張立，劉愛亮

（浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用工程系，浙江 杭州 310018）

AJR發(fā)動(dòng)機(jī)電控實(shí)訓(xùn)臺(tái)的降噪措施研究

張立，劉愛亮

（浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用工程系，浙江 杭州 310018）

為了避免在教學(xué)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的高噪聲嚴(yán)重干擾教師教學(xué)的尷尬，文章以AJR發(fā)動(dòng)機(jī)電控實(shí)訓(xùn)臺(tái)的工作噪聲為研究對(duì)象，擬建立一套主動(dòng)控制噪聲（ANC）設(shè)計(jì)方法，并依據(jù)該方法設(shè)計(jì)主動(dòng)控制噪聲系統(tǒng)來降低AJR發(fā)動(dòng)機(jī)電控實(shí)訓(xùn)臺(tái)的工作噪聲，達(dá)到改善學(xué)生和教師上課環(huán)境的目的。

AJR發(fā)動(dòng)機(jī)；電控實(shí)訓(xùn)臺(tái)；降噪；主動(dòng)控制

前言

噪聲已經(jīng)成為影響人們身心健康的來源之一，越來越多的技術(shù)被用于降噪。目前常見的降噪技術(shù)主要有主動(dòng)噪聲控制和被動(dòng)噪聲控制，傳統(tǒng)的噪聲控制大多數(shù)都是采用被動(dòng)的控制方法，例如：吸聲降噪——通過吸聲材料或結(jié)構(gòu)使聲能在傳播過程中損失來降低噪聲、隔聲降噪——通過隔聲結(jié)構(gòu)阻止聲波的傳播來降低噪聲、干涉法降低噪聲等。這些方法對(duì)于高頻噪聲效果明顯，但是對(duì)于低頻噪聲效果不如主動(dòng)噪聲控制。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)噪聲控制所需要的成本逐漸下降，ANC技術(shù)也隨之得到了廣泛的應(yīng)用。但是ANC技術(shù)在AJR發(fā)動(dòng)機(jī)電控實(shí)訓(xùn)臺(tái)的應(yīng)用較少見，而AJR發(fā)動(dòng)機(jī)電控實(shí)訓(xùn)臺(tái)帶來的噪聲污染題卻是不容忽視的。文獻(xiàn)[1]指出發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲主要由表面輻射噪聲和空氣動(dòng)力學(xué)噪聲構(gòu)成，表面輻射噪聲又稱為結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲，它包括燃燒噪聲和機(jī)械噪聲。根據(jù)對(duì)AJR發(fā)動(dòng)機(jī)電控實(shí)訓(xùn)臺(tái)的實(shí)測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)AJR發(fā)動(dòng)機(jī)電控實(shí)訓(xùn)臺(tái)的工作噪聲主要集中在兩個(gè)散熱風(fēng)扇上，散熱風(fēng)扇在運(yùn)行時(shí)與周圍的空氣產(chǎn)生摩擦，從而制造了大量的空氣噪聲，當(dāng)風(fēng)扇積灰較多或是環(huán)境溫度低時(shí)，其發(fā)出的噪聲往往會(huì)讓人難以容忍，長期在這種環(huán)境下學(xué)習(xí)僅會(huì)影響工作熱情，還會(huì)對(duì)人體的身體健康造成一定的危害。如果采用傳統(tǒng)的被動(dòng)降噪方法，一方面風(fēng)扇噪聲頻率較低，降噪效果不好；另一方面如果采用一些吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)，會(huì)影響氣流流通，降低散熱性能。選用主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)卻不會(huì)存在這些問題，并能夠取得很好的降噪效果。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源分析

AJR發(fā)動(dòng)機(jī)電控實(shí)訓(xùn)臺(tái)工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲來源是比較復(fù)雜的，盡管通過實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)散熱風(fēng)扇產(chǎn)生的噪聲對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作噪聲的貢獻(xiàn)很大，但有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源的詳細(xì)信息還有待進(jìn)一步明確，如主要次要噪聲源問題、主要噪聲源的頻段、噪聲傳播特性和產(chǎn)生機(jī)理等。文獻(xiàn)[2]指出發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲中占主導(dǎo)地位的是燃燒噪聲，然而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲中占主導(dǎo)地位的是機(jī)械噪聲。為了進(jìn)一步闡明空氣動(dòng)力學(xué)噪聲和結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲的比重，本文以AJR發(fā)動(dòng)機(jī)電控實(shí)訓(xùn)臺(tái)為研究對(duì)象，開展了一系列實(shí)測(cè)研究。

圖1 AJR發(fā)動(dòng)機(jī)電控實(shí)訓(xùn)臺(tái)噪聲測(cè)試環(huán)境

實(shí)測(cè)環(huán)境為半消聲室，如圖1所示，其空間可用結(jié)構(gòu)尺寸為3740mm×3340mm×3150mm，截至頻率80Hz，設(shè)計(jì)背景噪聲 25dB。將 AJR發(fā)動(dòng)機(jī)電控實(shí)訓(xùn)臺(tái)放置在該實(shí)測(cè)環(huán)境中。噪聲測(cè)試工具主要采用聲級(jí)計(jì)和頻譜分析儀。

測(cè)試條件主要依據(jù)有無散熱風(fēng)扇以及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的差異來區(qū)分。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)訓(xùn)臺(tái)噪聲測(cè)試方案及結(jié)果

通過表1的噪聲實(shí)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在散熱風(fēng)扇不工作的前提下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從800r/m增加到4000 r/m時(shí)，其工作噪聲也從85.8dB增加到98.3dB。在散熱風(fēng)扇工作的前提下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從800r/m增加到4000 r/m時(shí)，其工作噪聲也從94.5dB增加到110.7dB。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)，僅僅散熱風(fēng)扇工作就能產(chǎn)生93.6dB的工作噪聲。由此可見，散熱風(fēng)扇對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作噪聲的貢獻(xiàn)最大，其噪聲比重要高于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)其它噪聲源產(chǎn)生的噪聲。本文進(jìn)一步對(duì)是散熱風(fēng)扇的頻譜特性進(jìn)行分析，如圖2所示。由圖可知，散熱風(fēng)扇的噪聲在低頻段聲壓級(jí)高達(dá)120dB，隨著頻率的增加，散熱風(fēng)扇的噪聲聲壓級(jí)則明顯下降，最終穩(wěn)定在 85dB附近。因此，針對(duì)AJR發(fā)動(dòng)機(jī)電控實(shí)訓(xùn)臺(tái)的降噪研究主要應(yīng)該圍繞著散熱風(fēng)扇的低頻段來展開。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇的噪聲頻譜特性分布

2 主動(dòng)控制噪聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

噪聲主動(dòng)控制人為產(chǎn)生一個(gè)聲源，試圖利用該聲源幅值大小與噪聲源相等，但相位相反來達(dá)到消聲降噪目的[3]。空間中任一點(diǎn)在認(rèn)為聲源作用下的噪聲聲壓級(jí)公式如式1所示。

式中EP表示噪聲聲能密度，EPS表示疊加人為聲源后的噪聲聲能密度，β表示振幅比，α表示相位差。當(dāng) β接近 1表示幅值相等，α接近π表示相位相反。

盡管通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源的實(shí)測(cè)分析發(fā)現(xiàn) AJR發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲源主要集中在低頻段，但在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲進(jìn)行主動(dòng)控制時(shí)，一般采用自適應(yīng)濾波技術(shù)，由此構(gòu)建自適應(yīng)噪聲控制系統(tǒng)。自適應(yīng)濾波算法一般采用最小均方誤差算法（LMS），由該算法構(gòu)建的噪聲控制模型如圖3所示。

圖3 基于LMS算法的噪聲控制系統(tǒng)

圖3中x(k)表示任一點(diǎn)噪聲信號(hào)，P(Z)為初級(jí)聲通道（噪聲從任一點(diǎn)到傳聲器）的傳遞函數(shù)，d(k)為經(jīng)過 P(Z)后傳到傳聲器處的聲信號(hào)，y(k)是控制器輸出信號(hào)，C(z)表示次級(jí)聲通道（控制信號(hào)經(jīng)的D/A、功放、揚(yáng)聲器等傳聲器）的總傳遞函數(shù)，s(k)表示經(jīng)過C(z)后達(dá)到傳聲器的聲信號(hào)，w(z)表示自適用LMS濾波器。

假設(shè)控制濾波器為N階，在時(shí)刻k時(shí)可以得到控制器輸出信號(hào)為：

濾波器權(quán)重系數(shù)為：

經(jīng)過濾波后的參考噪聲信號(hào)向量為：30Hz—200Hz之間，且幅值最大為 4.5W；當(dāng)主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)工作時(shí)，噪聲測(cè)試點(diǎn)的功率譜峰值主要分布在 30Hz—200Hz之間，且幅值在 1.5W以內(nèi)。顯然，噪聲主動(dòng)控制效果明顯，降噪幅度達(dá)到了66.7%。

4 結(jié)論

3 結(jié)果分析

圖4 AJR發(fā)動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇的噪聲功率譜分布情況

圖4顯示了AJR發(fā)動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇在主動(dòng)控制噪聲系統(tǒng)工作前后的噪聲功率譜分布情況。從圖中可以看出，在主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)不工作時(shí)，噪聲測(cè)試點(diǎn)的功率譜峰值主要分布在

本文采用主動(dòng)控制噪聲系統(tǒng)來解決 AJR發(fā)動(dòng)機(jī)工作噪聲過高的問題。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，AJR發(fā)動(dòng)機(jī)工作噪聲主要集中在200Hz以內(nèi)的低頻段，通過主動(dòng)控制噪聲系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)66.7%的降噪效果。

[1] 吳清鴿.基于優(yōu)化隨機(jī)聲陳列的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源識(shí)別[D]. 重慶:重慶理工大學(xué),2014.

[2] 鄧江華,顧燦松,劉獻(xiàn)棟.基于聲陳列技術(shù)的汽車噪聲源識(shí)別及貢獻(xiàn)量分析[J].振動(dòng)與沖擊,2010,23（6）：630-635.

[3] 黎旭等.基于 LMS自適應(yīng)濾波的噪聲抵消[J].云南民族學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2000,12(6):35-38.

Research on Noise Reduction Measures of AJR Engine Electronic Control Training Station

Zhang Li, Liu Ailiang
( Department of Application & Engineering, Zhejiang Economic & Trade Polytechnical, Zhejiang Hangzhou 310018 )

Avoiding the high noise of the engine in the course of teaching, this paper takes the work noise of AJR engine as the research object, and proposes a set of active control noise (ANC) design method. According to this method, the active control noise system is designed to reduce the work noise of the AJR engine electronic control training platform, therefore improving the class environment of the students and teachers.

AJR engine; electronic control training platform; noise reduction; active control

U467

A

1671-7988 (2017)21-95-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.033

CLC NO.: U467

A

1671-7988 (2017)21-95-03

張立，男，（1978-），就職于浙江經(jīng)貿(mào)汽車專業(yè)，主要從事小型風(fēng)機(jī)的散熱及降噪研究?；痦?xiàng)目：本項(xiàng)目受2017年度省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)（新苗計(jì)劃）項(xiàng)目（編號(hào)2017R443008）、2016/2017年學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目等資助。