(tài)。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)艙右側(cè)加消聲棉前后聲全息重建圖

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)艙左側(cè)加消聲棉前后聲全息重建圖

在噪聲能輻射大的區(qū)域增加了消聲棉后，1 600 Hz頻段下上述區(qū)域輻射能量明顯下降，對(duì)優(yōu)化后的整車按照國(guó)標(biāo)重新進(jìn)行噪聲測(cè)試，與優(yōu)化前進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表2。優(yōu)化后整車機(jī)外輻射噪聲下降1.4 dB(A)，達(dá)到113 dB(A)，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，降噪措施起到了很好的效果。

表2 某裝載機(jī)機(jī)外輻射噪聲優(yōu)化前后對(duì)比 單位:dB(A)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某50裝載機(jī)機(jī)外輻射噪聲超標(biāo)，提出了采用基于質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的聲全息成像降噪方法。通過(guò)PU聲學(xué)傳感器掃描發(fā)動(dòng)機(jī)艙表面進(jìn)行聲全息圖像重建，判斷出發(fā)動(dòng)機(jī)艙表面聲輻射大的位置，并在相應(yīng)頻段下進(jìn)行了增加消聲棉的聲學(xué)處理，并比較了處理前后發(fā)動(dòng)機(jī)艙表面聲輻射全息圖，其輻射能量大幅下降，最終整車機(jī)外輻射噪聲下降1.4 dB(A)，滿足國(guó)標(biāo)要求。