景亞兵　劉煥領(lǐng)　林漫群　白　偉　趙鵬輝（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所　天津　300072）

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單缸汽油機(jī)缸頭異響識(shí)別與控制

景亞兵劉煥領(lǐng)林漫群白偉趙鵬輝
（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所天津300072）

摘要：針對(duì)某152QMI單缸汽油機(jī)怠速工況下缸頭部位的異響噪聲，綜合運(yùn)用時(shí)頻分析、聲學(xué)互動(dòng)濾波技術(shù)、階次分析等技術(shù)，分析確定了異響噪聲的來(lái)源及產(chǎn)生機(jī)理。研究結(jié)果表明，該發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭噪聲頻率有三個(gè)峰值頻段：800 Hz以下、1.8 kHz～2.3 kHz和4 kHz～5 kHz，其中1.8 kHz～2.3 kHz為異響頻率范圍，由缸蓋罩共振引起，隔離缸蓋罩振動(dòng)激勵(lì)可有效消除怠速異響。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)胃灼蜋C(jī)異響聲源識(shí)別時(shí)頻分析階次分析噪聲控制

引言

某152QMI單缸汽油機(jī)在怠速工況下，缸頭部位存在明顯的“咔啦咔啦”異響噪聲，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音品質(zhì)，影響了其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。準(zhǔn)確識(shí)別異響噪聲源，有效控制異響噪聲，對(duì)提升該發(fā)動(dòng)機(jī)的聲學(xué)性能具有重要意義。

缸頭噪聲構(gòu)成較為復(fù)雜，包括了燃燒噪聲、氣動(dòng)噪聲、機(jī)械噪聲[1]。該單缸汽油機(jī)體積小，燃燒室、進(jìn)排氣口、配氣機(jī)構(gòu)都集中在缸頭部位，不適宜采用聲強(qiáng)、聲全息、Beamforming等表面輻射噪聲源識(shí)別方法[2]。本文運(yùn)用聲學(xué)互動(dòng)濾波技術(shù)識(shí)別異響特征，結(jié)合時(shí)頻分析，頻譜分析和階次分析等方法識(shí)別異響噪聲源，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，有效地消除了該發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速異常噪聲。

1怠速噪聲測(cè)量與特征分析

1.1噪聲信號(hào)采集

被測(cè)單缸汽油機(jī)如圖1所示，排量125mL，缸徑52.4mm，沖程57.8mm，主要作為踏板摩托車動(dòng)力使用。

使用LMS公司Mobile 01數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，選擇三個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行缸頭噪聲采集，同步采集發(fā)動(dòng)機(jī)表面振動(dòng)（三個(gè)測(cè)點(diǎn)）、氣缸壓力、曲軸轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速信號(hào)。噪聲測(cè)點(diǎn)布置在缸蓋左側(cè)、頂側(cè)、右側(cè)，距缸蓋約10mm。振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置在缸蓋、缸體、箱體部位。具體測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖1　 152QMI發(fā)動(dòng)機(jī)

圖2　聲壓傳感器與振動(dòng)傳感器布置示意圖

試驗(yàn)在半消聲室中進(jìn)行，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，使之在怠速工況（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1200 r/min）穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)油溫度上升到正常工作溫度之后采集各信號(hào)，選用LMS公司的Test.Lab軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集處理，采樣頻率為25.6 kHz，F(xiàn)FT頻率分辨率為1 Hz。

1.2噪聲特征分析

圖3　缸蓋噪聲頻譜分析

對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，得到三個(gè)測(cè)點(diǎn)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)頻譜圖，如下圖3所示。從圖中可以看出三個(gè)測(cè)點(diǎn)的頻率分布特征并不一致：左側(cè)測(cè)點(diǎn)在頻帶1.8 kHz～2.3 kHz有一個(gè)較小的峰值，同時(shí)在800 Hz以下和4 kHz～5 kHz兩個(gè)頻帶內(nèi)聲壓級(jí)也較高；中間測(cè)點(diǎn)在頻帶1.8 kHz～2.3 kHz有一個(gè)明顯的主峰，峰值為65.8dB（A），同時(shí)在800 Hz以下頻帶內(nèi)聲壓級(jí)略高；而右側(cè)測(cè)點(diǎn)頻譜曲線較平緩，在800 Hz以下和4 kHz～5 kHz兩個(gè)頻帶內(nèi)聲壓級(jí)略高。

上述頻譜分析僅得到了噪聲信號(hào)的整體頻譜特征，即該發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭噪聲在800 Hz以下、1.8 kHz～2.3 kHz和4 kHz～5 kHz三個(gè)頻帶內(nèi)聲壓級(jí)較高，沒(méi)有獲得噪聲信號(hào)的局部特性。為識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)噪聲信號(hào)的局部特征，采用基于小波變換[3]的時(shí)頻分析方法對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行分析，并根據(jù)轉(zhuǎn)速算得發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下，一個(gè)工作循環(huán)的周期為0.1 s （60 s/1200 r/min*2 = 0.1 s），截取一個(gè)工作循環(huán)（0.1 s）的時(shí)頻分析結(jié)果，如圖4所示。從圖中可以看出，各測(cè)點(diǎn)能量集中的頻帶與頻譜分析結(jié)果一致，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)工作特征，可以看出頻率在800 Hz以下的噪聲，在發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)工作循環(huán)出現(xiàn)一次，一次持續(xù)約0.05 s（發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一周），初步判斷為進(jìn)排氣噪聲；頻率在1.8 kHz～2.3 kHz內(nèi)的噪聲在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)，初步判斷與結(jié)構(gòu)共振或齒輪等部件高頻嚙合沖擊有關(guān)；而頻率在4 kHz～5 kHz的噪聲，在發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)工作循環(huán)出現(xiàn)四次，具有明顯的間歇性，初步分析為配氣系統(tǒng)等部件間歇敲擊引起的噪聲。

通過(guò)頻譜分析及時(shí)頻分析得到了缸頭噪聲的主要特征，并初步分析了其可能的產(chǎn)生原因，下一步將結(jié)合缸頭噪聲特征，采用聲學(xué)互動(dòng)濾波法對(duì)異響特征進(jìn)行識(shí)別界定，并進(jìn)一步分析確認(rèn)其產(chǎn)生機(jī)理。

圖4　缸頭噪聲小波變換

2異響特征識(shí)別界定

聲學(xué)互動(dòng)濾波法就是利用聲學(xué)濾波軟件對(duì)測(cè)量的聲音信號(hào)進(jìn)行聲學(xué)數(shù)字濾波，再通過(guò)數(shù)字聲卡對(duì)濾波前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，由人組成評(píng)審團(tuán)對(duì)回放聲音進(jìn)行對(duì)比，判斷異響是否消除，從而確定異響噪聲特征[4]。聲學(xué)互動(dòng)濾波法是確定異常噪聲特征的有效手段，本文利用該方法，結(jié)合時(shí)頻分析得到的缸頭噪聲特征，在時(shí)頻域上進(jìn)行濾波回放，來(lái)識(shí)別界定異響噪聲特征。

在時(shí)頻分析基礎(chǔ)上分別濾除時(shí)頻圖中的聲壓級(jí)較高的時(shí)頻區(qū)域，使其聲壓級(jí)接近相鄰區(qū)域的聲壓級(jí)，然后進(jìn)行回放試聽(tīng)并判斷異響是否消除，聲音品質(zhì)是否改善。采用數(shù)字濾波軟件，經(jīng)過(guò)反復(fù)濾波、回放、對(duì)比，最后確定的濾波器主要濾除了頻率在1.8 kHz～2.3 kHz內(nèi)的噪聲峰值。其缸頭中間測(cè)點(diǎn)濾波前后時(shí)頻圖如圖5所示。

濾波前后噪聲信號(hào)的聽(tīng)覺(jué)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果表明：濾波后缸頭異響消失，聲音品質(zhì)顯著改善。從而確定，發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭噪聲中頻率范圍在1.8 kHz～2.3 kHz的連續(xù)噪聲是異響噪聲。

圖5　缸頭中間測(cè)點(diǎn)濾波前后的時(shí)頻圖

3異響噪聲源識(shí)別驗(yàn)證

3.1異響噪聲源識(shí)別

已識(shí)別異響特征，并根據(jù)其時(shí)頻特征初步分析該異響噪聲與結(jié)構(gòu)共振或齒輪等部件高頻嚙合沖擊有關(guān)。結(jié)構(gòu)共振噪聲頻率與共振部件的固有頻率有關(guān)，不隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變；齒輪等嚙合頻率隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高而增加，相應(yīng)的其產(chǎn)生的噪聲頻率也會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的提高而增加。而階次分析[5]可以將頻譜及時(shí)間歷程與旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)起來(lái)，從而識(shí)別頻率是否與轉(zhuǎn)速相關(guān)。因此，可通過(guò)階次分析判斷異響頻率1.8 kHz～2.3 kHz是否與轉(zhuǎn)速相關(guān)，從而判斷其是結(jié)構(gòu)共振引起還是齒輪等結(jié)構(gòu)嚙合引起。

階次測(cè)試采用加速工況，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為1000 r/min～4000 r/min，其他測(cè)試條件與1.1節(jié)相同。

圖6為發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋中間測(cè)點(diǎn)噪聲信號(hào)的階次分析結(jié)果，圖中標(biāo)出了噪聲信號(hào)的前五個(gè)階次，在2 kHz左右，有一條垂直的頻率帶，此頻率帶的顏色隨著轉(zhuǎn)速的增加而逐漸變亮，表示隨著發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的加劇，該頻率段聲音逐漸增強(qiáng)，但是隨著轉(zhuǎn)速的增加，該段的中心頻率無(wú)明顯變化，由此判定1.8 kHz～ 2.3 kHz頻帶的噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，為結(jié)構(gòu)共振引起。對(duì)比圖4中左側(cè)、中間、右側(cè)三個(gè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)頻圖，可以看出中間測(cè)點(diǎn)的異響特征最明顯，1.8 kHz～ 2.3 kHz頻帶的噪聲最突出，因此推斷該測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的缸頭蓋罩是異響噪聲源，其結(jié)構(gòu)共振是產(chǎn)生異響的主要原因。

圖6　階次分析

通過(guò)對(duì)缸壓的角度域信號(hào)分析，結(jié)合上止點(diǎn)位置信號(hào)及配氣相位參數(shù)，可得到各工作循環(huán)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)[6]，與噪聲時(shí)頻特征對(duì)比可判定800 Hz以下和4 kHz～5 kHz這兩個(gè)頻帶的所對(duì)應(yīng)的噪聲源。其中頻率在800 Hz以下的噪聲峰值總是出現(xiàn)在排氣門開(kāi)啟后，并一直持續(xù)到進(jìn)氣門關(guān)閉前，從而確定800 Hz以下頻率帶的噪聲是進(jìn)排氣產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲；頻率在4000 Hz～5000 Hz內(nèi)的噪聲，其峰值總是出現(xiàn)在進(jìn)排氣門開(kāi)啟及關(guān)閉時(shí)刻，從而確認(rèn)該噪聲是配氣系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)引起。

3.2異響噪聲源驗(yàn)證

首先，對(duì)三個(gè)位置的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，如圖7所示。從圖中可以看出，缸蓋罩在1.8 kHz～2.3 kHz頻帶范圍內(nèi)振動(dòng)加速度幅值較高，且該頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)在時(shí)間域上較連續(xù)，與異響時(shí)頻特征一致。

圖7　振動(dòng)小波變換

然后，采用消去法將缸蓋罩拆除，測(cè)得缸頭中間測(cè)點(diǎn)噪聲頻譜，與原始狀態(tài)中間測(cè)點(diǎn)頻譜對(duì)比如圖8所示，從圖中可以看出，1.8 kHz～2.3 kHz頻段內(nèi)噪聲峰值消除，同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)旁通過(guò)主觀感受評(píng)價(jià)：氣門敲擊等缸頭噪聲增加，異響噪聲消除。因此確定異響頻率在1.8 kHz～2.3 kHz，由于缸蓋罩共振引起。

圖8　缸蓋罩拆除前后中間測(cè)點(diǎn)噪聲頻譜

4結(jié)構(gòu)修改驗(yàn)證

對(duì)于缸蓋罩振動(dòng)可通過(guò)隔離振動(dòng)激勵(lì)和優(yōu)化缸蓋罩結(jié)構(gòu)提高共振頻率加以控制。綜合考慮工藝成本等因素，選擇隔離振動(dòng)的措施，對(duì)原缸蓋罩密封墊進(jìn)行改進(jìn)，提高密封墊的隔振效果，缸蓋罩及改進(jìn)后密封墊片如下圖9所示。

圖9　缸蓋罩及改進(jìn)前后密封墊片

圖10　改進(jìn)前后缸頭噪聲頻譜

對(duì)比改進(jìn)前后的缸頭噪聲頻譜圖，如圖10所示，可以看到1.8 kHz～2.3 kHz頻段內(nèi)噪聲峰值顯著降低，同時(shí)主觀評(píng)價(jià)判定異響消除。

因此，本文中通過(guò)改進(jìn)缸蓋罩墊片，隔離振動(dòng)傳遞，有效降低了缸頭蓋振動(dòng)，控制了缸頭異響。

5　結(jié)論

針對(duì)某152QMI單缸汽油機(jī)怠速工況下缸頭部位的異響噪聲，綜合運(yùn)用時(shí)頻分析、聲學(xué)互動(dòng)濾波、階次分析等技術(shù)，分析確定了異響特征，識(shí)別出缸蓋罩共振輻射噪聲是異響產(chǎn)生的源頭，并通過(guò)隔離缸蓋罩振動(dòng)激勵(lì)有效消除異響。

1）運(yùn)用頻譜分析、時(shí)頻分析等方法，識(shí)別某152QMI發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭噪聲特征，得到該發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭噪聲頻率有三個(gè)峰值頻段：800 Hz以下、1.8 kHz～2.3 kHz和4 kHz～5 kHz。

2）通過(guò)聲學(xué)互動(dòng)濾波法識(shí)別出該缸頭異響的特

征，該異響為1.8 kHz～2.3 kHz頻段內(nèi)的連續(xù)噪聲。

3）在時(shí)頻分析基礎(chǔ)上，結(jié)合階次分析、消去法，識(shí)別出異響噪聲源為缸蓋罩，其共振輻射噪聲是產(chǎn)生異響的主要原因。

4）通過(guò)改進(jìn)密封墊片隔離缸蓋罩振動(dòng)，測(cè)試結(jié)果及主觀評(píng)價(jià)均表明該方案有效降低了缸頭蓋振動(dòng)，消除了缸頭異響。

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·綜述·

Abnormal Noise Source Identification and Control of
Cylinder Head for Single Cylinder Gasoline Engine

Jing Yabing，Liu Huanling，Lin Manqun，Bai Wei，Zhao Penghui
Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University（Tianjin，300072，China）

Abstract：For the abnormal noise from cylinder head of 152QMI single cylinder gasoline engine in the idle speed condition，time-frequency analysis，acoustics interaction filtering technique and order analysis were used to analyze and determine the source and the mechanism of the abnormal noise. The research results showed that there were three peak noise frequency spectrums in the noise from the engine cylinder head: 800 Hz below，1.8 kHz - 2.3 kHz and 4kHz - 5 kHz, the spectrum 1.8 kHz - 2.3 kHz was the abnormal noise spectrum，and it was caused by resonance of cylinder head cover, interdicting the vibration motivation to the cylinder head cover could effectively eliminate the idle sound.

Keywords：Single cylinder gasoline engine，Abnormal noise，Noise source identification，Time-frequency analysis，Order analysis，Noise control

收稿日期：（2015-01-04）

文章編號(hào)：2095-8234（2015）03-0071-05

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TK411+.6

作者簡(jiǎn)介：景亞兵（1979-），男，工程師，主要研究方向?yàn)槟ν熊囌駝?dòng)與噪聲。