王永新

（上海匯眾汽車制造有限公司，上海200072）

基于聲強(qiáng)測量的發(fā)動機(jī)噪聲源識別

王永新

（上海匯眾汽車制造有限公司，上海200072）

采用聲強(qiáng)測量分析法測試發(fā)動機(jī)4個包絡(luò)面的聲強(qiáng)，分析了在特定的工況下各包絡(luò)面的聲強(qiáng)分布，從而識別發(fā)動機(jī)各部件的噪聲貢獻(xiàn)和頻率特征，為降低發(fā)動機(jī)的噪聲提供了改進(jìn)的依據(jù)，并給出了改進(jìn)的建議措施。

噪聲源試驗分析聲強(qiáng)測量分析

1 前言

汽車是一個復(fù)雜的噪聲源，發(fā)動機(jī)噪聲是汽車的一個主要噪聲源振動源。為有效控制噪聲，首先必須確定發(fā)動機(jī)噪聲源的分布情況。汽車噪聲分析方法可分為試驗分析方法和模擬計算分析方法。由于汽車噪聲的產(chǎn)生和傳播機(jī)理都比較復(fù)雜，邊界條件難于確定，模擬計算的準(zhǔn)確度有限，常用的還是試驗分析方法。

聲強(qiáng)是沿聲音傳播方向、單位面積通過的聲功率，它不僅能反映噪聲的大小，而且還表示噪聲的輻射方向。聲強(qiáng)測量正是利用聲強(qiáng)的這一特性來分析、識別主要噪聲源，而對來自非測量方向上的噪聲干擾有較強(qiáng)的抗干擾能力[1]?，F(xiàn)代聲強(qiáng)測量采用雙傳聲器法，利用相距很近的2個傳聲器測得聲場中某處相鄰2點(diǎn)的聲壓，用2點(diǎn)聲壓的平均值代表該處聲壓，用兩聲壓之差與傳聲器間距之比代表該處的聲壓梯度在測量方向上的分量。沿3個正交方向在同一處分別測量，則可合成1個分量，得到聲壓梯度[2]。

本文利用聲強(qiáng)測量分析法，在發(fā)動機(jī)試驗臺架上，測量了一臺車用發(fā)動機(jī)4個包絡(luò)面的聲強(qiáng)，分析各包絡(luò)面的聲強(qiáng)分布，從而識別發(fā)動機(jī)各部件的噪聲貢獻(xiàn)和頻率特征，為降低發(fā)動機(jī)的噪聲提供改進(jìn)的依據(jù)。

2 試驗內(nèi)容及方法

2.1 試驗條件

試驗是在一臺4缸自然吸氣車用汽油機(jī)上進(jìn)行的，發(fā)動機(jī)外形尺寸為長×寬×高分別為735×440× 765 mm，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。主要試驗儀器有，聲強(qiáng)測試儀為德國G.R.A.S.公司產(chǎn)品，主要測試聲壓信號，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用SD380動態(tài)信號分析儀，主要用來處理聲壓信號，而聲強(qiáng)分析則采用STAR Acoustics聲強(qiáng)軟件，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其試驗示意圖如圖1所示。

表1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖

2.2 試驗方法

按照GB/T 16404.1—1996《聲學(xué)-用聲強(qiáng)法測定噪聲源的聲功率級-第1部分：離散點(diǎn)上的測量》和GB/T 1859—2000《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)輻射的空氣噪聲測量工程法及簡易法》標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，測量了發(fā)動機(jī)4個表面的聲強(qiáng)，試驗轉(zhuǎn)速為3 500 r/m in，功率為75 kW，模擬車輛在高速公路上行駛工況，車速為120 km/h。試驗時，首先在包括散熱器外廓尺寸長×寬×高分別為1 100×500×800 mm的發(fā)動機(jī)上設(shè)置尺寸為1 200×700×1 000mm的長方體包絡(luò)面，包絡(luò)面距離發(fā)動機(jī)前表面為50 mm、左右表面為100 mm、上表面為100 mm。實測中將各面劃分成100×100 mm的單元格，在每一測點(diǎn)將聲強(qiáng)探頭精確定位，一共布置了392個測點(diǎn)。將發(fā)動機(jī)所有安裝的附件包括在內(nèi)，然后分別測試長方體左、右、上和前4個面的聲強(qiáng)，測量各測點(diǎn)x、y、z三個方向上的聲強(qiáng)，最后處理得到測點(diǎn)的聲強(qiáng)級、聲功率級、等聲強(qiáng)分布圖等結(jié)果。

進(jìn)行噪聲源分析的試驗步驟主要包括以下3個部分：（1）根據(jù)噪聲聲壓的互功率譜，確定主要噪聲頻率；（2）根據(jù)各個面的聲強(qiáng)分布，定量分析主要噪聲頻率的聲源定位；（3）根據(jù)聲源的聲強(qiáng)級和聲功率級的大小，確定各個噪聲源的貢獻(xiàn)。

3 等聲強(qiáng)分布曲線及分析

根據(jù)上節(jié)所給出的試驗方法，得到4個表面的等聲強(qiáng)分布曲線圖，然后對其進(jìn)行分析，找出最大噪聲值及其對應(yīng)的位置，最終確定各個噪聲源及其貢獻(xiàn)率，為進(jìn)一步采取降噪措施提供依據(jù)。

3.1 發(fā)動機(jī)噪聲源曲線圖

首先根據(jù)長方體4個包絡(luò)面得到試驗所需的測點(diǎn)分布，然后得到各測點(diǎn)的集中平均頻譜，如圖2～圖5所示，以及全頻域內(nèi)的等聲強(qiáng)分布曲線圖，如圖6～圖9所示。

圖2 右表面測點(diǎn)集中平均頻譜

圖3 上表面測點(diǎn)集中平均頻譜

圖4 左側(cè)面測點(diǎn)集中平均頻譜

圖5 前表面測點(diǎn)集中平均頻譜

圖6 右表面全頻域內(nèi)等聲強(qiáng)分布圖

圖7 上表面全頻域內(nèi)等聲強(qiáng)分布圖

圖8 左表面全頻域內(nèi)等聲強(qiáng)分布圖

圖9 前表面全頻域內(nèi)等聲強(qiáng)分布圖

3.2 發(fā)動機(jī)主要噪聲源分析

根據(jù)等聲強(qiáng)曲線圖5~圖9，可以得到在各個頻率段上4個表面的主要噪聲源的位置和最大聲強(qiáng)值，如表2至表5所示。

表2 右表面各主要的聲源位置

表3 上表面各頻段的主要噪聲源的位置

表4 左側(cè)面各頻段的主要噪聲源

4 聲功率級及貢獻(xiàn)量分析

在對發(fā)動機(jī)一個面進(jìn)行聲功率計算時，采用的是GB/T 16404.1所推薦的離散點(diǎn)平均測量方法。即將所測量表面離散化，然后在每一部分計算聲強(qiáng)，再乘以相應(yīng)表面積，即可求出每一表面所發(fā)出的聲功率。

單面聲功率級計算公式為：

表5 前表面各頻段的主要噪聲源

式中，

Lw——聲功率級；

Li——聲強(qiáng)級；

s——單元格的面積；

n——測試點(diǎn)數(shù)，右側(cè)面、上表面、左側(cè)面及前表面測試點(diǎn)數(shù)分別為130、104、130和80，其中兩平面交接處的點(diǎn)是重復(fù)的。

按照上式分析計算噪聲源的聲功率，是在分析面上將測點(diǎn)分別歸屬于各個部件，并將各測點(diǎn)所測得的聲強(qiáng)按所歸屬的部件分別取平均值，然后乘以其表面積，得到各零部件的聲功率。求出這些主要零部件的聲功率占整個面的聲功率的百分比，可以得出各個面的主要噪聲源的聲功率排序即聲功率貢獻(xiàn)量。各表面主要噪聲源聲功率及其貢獻(xiàn)度見表5。

表5 各表面主要噪聲源聲功率及貢獻(xiàn)量

5 噪聲源分析

該發(fā)動機(jī)的主要噪聲源為排氣管、機(jī)體、缸蓋、進(jìn)氣口、進(jìn)氣歧管和發(fā)電機(jī)等部件產(chǎn)生的各種噪聲。

1）右表面（排氣管一側(cè)）：此表面對整個發(fā)動機(jī)聲強(qiáng)貢獻(xiàn)度的比例為39%，應(yīng)為主要的噪聲源。其中一個主要噪聲源是排氣管處的高頻燃燒輻射噪聲，聲功率為1 841.27μW，占右表面聲功率的比例為24.12%；其次分別是機(jī)體的輻射噪聲和發(fā)電機(jī)工作產(chǎn)生的噪聲，它們的聲功率分別為1 406.18 μW和889.24μW，占右表面聲功率的比例分別是18.42%和11.65%。

2）上表面：此表面對整個發(fā)動機(jī)聲強(qiáng)貢獻(xiàn)度的比例為2.1%，此表面的聲強(qiáng)貢獻(xiàn)度最小，而且相對比較集中。其中一個噪聲源為缸蓋表面的輻射噪聲和缸蓋內(nèi)部凸輪軸工作時的機(jī)械噪聲，聲功率為165.53μW，占上表面總聲功率的40.1%；其次是進(jìn)氣口的進(jìn)氣氣流噪聲，聲功率為61.48μW，占上表面總聲功率的15.1%。

3）左表面（起動電機(jī)一側(cè)）：此表面對整個發(fā)動機(jī)聲強(qiáng)貢獻(xiàn)度的比例達(dá)到52.3%，聲強(qiáng)貢獻(xiàn)度最大，是采取降噪措施重點(diǎn)考慮的對象。其中一個主要噪聲源為進(jìn)氣歧管內(nèi)部產(chǎn)生的輻射噪聲，聲功率為2 989.62μW，占該表面總聲功率的29.2%；另一個噪聲源是進(jìn)氣噪聲，其產(chǎn)生的聲功率為1 832.68 μW，占總聲功率的17.9%。

4）前表面（散熱器前端）：此表面對整個發(fā)動機(jī)聲強(qiáng)貢獻(xiàn)度的比例僅為6.6%，聲強(qiáng)貢獻(xiàn)度較小，該面由于受到風(fēng)扇的氣流影響，聲源特征不明顯，比較分散。相對較明顯的聲源有2個，第一是進(jìn)水口的噪聲，聲功率為188.39μW，占該面總聲功率的14.55%；其次是助力泵的工作噪聲，聲功率為66.68μW，占該面總聲功率的5.15%。

由于發(fā)動機(jī)臺架與地面距離較近，發(fā)動機(jī)底部由于近場噪聲存在一定的反射作用，在聲強(qiáng)測試過程中對發(fā)動機(jī)底部的聲強(qiáng)值有一定的影響。所以在各面的等聲強(qiáng)分布曲線上，底部的聲強(qiáng)值均相對較大，與噪聲源沒有直接的關(guān)系。

由于風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動，發(fā)動機(jī)前部不能明顯地分析出具體的點(diǎn)聲源的位置，所以在前部的等聲強(qiáng)分部曲線中，可以看出各頻段沒有明顯的聲源位置。只是在中心頻率為56.25 Hz以及118.75 Hz時，各有一個較為明顯的聲源，分別位于進(jìn)氣管進(jìn)氣口和助力油泵位置的前端。前者由于在發(fā)動機(jī)上方受風(fēng)扇的影響較小，所以進(jìn)氣口的聲源特征明顯；后者是助力泵工作噪聲所致。

6 改進(jìn)方法和措施

1）用降噪涂料，增加機(jī)件壁面阻尼。由于該機(jī)體和缸蓋表面的輻射噪聲是主要噪聲源之一，而降低輻射噪聲的方法是增加機(jī)件壁面的阻尼，采用具有高內(nèi)耗性能的高分子材料涂于機(jī)體（如機(jī)體側(cè)壁、缸蓋表面等）表面，可有效降低輻射噪聲。高分子材料如丙烯酸樹脂或有機(jī)硅樹脂或其他材料與環(huán)氧樹脂、填料、防火劑等混合而成的涂料在國內(nèi)己有研究和應(yīng)用，具有一定的降噪效果，該發(fā)動機(jī)機(jī)體和缸蓋表面可以采用此方法[3]。

2）采用局部屏蔽技術(shù)。減少發(fā)動機(jī)某些部件的向外輻射噪聲，其最簡單方法是封閉法。該發(fā)動機(jī)的發(fā)電機(jī)噪聲也是主要噪聲源，因此在該發(fā)電機(jī)上可以采用這種方法，以降低發(fā)電機(jī)的噪聲。

3）采用更好的減振元件。采用效果較好的減振元件來支撐發(fā)動機(jī)及其附件，這樣可以有效地減少結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的噪聲。

7 結(jié)束語

用聲強(qiáng)測量技術(shù)進(jìn)行了某發(fā)動機(jī)表面噪聲源識別。通過聲強(qiáng)測量和分析，可以得出被測包絡(luò)面內(nèi)任意點(diǎn)的聲強(qiáng)值、聲強(qiáng)圖及各點(diǎn)的聲功率排序等，從而可以確定發(fā)動機(jī)主要噪聲源、噪聲源的頻率特征和聲功率排序，找到了發(fā)動機(jī)主要噪聲源來自于凸輪軸殼體、進(jìn)氣歧管和排氣管等處，并給出了降噪的改進(jìn)措施。

試驗研究表明，采用聲強(qiáng)測量技術(shù)能快速、準(zhǔn)確地確定汽車及發(fā)動機(jī)噪聲源的分布情況，適合汽車降噪的工程應(yīng)用。

1《汽車工程手冊》編輯委員會.汽車工程手冊-基礎(chǔ)篇[M].北京：人民交通出版社，2001：357-370，377-391.

2何渝生,鄧兆祥.汽車噪聲控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

3劉吉軒，陳天寧，張升陛等.高分子顆?？紫督Y(jié)構(gòu)材料的吸聲特性研究[J].應(yīng)用聲學(xué)，1996，15（4）.

Identification of Engine Noise Source by Sound Intensity Measurement

Wang Yongxin

(ShanghaiHuizhong Automotive Manufacturing Co.,Ltd.,Shanghai200072,China)

Sound intensity of engine is investigated by sound intensity measurement and analysis methods.Sound intensity distribution in particular situation is analyzed so as to get noise contribution and frequency characteristic,w hich provides guidelines for takingmeasures to reduce noise.Finally som e suggestions on noise reduction are presented.

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來稿日期：2009-04-20

王永新（1972-），男，工程師，主要研究方向為汽車產(chǎn)品認(rèn)證及試驗。