吳智勇 鄭偉光

1. 湖北新楚風(fēng)汽車股份有限公司 湖北隨州 4413002. 湖北省專用汽車研究院 湖北隨州 441300

1 前言

隨著我國公路里程與道路垃圾的不斷增加，洗掃車在城市治理道路整潔方面的作用也越來越突出[1]，但洗掃車在工作過程中產(chǎn)生的噪聲較大，已成為城市的主要噪聲污染源之一。本文以降低車外噪聲為目標(biāo)，參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 1495-2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》以及GB/T 14365-2017《聲學(xué) 機(jī)動車輛定置噪聲聲壓級測量方法》，對某公司新研制的罐式洗掃車的噪聲進(jìn)行測試與聲源診斷[2]。

罐式洗掃車是垃圾廂結(jié)構(gòu)為罐式結(jié)構(gòu)的一種新型洗掃車，罐式結(jié)構(gòu)垃圾廂與傳統(tǒng)廂式結(jié)構(gòu)垃圾廂相比具有成型簡單、強(qiáng)度高、垃圾易傾卸無殘留的優(yōu)點。通過測試樣車在不同工況下的噪聲及振動情況，確定主發(fā)動機(jī)、副發(fā)動機(jī)、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)及洗掃機(jī)構(gòu)等各部件噪聲對整車的能量貢獻(xiàn)及其主次順序，獲得該樣車的主要噪聲源，為科學(xué)地進(jìn)行噪聲控制提供依據(jù)[3]。新型罐式洗掃車如圖1所示。

2 測試設(shè)備與方案

2.1 測試設(shè)備

圖1 某型罐式洗掃車

測試采用的設(shè)備有LMS前端及測試分析系統(tǒng)、常溫三軸加速度傳感器、高溫單軸加速度傳感器、麥克風(fēng)傳感器（含電荷放大器、風(fēng)罩），如表1所示。

2.2 測設(shè)方案

測試中各傳感器的布置如圖2所示。其中，矩形1、3、5、8、9、10、11、13為傳聲器，圓形2、4、6、7、12、14、15為加速度傳感器。

表1 測試的主要設(shè)備

圖2 傳聲器和傳感器的布置

測試工況如表2所示。

表2 測試工況表

3 罐式洗掃車噪聲識別及其頻譜分析

3.1 評價點的選取

對于每一種測試工況，為排除環(huán)境因素干擾，選取評級點總聲壓級的中位數(shù)為測試數(shù)據(jù)組進(jìn)行分析。各工況下左、右評價點及背景噪聲聲壓級如表3所示。

表3 各工況下左右評價點及背景噪聲聲壓級（A）

由表3可知：

a. 當(dāng)洗掃車處于工況1（僅開啟主發(fā)動機(jī)）時，評價點處的噪聲最小，此時比工況0（環(huán)境噪聲）高出20 dB以上。因此，測試結(jié)果滿足國標(biāo)GB/T 14365-2017中高出背景噪聲10 dB的要求；

b.除開工況5（開蓋工況）外，工況4下洗掃車的總聲壓級最大。

因此，在進(jìn)行近場聲源頻率特性分析時，以工況4的左右評價點噪聲頻率峰值作為目標(biāo)頻率，并結(jié)合其他工況與近場數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。工況4左右評價點倍頻程圖如圖3所示。

圖3 工況4的左右評價點倍頻程圖

根據(jù)圖3可知，左評價點的總聲壓級較大。通過計算可得：左評價點處各頻段噪聲能量占比如表4所示。

表4 工況4下洗掃車左評價點各頻段噪聲能量占比

工況4左評價點處的功率譜密度圖如圖4所示，主要噪聲頻率有32.5 Hz、48.25 Hz 、62.5 Hz、100.5 Hz與667.25 Hz。

圖4 工況4左評價點功率譜密度圖

3.2 基于分步運轉(zhuǎn)法的各部件主要噪聲源排序

洗掃車的分步運轉(zhuǎn)法噪聲診斷首先需測試得到所有裝置裝備同時運轉(zhuǎn)時（即洗掃車全洗掃——工況4）的評價點總聲壓級。關(guān)閉風(fēng)機(jī)及洗掃系統(tǒng)，測試單獨運轉(zhuǎn)主副發(fā)動機(jī)時（工況2）左右評價點總聲壓級。然后，運用分步運轉(zhuǎn)法原理并結(jié)合洗掃工況下總聲壓級，采用式(1)的聲級減法公式得到風(fēng)機(jī)及洗掃系統(tǒng)噪聲總聲壓級。再關(guān)閉副發(fā)動機(jī)，測試單獨運轉(zhuǎn)主發(fā)動機(jī)時（工況1）左右評價點總聲壓級，并結(jié)合主副發(fā)動機(jī)同時運轉(zhuǎn)下總聲壓級，采用式（1）聲級減法公式便可得到副發(fā)動機(jī)噪聲總聲壓級[4]。

運用分步運轉(zhuǎn)法得到的主發(fā)動機(jī)、副發(fā)動機(jī)、風(fēng)機(jī)及洗掃機(jī)構(gòu)三個噪聲源的噪聲排序如表5所示。

表5 基于分步運轉(zhuǎn)法噪聲源排序

3.3 基于相干分析法的傳遞路徑與能量貢獻(xiàn)

洗掃車各噪聲源之間的相關(guān)性明顯，所以在相干分析的基礎(chǔ)上，利用偏相干法可以獲取洗掃車外部評價點處空氣噪聲源的影響貢獻(xiàn)因子[5-6]。各主要測點在主要峰值頻率內(nèi)的偏相干系數(shù)列于表6。

3.4 基于頻譜分析法的風(fēng)機(jī)噪聲特性分析

基于表6分析可知：全洗掃工況（工況4）下，洗掃車的主要噪聲源是風(fēng)機(jī)出口處。

表6 洗掃車左評價點處噪聲在峰值頻率下的貢獻(xiàn)系數(shù)

圖5 工況4下風(fēng)機(jī)出口處自功率譜密度圖

由圖5可知：該工況下，風(fēng)機(jī)出口處的主要噪聲峰值頻率為62.5 Hz、100.5 Hz以及667.25 Hz，對應(yīng)頻段分別為63 Hz、100 Hz與630 Hz，總能量占比超過80%。結(jié)合風(fēng)機(jī)噪聲特性可初步判斷62.5 Hz與100.5 Hz噪聲為渦流噪聲；667.25 Hz為風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)噪聲。

3.5 頻率點噪聲分析

3.5.1 頻率點62.5Hz噪聲分析

擬通過改變風(fēng)機(jī)出口氣流方向，來確定62.5Hz噪聲的具體來源?？紤]風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了出風(fēng)口轉(zhuǎn)接頭來改變出口處的氣流方向，且轉(zhuǎn)接頭可另接橡膠水帶。

對原始測試數(shù)據(jù)、僅安裝轉(zhuǎn)接頭測試數(shù)據(jù)、安裝轉(zhuǎn)接頭和延長管測試數(shù)據(jù)，選取工況4（即全洗掃工況）左評價點1/3倍頻程譜圖、氣流出口功率譜密度圖進(jìn)行三種安裝狀態(tài)的對比，如圖6、7所示。風(fēng)機(jī)出口安裝轉(zhuǎn)接頭后，評價點處63 Hz頻段噪聲大幅降低了13.37 dB(A)，因此可知63 Hz頻段噪聲應(yīng)為氣流沖擊風(fēng)機(jī)出口附近其他機(jī)械結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的再生渦流噪聲；在加裝橡膠延長管后，高速氣流被完全導(dǎo)出使得車內(nèi)不存在氣流沖擊效應(yīng)，左評價點63Hz頻段噪聲相較于僅安裝轉(zhuǎn)接頭時下降了7.85 dB(A) ，從而進(jìn)一步驗證了結(jié)論的正確性。

圖6 左評價點1/3倍頻程譜圖

圖7 氣流出口功率譜密度圖

3.5.2 頻率點100.5 Hz噪聲分析

為驗證100.5 Hz噪聲是否為風(fēng)機(jī)內(nèi)部渦流噪聲，設(shè)計了薄壁金屬引流管將風(fēng)機(jī)出口氣流引到車后方，將風(fēng)機(jī)出口處麥克風(fēng)布置在引流管出口處，并在引流管外壁布置單軸加速度傳感器，按照原測試方案測試安裝引流管后的振動噪聲信號。

洗掃車全洗掃工況時，左評價點處噪聲信號1/3倍頻程譜圖在安裝引流管前后對比如圖8所示。安裝延長管后，評價點處僅63 Hz頻段噪聲降低較多；100 Hz頻段噪聲同安裝轉(zhuǎn)接頭試驗結(jié)果的趨勢相近，進(jìn)一步驗證了該頻段噪聲并非風(fēng)機(jī)出口處氣流沖擊其他機(jī)械結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生。

圖8 左評價點處噪聲信號1/3倍頻程譜圖

由圖9、10可知，安裝延長引流管之后，引流管表面存在100 Hz的振動峰值，而風(fēng)機(jī)殼體上振動沒有該頻率的峰值，表明延長引流管上100 Hz峰值是由風(fēng)機(jī)氣流激勵而產(chǎn)生，而非由風(fēng)機(jī)殼體振動傳遞而產(chǎn)生（非機(jī)械噪聲）。

圖9 金屬管表面加速度信號

圖10 風(fēng)機(jī)進(jìn)口、殼體Z方向加速度信號

圖11 加裝引流管后膠管口噪聲信號

布置于延長引流管表面的加速度傳感器的自功率譜密度圖如圖11所示：在管出口處僅存在103.75 Hz與678.75 Hz的噪聲峰值。綜上所述，可判斷100.5 Hz頻段為風(fēng)機(jī)內(nèi)部葉片處產(chǎn)生的渦流噪聲。

3.5.3 頻率點667.25Hz噪聲分析

結(jié)合圖4、5、9、11可知，667.25 Hz噪聲頻率（隨工況和被測對象狀態(tài)不同有小范圍頻率偏移）總能在氣流出口和評價點處的測試數(shù)據(jù)中呈現(xiàn)單一峰值，來源于風(fēng)機(jī)內(nèi)部的氣動噪聲。根據(jù)風(fēng)機(jī)噪聲特性，可知630 Hz頻段的噪聲為與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)的旋轉(zhuǎn)頻率噪聲。

4 噪聲源識別結(jié)果分析

通過一系列的測試與分析，洗掃車在洗掃工況下主要噪聲源信息及其控制措施如表7所示。

由表7可知，洗掃車主要噪聲源依次為風(fēng)機(jī)出口氣流再生噪聲、風(fēng)機(jī)內(nèi)部流體的渦流噪聲及風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率噪聲，其噪聲能量占總聲能量的80%以上，因此，研究風(fēng)機(jī)排氣系統(tǒng)及其消聲器是控制洗掃車整車噪聲的主要手段。

5 結(jié)語

本文以某洗掃車為研究對象，通過噪聲測試與聲源識別，得到以下幾點結(jié)論：

a.分步運轉(zhuǎn)法是確定復(fù)雜系統(tǒng)噪聲源能量狀況的有效方法，本文采用分步運轉(zhuǎn)法得到了洗掃車的主要噪聲源為風(fēng)機(jī)噪聲；

b.通過頻譜分析與偏相干分析，得到了洗掃車風(fēng)機(jī)噪聲的頻率特性及產(chǎn)生的原因，并確定了各主要噪聲頻率的來源及能量占比；

c.洗掃車噪聲源識別結(jié)果表明，研制高性能的風(fēng)機(jī)排氣消聲系統(tǒng)、改善風(fēng)機(jī)出口的流場特性是降低洗掃車噪聲的主要手段。

表7 洗掃車主要噪聲源及控制方案