馬世奇 宋恩棟 宋祥太

(1.上海內(nèi)燃機(jī)研究所,上海 200438;2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心,上海 200438)

0 前言

柴油機(jī)因其良好的排放特性,近年來得到了廣泛應(yīng)用,其振動-噪聲-平順性(NVH)的問題受到了廣泛關(guān)注[1-3]。柴油機(jī)噪聲為寬頻噪聲,頻率成分復(fù)雜,難以通過傳統(tǒng)的A計權(quán)聲壓級來描述人耳對柴油機(jī)噪聲的感受[4]。心理聲學(xué)參數(shù)作為與人的心理、生理特性密切相關(guān)的評價指標(biāo),可以比較準(zhǔn)確地描述人耳聽覺特性,客觀地反映出不同噪聲信號對人耳主觀感受的影響[5-7]。通過分析柴油機(jī)噪聲的心理聲學(xué)參數(shù)可以有效地控制噪聲對人耳的影響,對柴油機(jī)相關(guān)參數(shù)的改進(jìn)具有重要意義。近年來,心理聲學(xué)參數(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于整車噪聲品質(zhì)以及發(fā)動機(jī)噪聲品質(zhì)等領(lǐng)域[8-10]。

本文針對某柴油發(fā)動機(jī)怠速噪聲大的問題,以傳統(tǒng)噪聲評價參數(shù)和心理聲學(xué)參數(shù)對不同標(biāo)定狀態(tài)下的柴油機(jī)怠速噪聲進(jìn)行評價,分析不同標(biāo)定狀態(tài)下的怠速噪聲品質(zhì),找到影響柴油機(jī)怠速噪聲品質(zhì)各參數(shù)的因素,為改善柴油機(jī)怠速噪聲品質(zhì)提供相關(guān)的標(biāo)定建議。

1 柴油機(jī)怠速噪聲測試

試驗以搭載在某皮卡車型上的4缸柴油機(jī)作為研究對象。測試地點在半自由聲場振動和噪聲試驗室里進(jìn)行,環(huán)境溫度控制在25℃,測試過程中試驗室處于封閉狀態(tài),沒有風(fēng)速的影響。測量設(shè)備為LMS公司生產(chǎn)的Test Lab聲學(xué)與振動分析系統(tǒng),采集整車6個位置的輻射噪聲,分別為車內(nèi)主駕右耳處一個測點,發(fā)動機(jī)前后近場2個測點以及車前方距車艙1 m的左、中、右3個測點。

因發(fā)動機(jī)頂面有噴油泵和高壓共軌系統(tǒng)等附件,會導(dǎo)致較大的附件噪聲,且不同標(biāo)定參數(shù)狀態(tài)下聲壓級變化相對明顯,因此選擇發(fā)動機(jī)頂面近場點作為觀測點,其他測點作為參考。因發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化對怠速噪聲的影響較大,會掩蓋其他標(biāo)定參數(shù)對汽車怠速聲品質(zhì)的影響,因此保持怠速轉(zhuǎn)速為800 r/min。選取8個標(biāo)定參數(shù)作為試驗控制因子,每個控制因子設(shè)置3個水平,具體內(nèi)容見表1。

采用正交試驗法L27(38)進(jìn)行試驗,針對每個試驗編號,進(jìn)行3次聲音信號的采集,采樣頻率設(shè)置為40 960 Hz,每次采樣時間長度為7.5 s。

表1 設(shè)計因素及水平表

2 怠速噪聲信號特征提取

心理聲學(xué)把聲音的物理特性與人耳主觀感受聯(lián)系起來,聲品質(zhì)參數(shù)用來描述人耳對噪聲的主觀感覺,屬于心理聲學(xué)的范疇。國內(nèi)外的聲品質(zhì)研究人員普遍采用基于Zwicker心理聲學(xué)理論的聲品質(zhì)評價指標(biāo),包括響度、波動度、粗糙度和尖銳度等。

2.1 響度

將1 000 Hz純音的聲壓級為40 d B時的響度定義為1 sone。響度的計算使用Zwicker法(根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO532B),基于臨界帶寬計算,并對掩蔽效應(yīng)進(jìn)行了修正。計算公式為

式中：ETQ為絕對聽閾下激勵;E0為基準(zhǔn)聲強(qiáng)下激勵;E為聲音激勵;z為臨界頻帶;N'(z)為特征響度;N為總響度。

2.2 尖銳度

尖銳度可理解為聲音頻譜上的重心,即高頻成分與總噪聲的比值。高頻成分增加則尖銳度增加,反之則減少。在以1 000 Hz為中心頻率的帶寬(小于150 Hz)以內(nèi),聲壓級為60 dB的窄帶噪聲定義為1 acum。尖銳度的計算公式為

式中：z為臨界頻帶;N'(z)為特征響度;N為總響度。

2.3 波動度

波動度描述調(diào)制頻率為0.5～20 Hz的聲音變化給人的聽覺感受,定義1000 Hz的純音,聲壓級60 d B,調(diào)制頻率為4 Hz,調(diào)幅100%的信號波動度為1 vacil。計算公式為

式中：L(z)為聲激勵變化量;z為臨界頻帶;fmod為調(diào)制頻率;N'max(z)為特征響度最大值;N'min(z)為特征響度最小值。

2.4 粗糙度

當(dāng)調(diào)制頻率大于20 Hz時,人耳分辨不出每次聲音強(qiáng)度的變化,聽到的聲音是粗糙的。定義1 000 Hz的純音,聲壓級為60 dB,調(diào)制頻率為70 Hz,調(diào)幅100%的信號粗糙度為1 asper。粗糙度用于評價調(diào)制頻率為20～200 Hz的聲音信號,計算公式為

式中：ΔL(z)與式(5)相同;z為臨界頻帶;fmod為調(diào)制頻率。

2.5 噪聲信號特征具體計算方法

本次試驗在提取了響度、波動度、粗糙度和尖銳度4個心理聲學(xué)參數(shù)的同時,還提取了噪聲信號的總A計權(quán)聲壓級。響度的計算依據(jù)ISO 532B的Zwicker法,尖銳度采用DIN 45692的計算方法,波動度和粗糙度為LMS Test Lab軟件的計算方法。

3 測試結(jié)果分析

3.1 不同標(biāo)定狀態(tài)的怠速噪聲特征參數(shù)表現(xiàn)

針對每個試驗編號,進(jìn)行3次該標(biāo)定狀態(tài)下噪聲信號的采集。噪聲信號特征參數(shù)的計算結(jié)果取3次試驗的平均值,具體的計算結(jié)果見圖1。

圖1 怠速噪聲信號特征參數(shù)計算結(jié)果

圖1中試驗19的總聲壓級、響度和粗糙度均為最低值,尖銳度和波動度為中等水平。對應(yīng)的標(biāo)定狀態(tài)為2次噴油量比為1.1、軌壓20 MPa、第一次預(yù)噴時間間隔1 000μs、第二次噴油時間間隔800μs、主噴提前角0°、TVA關(guān)閉85%、EGR閥開度30%、每行程預(yù)噴油量為2.4 mg。

尖銳度最低值所對應(yīng)的試驗是試驗18,對應(yīng)的標(biāo)定狀態(tài)為2次噴油量配比為1.05、軌壓40 MPa、第一次預(yù)噴時間間隔600μs、第二次噴油時間間隔800μs、主噴提前角4°、TVA關(guān)閉5%、EGR閥開度30%、每行程預(yù)噴油量為3.0 mg。

試驗12的波動度值最低,其他噪聲特征參數(shù)處于中等水平。對應(yīng)的標(biāo)定狀態(tài)為2次噴油量配比1.05、軌壓20 MPa、第一次預(yù)噴時間間隔800μs、第二次噴油時間間隔1 000μs、主噴提前角4°、TVA關(guān)閉5%、EGR閥開度30%、每行程預(yù)噴油量為3.6 mg。

3.2 正交試驗分析

利用方差分析選擇對因變量具有顯著影響的因子。使用SPSS軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。因子對目標(biāo)的影響可以通過顯著性水平來評估,設(shè)FA為因子A的F值：若FA≤F0.95(fA,f e'),認(rèn)為因子A對因變量沒有影響;若F0.95(fA,f e')＜FA≤F0.99(fA,f e'),認(rèn)為因子A對因變量有影響,顯著性水平記為“**”;若FA＞F0.99(fA,f e'),認(rèn)為A對因變量有顯著影響,顯著性水平記為“***”。方差分析得分結(jié)果如表2～6所示,表中的e'表示誤差。

表2 總聲壓級方差分析

由表2可知,因子B、C、D、G、H對總聲壓級有影響,且B、G、H的影響顯著。從圖2可以看出,因子G對總聲壓級影響最明顯,對應(yīng)的均值幅值上變化了0.8 dB。

從表3可知,因子B、F、G、H對響度有明顯影響,且在圖3中呈現(xiàn)了不同的變化趨勢,其中因子B對響度的影響最大,幅值變化了2.15 sone。

由表4可知,因子A、B、D、E、F、G對尖銳度有影響,且除因子D外其他因子對尖銳度有明顯影響。從圖4可以看出,因子F對尖銳度影響最大,均值的幅值變化了0.04 acum。

圖2 因子B、C、D、G、H在3個水平上總聲壓級的均值

表3 響度方差分析

圖3 因子B、F、G、H在3個水平上響度的均值

表4 尖銳度方差分析

圖4 因子A、B、D、E、F、G在3個水平上尖銳度的均值

由表5可知,對粗糙度有影響的有因子B、C、G、H,且因子B、G、H對粗糙度有明顯影響。從圖5看出,因子G對粗糙度的影響最大,均值幅值變化了0.12 asper。

表5 粗糙度方差分析

圖5 因子B、C、G、H在3個水平上粗糙度的均值

從表6可以看出,對波動度有影響的只有因子F、G,僅因子G對波動度有明顯影響。由圖6可知,在因子G的影響下,波動度均值幅值變化了0.08 vacil。

針對顯著性水平為“***”的因子,繪制了如圖7所示的正交試驗結(jié)果圖,圖7中向上的箭頭表示因變量隨著因子水平的增加而增大,向下的箭頭表示因變量隨著因子水平的增加而減小。

從圖7可以看出：因子A僅對尖銳度有顯著影響,尖銳度隨A的增加而增大;因子B僅對波動度沒有顯著影響,總聲壓級、響度和粗糙度隨B的增加而增大,尖銳度隨B的增加而減小;因子C和D對因變量沒有呈現(xiàn)顯著影響;因子E僅對尖銳度有顯著影響,且尖銳度隨因子E的增加先減小后增大;因子F對響度和尖銳度有顯著影響,響度隨因子F的增加而減小,尖銳度隨因子F的增加而增大;因子G對所有因變量均有顯著影響,總聲壓級和尖銳度隨因子G的增加而減小,響度和粗糙度隨G的增加先減小后增大,波動度隨G的增加而增大;因子H對總聲壓級、響度和粗糙度有顯著影響,且均隨著H的增加而增大。

表6 波動度方差分析

圖6 因子F、G在3個水平上波動度方差分析

圖7 正交試驗結(jié)果變化趨勢

4 結(jié)論

在正交試驗的8個因子中,軌壓、EGR閥開度和預(yù)噴油量總量對怠速聲品質(zhì)參數(shù)的影響較多,2次預(yù)噴油量配比、主噴提前角和TVA關(guān)閉程度對怠速聲品質(zhì)的影響較少,而第一次預(yù)噴時間間隔和第二次預(yù)噴時間間隔對怠速聲品質(zhì)的影響不顯著。

怠速聲品質(zhì)的優(yōu)化需要根據(jù)車輛的市場定位進(jìn)行,根據(jù)多輛競品車輛的怠速噪聲表現(xiàn)提取相應(yīng)的怠速聲品質(zhì)客觀評價參數(shù),同時需要組織專業(yè)人員對競品車怠速聲品質(zhì)進(jìn)行主觀評價,得到怠速聲品質(zhì)參數(shù)的優(yōu)化目標(biāo)。最后結(jié)合上述結(jié)論,通過對標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,達(dá)到優(yōu)化怠速噪聲聲品質(zhì)的目的。