某發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲臺(tái)架試驗(yàn)研究

藍(lán)志寶 覃海峰 方業(yè)邁 李露露

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西 柳州 545007）

引言

隨著消費(fèi)者對(duì)汽車NVH 的重視程度日趨提升，發(fā)動(dòng)機(jī)作為整車的主要噪聲源，其NVH 性能的好壞已經(jīng)成為影響整車銷量的重要因素[1]。為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)搭載整車后出現(xiàn)NVH 問(wèn)題，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的振動(dòng)噪聲水平進(jìn)行完整的評(píng)估，因此發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的振動(dòng)噪聲測(cè)試成為了必不可少的環(huán)節(jié)。

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)作為發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的重要組成部分，是檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械性能、可靠性以及模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境的主要手段；發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架振動(dòng)噪聲試驗(yàn)，是評(píng)判一款發(fā)動(dòng)機(jī)NVH 水平的重要途徑。發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)噪聲值作為檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)出廠的主要技術(shù)參數(shù)，如果控制不當(dāng)會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲太大以致?lián)p壞零部件等問(wèn)題，因此在臺(tái)架上預(yù)先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)噪聲試驗(yàn)研究，對(duì)于深入認(rèn)識(shí)并掌握發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架噪聲性質(zhì)和變化規(guī)律，控制發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲具有重要意義[2]。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架振動(dòng)噪聲試驗(yàn)研究主要是為了研究發(fā)動(dòng)機(jī)表面的振動(dòng)特性和聲學(xué)特性的規(guī)律性，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)，找出對(duì)應(yīng)的噪聲源位置，并提供針對(duì)性的優(yōu)化建議，爭(zhēng)取最大限度地控制發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲水平。

1 試驗(yàn)方案

發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中可能會(huì)受到臺(tái)架安裝的隨機(jī)性產(chǎn)生異響。而這類異響是可以通過(guò)臺(tái)架整改避免的。排查這類異響的手段就是進(jìn)行第一輪的噪聲振動(dòng)測(cè)試，由于此輪測(cè)試包含了一些外部條件引起的異響，故測(cè)試數(shù)據(jù)不能直接用于發(fā)動(dòng)機(jī)本體噪聲水平的評(píng)判。排查出噪聲源并對(duì)臺(tái)架進(jìn)行整改后，仍需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行第二輪試驗(yàn)，此輪試驗(yàn)的目的是對(duì)比整改前后噪聲振動(dòng)水平，確認(rèn)整改效果，之后方可進(jìn)行全面的發(fā)動(dòng)機(jī)NVH 測(cè)試評(píng)價(jià)。在有些臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中，可能需要不止一次地進(jìn)行臺(tái)架修正，最終達(dá)到將外部干擾降至可接受范圍的目的。異響排查及噪聲水平評(píng)估的方法包括了振動(dòng)噪聲測(cè)試和聲源定位測(cè)試。

1.1 振動(dòng)噪聲測(cè)試

按照GB/T1859—2000《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)輻射的空氣噪聲測(cè)量工程法和簡(jiǎn)易法》標(biāo)準(zhǔn)中的布置測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖1），行業(yè)內(nèi)各企業(yè)有自己的測(cè)試方案，本次測(cè)試采集了發(fā)動(dòng)機(jī)前端，進(jìn)氣，排氣，頂部，后端的噪聲信號(hào)，由于受到臺(tái)架測(cè)功機(jī)與后端聯(lián)軸器的影響，僅將后端作為噪聲測(cè)試的一個(gè)參考值評(píng)價(jià)，未將后端噪聲信號(hào)納入聲壓級(jí)計(jì)算內(nèi)。主要評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)前端、進(jìn)氣、排氣、頂面的噪聲水平，研究發(fā)動(dòng)機(jī)表面聲輻射水平，排查其異響。

圖1 五點(diǎn)測(cè)量表面聲壓級(jí)示意圖

聲輻射噪聲測(cè)試選取距離發(fā)動(dòng)機(jī)外包絡(luò)面1 m處位置進(jìn)行麥克風(fēng)布點(diǎn)；振動(dòng)測(cè)試作為噪聲測(cè)試的輔助，我們選取缸體、前端面、鏈輪罩蓋、發(fā)電機(jī)等多點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置。其中缸體作為每次試驗(yàn)的參考點(diǎn)，確保每次試驗(yàn)缸體振動(dòng)一致性，避免發(fā)動(dòng)機(jī)不正常工作造成的單次試驗(yàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的情況。

1.2 聲源定位測(cè)試

考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的復(fù)雜性及臺(tái)架試驗(yàn)的安全性，單純通過(guò)主觀感受去判斷聲源位置的方法已經(jīng)不能滿足試驗(yàn)要求了?；诼晫W(xué)陣列技術(shù)的聲源定位方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)聲源識(shí)別的缺陷，能更快速精確地識(shí)別噪聲源位置。本文采用的是波束成形的定位方法。波束成形的聲源定位方法相比聲壓法、聲強(qiáng)法等傳統(tǒng)聲源識(shí)別技術(shù)，它測(cè)量速度快，計(jì)算效率高，對(duì)于穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)及運(yùn)動(dòng)聲源能精確識(shí)別，一些高頻、大尺寸的聲源不需要緊靠聲源表面就能獲得較高分辨率[3-4]。

本文使用的傳聲器陣列為環(huán)形陣列，帶有36 個(gè)聲學(xué)麥克風(fēng)及廣角高清攝像頭?？梢葬槍?duì)噪聲頻譜上出現(xiàn)的聲學(xué)特征（如共振、階次等）進(jìn)行客觀準(zhǔn)確的分析，最終實(shí)現(xiàn)聲源定位的可視化。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲問(wèn)題排查

2.1 問(wèn)題排查

測(cè)試在發(fā)動(dòng)機(jī)半消聲室中進(jìn)行，測(cè)試工況是由1 000 r/min 加速到額定轉(zhuǎn)速。第一輪臺(tái)架試驗(yàn)中的1 m 聲壓級(jí)結(jié)果顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)聲功率在加速過(guò)程中存在明顯鼓包（見(jiàn)圖2）。根據(jù)采樣信號(hào)分析，在低轉(zhuǎn)速下鼓包由前端面引起，高轉(zhuǎn)速鼓包峰值主要由排氣側(cè)貢獻(xiàn)，后端也表現(xiàn)出明顯的跟隨趨勢(shì)。該聲功率曲線顯示噪聲并非平滑上升，屬于存在異常，需排查前端面及排氣側(cè)靠近后端面的位置。

圖2 問(wèn)題排查噪聲曲線

根據(jù)前端面頻譜分析，該峰值是由1 600～2 300 Hz頻率引起。由濾波回放及經(jīng)驗(yàn)判斷，該異響為氣流引起的嘶嘶聲。經(jīng)排查，這主要是由于前端面在臺(tái)架布置時(shí)存在臺(tái)架中冷管輻射噪聲影響。中冷管在增壓器增壓進(jìn)氣階段，會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的壓力變化，導(dǎo)致氣流沖擊壓力變化。該噪聲為臺(tái)架附件引起的，并非發(fā)動(dòng)機(jī)本體噪聲，需要進(jìn)行整改剔除。剔除后的噪聲才能用于準(zhǔn)確評(píng)判發(fā)動(dòng)機(jī)本體的噪聲水平。剔除方法為對(duì)中冷管進(jìn)行重新布置包裹，將輻射噪聲控制在可接受水平（見(jiàn)圖3）。

圖3 前端面整改前后頻譜對(duì)比

排氣側(cè)及后端面存在明顯相關(guān)性的噪聲波動(dòng)峰值，頻譜分析結(jié)果顯示，在排氣側(cè)及后端面在540 Hz下有共振現(xiàn)象。共振與發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火諧次6、8、10、12階耦合引起其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的峰值（見(jiàn)圖4）。

圖4 排氣側(cè)及后端面噪聲頻譜

針對(duì)此噪聲問(wèn)題，借助噪聲主觀評(píng)價(jià)工具聽(tīng)診器進(jìn)行初步噪聲源識(shí)別，發(fā)現(xiàn)渦輪增壓器排氣出口處噪聲與濾波回放的噪聲相似度較高，初步判斷該噪聲來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)。由于排氣位置溫度過(guò)高無(wú)法布置振動(dòng)加速度計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，為確認(rèn)該共振帶來(lái)源，則需采用聲學(xué)陣列波束成形的方法對(duì)聲源進(jìn)行定位。陣列距離發(fā)動(dòng)機(jī)0.7 m，定位540 Hz 中心頻率，確定主要聲源集中在三元催化器殼體輻射噪聲（見(jiàn)圖5）。

圖5 540 Hz 聲源定位云圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證三元催化器對(duì)該異響的貢獻(xiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上將三催取消，直接將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)連接到臺(tái)架排氣系統(tǒng)中，驗(yàn)證拆除三元催化器后的噪聲變化情況。

拆除三元催化器后噪聲值在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)明顯下降，且共振帶明顯減弱（見(jiàn)圖6）。綜合以上測(cè)試結(jié)果，判斷排氣側(cè)及后端面的噪聲峰值由三元催化器共振引起。

圖6 去除三元催化器前后聲壓及頻譜對(duì)比

2.2 整改措施

由于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架是由測(cè)功機(jī)直接帶動(dòng)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的，并未安裝整車變速器，而是以假變速器殼體代替。整車布置下三元催化器為三點(diǎn)安裝，而發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架由于變速器狀態(tài)不同，僅采用了兩點(diǎn)安裝，因此導(dǎo)致模態(tài)過(guò)低，造成共振情況嚴(yán)重，產(chǎn)生輻射噪聲。

對(duì)三元催化器增加固定點(diǎn)連接到假變速器殼體上，并優(yōu)化排氣管路，增加排氣管的懸吊點(diǎn)，將原來(lái)的硬排氣管變?yōu)檐浥艢夤?。?jīng)過(guò)臺(tái)架問(wèn)題及異響排查整改后進(jìn)行第二輪發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架NVH 測(cè)試，對(duì)比整改前后的排氣側(cè)噪聲可以明顯看出，噪聲值在全轉(zhuǎn)速范圍下優(yōu)化明顯（見(jiàn)圖7）。排氣側(cè)仍存在稍許峰值，但已達(dá)到可接受水平，不影響整機(jī)噪聲評(píng)估（見(jiàn)圖8）。峰值可能是該款發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)特性引起，可作為后續(xù)研究關(guān)注點(diǎn)。

圖7 整改前后聲壓級(jí)曲線對(duì)比

圖8 整改后聲壓級(jí)曲線

3 噪聲測(cè)試結(jié)果分析

3.1 總聲壓級(jí)評(píng)價(jià)

按照GB/T1859—2000《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)輻射的空氣噪聲測(cè)量工程法和簡(jiǎn)易法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行噪聲測(cè)試。測(cè)試工況為全負(fù)荷加速及穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速1 000～5 500 r/min，間隔400 r/min 取一個(gè)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。

全負(fù)荷加速工況下，聲壓級(jí)值隨轉(zhuǎn)速增大而增大，在額定轉(zhuǎn)速達(dá)到最大聲壓級(jí)值93.91 dB（A）（見(jiàn)圖9）。在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，排氣側(cè)噪聲相對(duì)較高，前端面及頂部噪聲次之，進(jìn)氣側(cè)噪聲相對(duì)較低。

圖9 全負(fù)荷工況加速噪聲曲線

穩(wěn)態(tài)工況下，平均聲壓級(jí)值隨轉(zhuǎn)速增大而增大，在額定轉(zhuǎn)速下達(dá)到最大值93.51 dB（A）。結(jié)果顯示該款發(fā)動(dòng)機(jī)聲壓級(jí)值均落在噪聲數(shù)據(jù)庫(kù)范圍內(nèi)，且在4 400 r/min 后的聲壓級(jí)值處于數(shù)據(jù)庫(kù)下限位置，高速噪聲表現(xiàn)優(yōu)秀（見(jiàn)圖10）。

圖10 穩(wěn)態(tài)工況噪聲曲線

3.2 增壓器噪聲分析

在低轉(zhuǎn)速下，各點(diǎn)噪聲存在鼓包，經(jīng)與增壓器振動(dòng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)該噪聲是由增壓器Whoosh 噪聲引起，為發(fā)動(dòng)機(jī)自身噪聲，需要納入噪聲評(píng)價(jià)范圍內(nèi)（見(jiàn)圖11，圖12）。建議可以優(yōu)化增壓器壓氣口避免急彎，增加壁厚降低輻射聲。

圖11 增壓器噪聲頻譜

圖12 增壓器振動(dòng)及聲壓級(jí)曲線

3.3 不同負(fù)荷噪聲分析

不同載荷工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲特征也是不同的，為比較負(fù)荷對(duì)噪聲值及頻率的影響，負(fù)荷從0 增加至100%的過(guò)程中可見(jiàn)，噪聲隨負(fù)荷的降低而降低（見(jiàn)圖13），且隨著負(fù)荷降低，由于增壓壓力的影響，Whoosh 噪聲逐漸消失。負(fù)荷對(duì)頻率段的影響集中在高倍頻段和400～1 600 Hz 倍頻段（見(jiàn)圖14）。隨著負(fù)荷降低，排氣壓力脈動(dòng)導(dǎo)致的增壓器高頻噪聲得以改善，低頻率共振也得以消減（見(jiàn)圖15）。

圖13 不同負(fù)荷下的聲壓級(jí)對(duì)比

圖14 不同負(fù)荷下的1/3 倍頻程對(duì)比

3.4 前端面噪聲分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的主要旋轉(zhuǎn)件均布置在前端面上，階次分析是針對(duì)旋轉(zhuǎn)件噪聲的主要分析手段[5]。噪聲、振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)在時(shí)域上同步采樣計(jì)算，根據(jù)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行階次跟蹤，最終實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速的階次譜分析。根據(jù)噪聲測(cè)試結(jié)果，前端面存在680 Hz、1 100 Hz、3 600 Hz 共振帶，同時(shí)存在20 階、38 階、45.5 階等明顯的階次特征。

利用聲學(xué)陣列定位手段，對(duì)以上噪聲特征進(jìn)行分離。680 Hz 噪聲來(lái)源于皮帶輪惰輪附近，1 100 Hz共振帶來(lái)源于皮帶輪附近，3 600 Hz 共振來(lái)源于前端面中心。

對(duì)階次進(jìn)行定位，20 階來(lái)源于皮帶輪機(jī)油泵附近，38 階來(lái)源于發(fā)電機(jī)附近，45.5 階也來(lái)源于發(fā)電機(jī)附近。

圖15 WOT 與25%WOT 頻譜對(duì)比

根據(jù)旋轉(zhuǎn)件的參數(shù)，可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的零件引起的階次噪聲，20 階為機(jī)油泵10 齒諧次產(chǎn)生。針對(duì)38階、45.5 階噪聲，可以通過(guò)發(fā)電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子、線圈槽數(shù)及滾子軸承個(gè)數(shù)進(jìn)一步分析到更細(xì)的零部件位置。

4 結(jié)論

本文完成了某發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)輻射噪聲的識(shí)別及分析，從臺(tái)架問(wèn)題排查與噪聲分析評(píng)價(jià)得出以下結(jié)論：

1）某發(fā)動(dòng)機(jī)的聲壓級(jí)隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，在額定轉(zhuǎn)速下達(dá)到最大值93.91 dB（A）。發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)隨轉(zhuǎn)速增加而增加，在額定轉(zhuǎn)速達(dá)到最大93.51 dB（A）。該款發(fā)動(dòng)機(jī)聲壓級(jí)均落在噪聲數(shù)據(jù)庫(kù)范圍內(nèi)，且在4 400 r/min 后的聲壓級(jí)處于數(shù)據(jù)庫(kù)下限位置，高速噪聲表現(xiàn)優(yōu)秀。

2）負(fù)荷對(duì)整機(jī)聲壓級(jí)的影響主要體現(xiàn)在中低轉(zhuǎn)速，在高轉(zhuǎn)速的影響較小。負(fù)荷對(duì)頻率段的影響集中在高倍頻段和400～1 600 Hz 倍頻段，隨著負(fù)荷降低，排氣壓力脈動(dòng)導(dǎo)致的增壓器高頻噪聲得以改善，低頻率共振也得以消減。

3）前端面的主要噪聲特征為600 Hz、1 100 Hz、3 600 Hz 共振帶及20 階、38 階、45.5 階噪聲。主要聲源集中在皮帶輪、惰輪、發(fā)電機(jī)、前端蓋中部等位置，可作為噪聲進(jìn)一步優(yōu)化的研究對(duì)象。