王永新

（上海匯眾汽車制造有限公司，上海200072）

基于聲強(qiáng)測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源識(shí)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(cè)量分析法測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)4個(gè)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(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的噪聲貢獻(xiàn)和頻率特征，為降低發(fā)動(dòng)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(yàn)分析聲強(qiáng)測(cè)量分析

1 前言

汽車是一個(gè)復(fù)雜的噪聲源，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲是汽車的一個(gè)主要噪聲源振動(dòng)源。為有效控制噪聲，首先必須確定發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源的分布情況。汽車噪聲分析方法可分為試驗(yàn)分析方法和模擬計(jì)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(jì)算的準(zhǔn)確度有限，常用的還是試驗(yàn)分析方法。

聲強(qiáng)是沿聲音傳播方向、單位面積通過(guò)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(cè)量正是利用聲強(qiáng)的這一特性來(lái)分析、識(shí)別主要噪聲源，而對(duì)來(lái)自非測(cè)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(cè)量采用雙傳聲器法，利用相距很近的2個(gè)傳聲器測(cè)得聲場(chǎng)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(cè)量方向上的分量。沿3個(gè)正交方向在同一處分別測(cè)量，則可合成1個(gè)分量，得到聲壓梯度[2]。

本文利用聲強(qiáng)測(cè)量分析法，在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上，測(cè)量了一臺(tái)車用發(fā)動(dòng)機(jī)4個(gè)包絡(luò)面的聲強(qiáng)，分析各包絡(luò)面的聲強(qiáng)分布，從而識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的噪聲貢獻(xiàn)和頻率特征，為降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲提供改進(jìn)的依據(jù)。

2 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)是在一臺(tái)4缸自然吸氣車用汽油機(jī)上進(jìn)行的，發(fā)動(dòng)機(jī)外形尺寸為長(zhǎng)×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(yàn)儀器有，聲強(qiáng)測(cè)試儀為德國(guó)G.R.A.S.公司產(chǎn)品，主要測(cè)試聲壓信號(hào)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用SD380動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀，主要用來(lái)處理聲壓信號(hào)，而聲強(qiáng)分析則采用STAR Acoustics聲強(qiáng)軟件，用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其試驗(yàn)示意圖如圖1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2.2 試驗(yàn)方法

按照GB/T 16404.1—1996《聲學(xué)-用聲強(qiáng)法測(cè)定噪聲源的聲功率級(jí)-第1部分：離散點(diǎn)上的測(cè)量》和GB/T 1859—2000《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)輻射的空氣噪聲測(cè)量工程法及簡(jiǎn)易法》標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，測(cè)量了發(fā)動(dòng)機(jī)4個(gè)表面的聲強(qiáng)，試驗(yàn)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(yàn)時(shí)，首先在包括散熱器外廓尺寸長(zhǎng)×寬×高分別為1 100×500×800 mm的發(fā)動(dòng)機(jī)上設(shè)置尺寸為1 200×700×1 000mm的長(zhǎng)方體包絡(luò)面，包絡(luò)面距離發(fā)動(dòng)機(jī)前表面為50 mm、左右表面為100 mm、上表面為100 mm。實(shí)測(cè)中將各面劃分成100×100 mm的單元格，在每一測(cè)點(diǎn)將聲強(qiáng)探頭精確定位，一共布置了392個(gè)測(cè)點(diǎn)。將發(fā)動(dòng)機(jī)所有安裝的附件包括在內(nèi)，然后分別測(cè)試長(zhǎng)方體左、右、上和前4個(gè)面的聲強(qiáng)，測(cè)量各測(cè)點(diǎn)x、y、z三個(gè)方向上的聲強(qiáng)，最后處理得到測(cè)點(diǎn)的聲強(qiáng)級(jí)、聲功率級(jí)、等聲強(qiáng)分布圖等結(jié)果。

進(jìn)行噪聲源分析的試驗(yàn)步驟主要包括以下3個(gè)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(gè)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(jí)和聲功率級(jí)的大小，確定各個(gè)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(yàn)方法，得到4個(gè)表面的等聲強(qiáng)分布曲線圖，然后對(duì)其進(jìn)行分析，找出最大噪聲值及其對(duì)應(yīng)的位置，最終確定各個(gè)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(dòng)機(jī)噪聲源曲線圖

首先根據(jù)長(zhǎng)方體4個(gè)包絡(luò)面得到試驗(yàn)所需的測(cè)點(diǎn)分布，然后得到各測(cè)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(cè)點(diǎn)集中平均頻譜

圖3 上表面測(cè)點(diǎn)集中平均頻譜

圖4 左側(cè)面測(cè)點(diǎn)集中平均頻譜

圖5 前表面測(cè)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(dòng)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(gè)頻率段上4個(gè)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(jí)及貢獻(xiàn)量分析

在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)面進(jìn)行聲功率計(jì)算時(shí)，采用的是GB/T 16404.1所推薦的離散點(diǎn)平均測(cè)量方法。即將所測(cè)量表面離散化，然后在每一部分計(jì)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(jí)計(jì)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(jí)；

Li——聲強(qiáng)級(jí)；

s——單元格的面積；

n——測(cè)試點(diǎn)數(shù)，右側(cè)面、上表面、左側(cè)面及前表面測(cè)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(jì)算噪聲源的聲功率，是在分析面上將測(cè)點(diǎn)分別歸屬于各個(gè)部件，并將各測(cè)點(diǎn)所測(cè)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(gè)面的聲功率的百分比，可以得出各個(gè)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(dòng)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(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)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(gè)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(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)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(duì)比較集中。其中一個(gè)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(shí)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(dòng)電機(jī)一側(cè)）：此表面對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)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(duì)象。其中一個(gè)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(gè)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(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)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(duì)較明顯的聲源有2個(gè)，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(dòng)機(jī)臺(tái)架與地面距離較近，發(fā)動(dòng)機(jī)底部由于近場(chǎng)噪聲存在一定的反射作用，在聲強(qiáng)測(cè)試過(guò)程中對(duì)發(fā)動(dòng)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(duì)較大，與噪聲源沒有直接的關(guān)系。

由于風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)動(dòng)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(shí)，各有一個(gè)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(dòng)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(guó)內(nèi)己有研究和應(yīng)用，具有一定的降噪效果，該發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)某些部件的向外輻射噪聲，其最簡(jiǎn)單方法是封閉法。該發(fā)動(dòng)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(lái)支撐發(fā)動(dòng)機(jī)及其附件，這樣可以有效地減少結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。

7 結(jié)束語(yǔ)

用聲強(qiáng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了某發(fā)動(dòng)機(jī)表面噪聲源識(shí)別。通過(guò)聲強(qiáng)測(cè)量和分析，可以得出被測(cè)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(dòng)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(dòng)機(jī)主要噪聲源來(lái)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(yàn)研究表明，采用聲強(qiáng)測(cè)量技術(shù)能快速、準(zhǔn)確地確定汽車及發(fā)動(dòng)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(cè)》編輯委員會(huì).汽車工程手冊(cè)-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(lái)稿日期：2009-04-20

王永新（1972-），男，工程師，主要研究方向?yàn)槠嚠a(chǎn)品認(rèn)證及試驗(yàn)。