邢俊文， 鮑立群， 張傳清， 樊新海， 趙 耀

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系，北京 100072)

燃?xì)廨啓C(jī)改裝坦克噪聲的測試與分析

邢俊文， 鮑立群， 張傳清， 樊新海， 趙 耀

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系，北京 100072)

坦克噪聲對乘員及戰(zhàn)場安全影響很大，根據(jù)國軍標(biāo)噪聲測量要求，通過對某型燃?xì)廨啓C(jī)改裝坦克的噪聲進(jìn)行實車測試與分析，得出了其車內(nèi)穩(wěn)態(tài)噪聲聲壓級、原地噪聲隱蔽性和車內(nèi)噪聲1/3倍頻程頻譜分布狀況，對研究和降低燃?xì)廨啓C(jī)坦克噪聲具有參考價值。

坦克；燃?xì)廨啓C(jī)；噪聲測試

履帶裝甲車輛行駛路況復(fù)雜，結(jié)構(gòu)特殊，使用的發(fā)動機(jī)功率大，使得其在工作時產(chǎn)生的噪聲高[1-5]。噪聲分為影響車內(nèi)乘員舒適性的車內(nèi)噪聲和以公害形式備受重視的車外噪聲[6]，其中：車內(nèi)噪聲大，乘坐舒適性較差，對坦克戰(zhàn)斗人員的心理和身體會造成很大的不良影響，從而在一定程度上影響戰(zhàn)斗人員的戰(zhàn)斗力；車外噪聲大，在戰(zhàn)場上會降低車輛的噪聲隱蔽性，增大被敵人發(fā)現(xiàn)的概率，降低車輛的生存幾率。國內(nèi)對以柴油機(jī)為動力的坦克噪聲研究已有很多，而對以燃?xì)廨啓C(jī)為動力的坦克噪聲研究則剛剛起步。因此，研究燃?xì)廨啓C(jī)坦克噪聲狀態(tài)具有重要意義。

1 燃?xì)廨啓C(jī)改裝坦克噪聲測試

以某型改裝國產(chǎn)三軸式燃?xì)廨啓C(jī)的主戰(zhàn)坦克為對象，進(jìn)行噪聲的測試與分析，包括3方面內(nèi)容：1)車內(nèi)噪聲測試；2)噪聲隱蔽性測試；3)噪聲頻譜測試。

1.1 試驗條件

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，試驗條件設(shè)置如下。

1) 道路條件：試驗道路為平直、干燥、整潔的水泥混凝土跑道，縱向坡度<1%，道路兩側(cè)30 m內(nèi)均無大的反射物。

2) 車輛條件：試驗前檢查坦克的燃油、機(jī)油、冷卻液使用情況，并按使用標(biāo)準(zhǔn)加注；檢查和調(diào)整坦克的動力裝置、傳動裝置、操縱裝置和行動部分，確保坦克達(dá)到車輛使用技術(shù)條件的要求。

3) 試驗環(huán)境：試驗場地周圍無其他大背景噪聲源；微風(fēng)，聲級計和聲壓傳感器使用防風(fēng)罩，以保證對噪聲測量無影響。

試驗時背景噪聲對噪聲測量有一定影響，背景噪聲可以依照表1進(jìn)行修正。

表1 背景噪聲修正 dB

1.2 試驗儀器

聲級計一部，可直接讀數(shù)，用于測量車內(nèi)、外聲壓級；聲壓傳感器(帶防風(fēng)罩，靈敏度為4.7 mV/Pa；多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(系統(tǒng)采集卡和數(shù)據(jù)采集軟件構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集模塊可實現(xiàn)模擬和頻率信號的采集)；系統(tǒng)采用14 V鋰電池進(jìn)行供電。

1.3 試驗方法

1) 車內(nèi)噪聲測試。坦克停在試驗場地，試驗時坦克門窗關(guān)閉。坦克分別以高壓渦輪最高轉(zhuǎn)速(38 000 r/min)的75%、85%、90%、95%四個不同的轉(zhuǎn)速工況原地發(fā)動，車內(nèi)選駕駛員(測點1)、炮長(測點2)、車長(測點3)3個測點。利用聲級計讀取A聲級，讀數(shù)時，觀測5～10 s，待讀數(shù)沒有明顯變化時再記錄。

2) 噪聲隱蔽性測試。坦克原地發(fā)動，門窗關(guān)閉。發(fā)動機(jī)仍以上述4個不同轉(zhuǎn)速工況穩(wěn)定工作,選車側(cè)、車前、車后3個測點，每個測點距離車23 m。利用聲級計測量不同工況下的A聲級，同時利用聲壓傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和筆記本電腦進(jìn)行不同工況的噪聲數(shù)據(jù)采集。

3) 噪聲的頻譜測試。坦克原地發(fā)動，門窗關(guān)閉。發(fā)動機(jī)仍以上述4個不同轉(zhuǎn)速工況工作，利用聲壓傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和筆記本電腦進(jìn)行車內(nèi)不同乘員位置處的噪聲測試。然后，坦克分別以2、5擋勻速行駛，試驗采樣頻率均為30 kHz。

2 噪聲試驗結(jié)果分析

坦克噪聲強(qiáng)度高，噪聲源復(fù)雜。車內(nèi)噪聲主要是由動力傳動系統(tǒng)振動、發(fā)動機(jī)噪聲和車身結(jié)構(gòu)振動等因素引起[1]。

2.1 車內(nèi)穩(wěn)態(tài)噪聲分析

聲級計測得車內(nèi)噪聲聲壓級結(jié)果見表2。

表2 車內(nèi)噪聲聲壓級測試結(jié)果 dB

試驗時，背景噪聲為43 dB，根據(jù)表1可得所測量噪聲與背景噪聲之差均大于10 dB，因此背景噪聲修正值為0 dB。由表2可見：在4個不同轉(zhuǎn)速工況下，噪聲的變化范圍為90.8～101.1 dB，裝甲車輛車內(nèi)穩(wěn)態(tài)噪聲的允許限值為113 dB(A)[8]，該改裝坦克噪聲符合要求。但是根據(jù)職業(yè)性噪聲暴露和聽力保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 1999的規(guī)定，坦克乘員在此噪聲環(huán)境下的工作時間最好不要超過2 h，否則會對乘員的聽力造成損害,因此為使坦克乘員能夠長時間舒適工作，車內(nèi)噪聲需要進(jìn)一步降低。

坦克原地發(fā)動時，發(fā)動機(jī)噪聲是車內(nèi)主要噪聲源。從表2可以看出:1)對于同一個測點，隨著高壓渦輪轉(zhuǎn)速的增加，測點的噪聲聲壓級均明顯增加；2)對于不同測點、同一轉(zhuǎn)速工況下，測點1、2、3的噪聲逐漸變大。根據(jù)測點的分布以及發(fā)動機(jī)后置的布置形式可知:駕駛員離發(fā)動機(jī)最遠(yuǎn),此處噪聲最小;車長離發(fā)動機(jī)最近,此處噪聲最大。

2.2 原地噪聲隱蔽性測試結(jié)果分析

坦克原地發(fā)動車，外噪聲聲壓級測試結(jié)果見表3。

表3 車外噪聲聲壓級測試結(jié)果 dB

從表3可以看出:在同一工況下，測點1、2的噪聲級相差較??；由于發(fā)動機(jī)后置，測點3發(fā)動機(jī)噪聲明顯高于測點1、2的噪聲。

用聽覺無感覺距離極限值來確定裝甲車輛的噪聲隱蔽性，即在規(guī)定條件下，裝甲車輛的噪聲在多遠(yuǎn)的距離上不被人耳所覺察。裝甲車輛試驗規(guī)程噪聲測量中規(guī)定：在各倍頻程中心頻率上，聽覺無感覺距離極限值計算公式為[9]

(1)

式中:r1為測量距離(從被測車輛到測點的直線距離,m);r2為聽覺無感覺距離(從被測車輛到聽覺無感覺點的直線距離,m);L1為r1上的聲壓級(dB);L2為r2上的聲壓級( 背景噪聲,dB),其取值如表4所示;Ae為噪聲衰減系數(shù)(dB/1 000 m),其取值如表5所示。

原地噪聲隱蔽性測試不同工況下的聲壓電信號，利用Matlab軟件將其轉(zhuǎn)換為聲壓值(Pa)。根據(jù)

表4 L2的取值

表5 Ae的取值

1/3倍頻程的上、下限頻率設(shè)計1個帶通濾波器(1倍頻程是指頻帶的上、下頻率之比為2∶1的頻程，而1/3倍頻程頻帶寬度僅為1倍頻程的1/3)，利用設(shè)計的濾波器得到1/3倍頻程中心頻率范圍內(nèi)的聲壓值，然后利用Matlab軟件計算得到其均方根值Pi(Pa)。各中心頻率倍頻率聲壓級計算公式為[7]

(2)

式中：P0=2×10-5Pa，為基準(zhǔn)聲壓，計算結(jié)果如表6所示。

表6 中心頻率倍頻帶聲壓級 dB

聽覺無感覺距離極限值具體計算方法：在噪聲衰減系數(shù)Ae=0的63、125、250 Hz 3 個中心頻率上，分別從實測倍頻帶聲壓級L1中減去相應(yīng)中心頻率上L2的取值(見表4),即

(3)

取測量距離r1最大差值ΔL代入公式

(4)

求出噪聲在該頻率下的聽覺無感覺距離r2。將式(4)計算的r2值、測量距離r1的值，以及在中心頻率500、1 000、2 000、4 000、8 000 Hz的L2與Ae的取值代入式(1)中，求出在給定聽覺無感覺距離r2后在測量距離r1上應(yīng)有的各倍頻帶聲壓級L1。在同一中心頻率上，將實測的聲壓級L1與其計算值進(jìn)行比較：若實測值都不大于相應(yīng)中心頻率上的計算值，則式(4)求出的r2值即為聽覺無感覺距離極限值；若不滿足上述條件，則適當(dāng)增加r2的值，重新計算，直到滿足上述條件為止[7]。

根據(jù)表6的試驗結(jié)果，按上述方法計算坦克在不同工況下聽覺無感覺距離極限值，其計算結(jié)果如表7所示。

表7 聽覺無感覺距離極限值

由表7可見:坦克以高壓渦輪最高轉(zhuǎn)速原地發(fā)動時，聽覺無感覺距離極限值約為37 km。

2.3 噪聲的頻譜分析

噪聲是由大量不同頻率聲音成分復(fù)合而成，不同頻率成分在噪聲中的作用又有所不同[9]，因此，分析噪聲的頻譜有助于掌握噪聲特征和成因，并為進(jìn)一步降噪設(shè)計提供依據(jù)。

2.3.1 穩(wěn)態(tài)車內(nèi)噪聲頻譜分析

利用Matlab軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，得到1/3噪聲頻譜圖，選取炮長處的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

在保證發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作時，實際能達(dá)到的最低轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速的車內(nèi)炮長處噪聲頻譜分別如圖1、2所示?？梢钥闯?1)發(fā)動機(jī)以最低轉(zhuǎn)速工作時，在50、80、125、400 Hz處均出現(xiàn)了噪聲峰值，并且在6 300 Hz處也出現(xiàn)了較明顯的峰值；2)發(fā)動機(jī)以最高轉(zhuǎn)速時，在50、160、315、500 Hz也出現(xiàn)了明顯的噪聲峰值，隨著頻率的增加,噪聲峰值逐漸趨于平緩，在中高頻處沒有出現(xiàn)明顯的峰值；3)在50 Hz處，圖1、2均出現(xiàn)了較明顯的噪聲峰值，并且峰值出現(xiàn)的頻率位置沒有隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，由此可以判斷這些噪聲峰值主要是由旋轉(zhuǎn)件(如旋轉(zhuǎn)軸和渦輪轉(zhuǎn)子)旋轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生的噪聲；4)在6 300 Hz處,圖1出現(xiàn)了較明顯的峰值，而隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，圖2高頻處沒有出現(xiàn)明顯的峰值，根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理，此峰值應(yīng)為氣流與排氣道結(jié)構(gòu)件共振所產(chǎn)生,當(dāng)高壓渦輪超過該轉(zhuǎn)速后，高頻噪聲強(qiáng)度減弱，影響減小，此時低中頻段的燃燒噪聲和零部件碰撞，旋轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生的噪聲在車內(nèi)噪聲中占主導(dǎo)地位。

圖1 高壓渦輪轉(zhuǎn)速28 500 r/min時車內(nèi)炮長處噪聲頻譜

圖2 高壓渦輪轉(zhuǎn)速36 100 r/min時車內(nèi)炮長處噪聲頻譜

2.3.2 坦克行駛時車內(nèi)噪聲頻譜分析

圖3為坦克以5擋勻速行駛時的車內(nèi)噪聲頻譜圖?？梢钥闯觯?)行駛時車內(nèi)噪聲峰值主要出現(xiàn)在8、25、63、125 Hz，聲能量主要集中在這一頻段內(nèi);2)隨著頻率的增加，中頻段的聲能量衰減很快，在630 Hz處出現(xiàn)了噪聲峰值,1 000 Hz之后的聲能量衰減趨于平緩;3)車輛行駛時與車輛穩(wěn)態(tài)時相比，聲能量主要集中在低頻段，并且行駛時車內(nèi)噪聲聲壓峰值明顯高于穩(wěn)態(tài)時的車內(nèi)噪聲峰值。

圖3 坦克5擋行駛時車內(nèi)炮長處噪聲頻譜圖

坦克行駛時，履帶與地面、主動輪、誘導(dǎo)輪、拖帶輪之間的碰撞，以及行動系統(tǒng)對車體的動態(tài)激勵產(chǎn)生的低頻噪聲是車內(nèi)的主要噪聲源，而發(fā)動機(jī)噪聲相對較小，是車內(nèi)噪聲第2噪聲源。針對車內(nèi)噪聲源及噪聲傳播路徑，可以在動力艙與炮塔之間增加隔聲板，由于車內(nèi)噪聲主要是低頻噪聲，低頻噪聲的吸聲材料沒有很好的吸聲效果，只有通過增大吸聲材料的厚度，才能改善對低頻噪聲的吸收效果。

3 結(jié)論

1) 燃?xì)廨啓C(jī)改裝坦克后，車內(nèi)噪聲最大值為101.1 dB(A)，滿足裝甲車輛噪聲使用要求。

2) 燃?xì)廨啓C(jī)改裝坦克原地發(fā)動時，聽覺無感覺距離極限值約為37 km，車外噪聲隱蔽性差，需要進(jìn)行降噪處理。

3) 靜態(tài)時，與柴油機(jī)坦克相比，燃?xì)廨啓C(jī)坦克車內(nèi)最大噪聲降低了4 dB，車內(nèi)最小噪聲提高了10 dB[2]，且車后噪聲最高，駕駛室內(nèi)噪聲最低。針對噪聲分布，重點對燃?xì)廨啓C(jī)排煙裝置進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，以有效減小車外噪聲。

4) 在坦克行駛過程中，行動噪聲強(qiáng)于燃?xì)廨啓C(jī)噪聲，降噪需要綜合處理。

[1] 趙新樂，陳光，肖作江，等.履帶式車輛內(nèi)部噪聲特性分析[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，26(5):562-565.

[2] 駱清國，張永峰，牛小波.某型履帶車輛穩(wěn)態(tài)噪聲的分析與控制[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報，2004，18(4)：9-11.

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[8] GJB 2935-97 裝甲車輛車內(nèi)噪聲允許限值[S].

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(責(zé)任編輯:尚菲菲)

Analysis and Test of Noise from Gas Turbine Modified Tank

XING Jun-wen, BAO Li-qun, ZHANG Chuan-qing, FAN Xin-hai, ZHAO Yao

(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

The noise from tank affects the crews and safety very much. Based on the requirement of national military standard, analysis and test of the noise status from a type of gas turbine modified tank are conducted, the steady-state noise pressure level inside the tank, the noise hidden capacity on the spot and the noise third-octave band frequency spectrum distribution in the tank are obtained, which has a reference value for the study and reduction of noise from the gas turbine tank.

tank; gas turbine; noise test

1672-1497(2015)02-0052-04

2014-10-20

邢俊文(1969-)，男，副教授，博士。

TJ811

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.02.010