应用声强测试技术对发动机噪声源识别的研究

２００７年１月　农机化研究　第１期　应用声强测试技术对发动机噪声源识别的研究　谢裕智　，徐凌　，李捷辉　，赵哲　，黄国或。　（Ｉ．江苏大学汽车与交通工程学院，江苏　镇江　２１２０１３；２．南通大学机械学院，江苏南通　２２２００７；　３．扬州柴油机有限责任公司，江苏扬州　２２５００９）　摘　要：通过对一台增压柴油机的噪声进行声强测试，将测试得到的数据用ＳＴＡＲＡｃｏｕｓｔｉｔｓ声强软件进行　处理和分析，得出发动机各个包络面的等声强分布、声强矢量分布和声功率的计算结果；利用这些结果着　重分析和识别了该发动机的主要噪声源，确定了其噪声源的位置、主要噪声频率成分和声功率的贡献，为　降低发动机噪声提供了改进依据。结果表明，通过与９点法试验结果的定性比较，能够更准确地判断噪声　源的位置及其频率分布。　’　　．关键词：自动控制技术；声强测试；应用；噪声源识别；等声强图；声强矢量　中图分类号：ＴＰ２７４　．５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—１８８Ｘ（２００７）０１ｍ０１９３—０４　０　引言　的测量就较为复杂。质点速度可以由两个相隔很近　的传声器测量出的压力梯度来决定。上述双传声器　随着“绿色设计”的兴起和人们环保意识的增　技术称之为有限差分估计。欧拉方程本质上是牛顿　强，噪声控制已成为汽车行业的一个重要课题。要　第二定律（Ｆ＝瑚）在流场的应用。欧拉方程为　降低内燃机噪声，必须找到内燃机的主要噪声源，　１　＝　即找出主要噪声源的位置或部件，然后采取相应的　删ｐ　（２）　Ｐ　减振降噪措施，才能够收到预期的降噪效果…。　式中　ｎ一加速度；　声音的物理度量常用声压、声功率和声强表示。　Ｐ一流体密度；．　声压是标量，通过它难以找出噪声源的方向和位置；　倒　一压力梯度。　声功率的测量则需要在价格昂贵的消声室中进行；　一维声场中，质点速度可以表示为　而声强是矢量，它能反映声场中某点声能的大小及　：　（３）　其流动方向　。声强法测量近声场可以迅速得出发　优Ｐ　ｄｒ　宴　动机各部分辐射噪声的分布情况，并准确、快速地　即　一　宴ｄｆ。Ｐ　ｄｒ　　（４）　分析出主要噪声源。用声强法来定位噪声源，其结　果比用声压法测量得到的数据更可靠　。　有限差分估什如图１所示。在图１中压力梯度　可以近似地看成是两个传声器的压力差除以它们之　１　声强测试的基本原理　间的距离，这就是有限差分估计。因此，欧拉方程　声强是垂直于声波传播方向的单位面积上单位　质点速度估计为　时间内通过的声能。声强的大小和方向可以用下面　：一　ｄｆ　（５）　基本等式来定义，即　Ｐ’△　平均压力　・　为　，，：　（１）　ｐ：下ＰＡ＋Ｐ８　（６）　式中Ｐ一被测点的声压；　“一质点被测方向的速度。　以时间为变量的声强表达式为　此等式描述了被测声场中声压和声速的关系。　，＝　＝一警　ｄｒ　（７）　用单个传声器就可以测量一点的声压，而质点速度　本试验运用了ＳＴＡＲＡｃｏｕｓｔｉｃｓ声强软件，通过　互功率谱得到声强。此技术是将双传声器采集的数　收稿日期：２００６—０６—２１　．　作者简介：谢裕智（１９８０一），女，江苏南通人，江苏大学在读硕　据进行快速傅氏变换，得到两传声器声压的互谱，　士，（Ｅ－ｍａｉ１）Ｘｉｅｙｕｚｈｉ０６０６＠Ｉ６３．ｃｏｍ。　以下是以频率，为变量的表达式　・”为　．．１９３．．　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００７年１月　农机化研究　第１期　薹　虚部。　㈣　输出的双通道声压信号进行频谱分析，得到压信号，用ＳＤ３８０动态信号分析仪对声强仪放大器　０～　上式中，Ｉｍ（Ｇ＾。）是双传声器声压信号互谱的　５０００Ｈｚ频率范围内的互功率谱数据，通过ＳＤ３８０动　态信号分析仪和电脑之间的接口将数据传送到　ＳＴＡＲＡｃｏｕｓｔｉｃｓ声强软件里进行处理和分析。　３发动机噪声源识别　３．１　对发动机等声强图及声强矢量图的分析　用ＳＴＡＲＡｃｏｕｓｔｉＣＳ声强分析软件对测试得到的　互谱数据进行计算和分析，就可得到测量面内任意　点的声强以及测量面上的等声强图和声强矢量图。　。口　Ｍ　ｉｃ　下面以左侧面标定工况下等声强图为例来分析噪声　源的分布情况。发动机左侧通实物图及等声强线图，　如图３所示。　图１有限差分估计　２发动机声强测试系统及测试方法　２．１　发动机声强测试系统　试验使用的声强测试系统，如图２所示。其中，　声强测试仪采用丹麦Ｇ．Ｒ．Ａ．ｓ公司的５０ＡＩ型，包括　两只声强探头４０ＡＩ及前置放大器２６ＡＡ等部件。试　验时声强探头采用了面对面布置的方式，距离被测　表面３０ｃｍ。对于对置式的探头，其间距是用一段和　（ａ）实物图　传声器直径相同的圆柱体来保证，此次试验选取间　距为１２ｍｍ。圆柱体使被测的声音只能通过传声器保　护罩周边的窄槽对膜片起作用，这样就使两传声器　声学中心的距离得到精确的保证，以提高测量精度，　这正是对置式探头的优点之一　。　厂———］　ＳＤ８８０动态　ｒ　分信析号仪　　ＳＴＡＲＡ电Ｃ脑　ｏｕｓｔｉｃｓ　—＿＿－　声强分析　网．．　ＡＡＢ通／Ｄ　道　软件　Ｉ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．＿－Ｊ　图２互功率谱　声强测试装置图　２．２发动机声强测试方法　’　试验发动机为一台四缸、直列、水冷、增压中　冷、四冲程直喷式柴油机，外形尺寸长Ｘ宽Ｘ高为　８００ｍｍ　Ｘ　６８０ｍｍ　Ｘ　７００ｍｍ，压缩比为１７：１，缸径×行　程为１０２ｍｍ×ｌＯＳｍｍ，最大扭矩及相应转速分别为　３ＩＯＮ・ｍ和１８００ｒ／ｍｉｎ，标定功率及相应转速分别为　８ｉｋＷ和２９００ｒ／ｍｉｎ。在进行表面声源识别时，尽可能　包络各主要辐射部件。试验时，在距离发动机表面　３０ｃｍ的５个包络面上均匀地划分出测量网格，上方　布置了５６个测点，前端９８个，左端和右端各１０５　个。试验时在标定工况下测量３个方向的双通道声　．．１９４．．　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００７年１月　农机化研究　第１期　外，油底壳的声功率为８８５．６５ｇＷ，占８．２７％。机油　滤清器的声功率为７５９ｇＷ，占７．１８％。进气管的声　功率为５４０ｇＷ，占５．１１％。因此，被测发动机左侧　面的主要噪声源是喷油泵、机体、机油滤清器、油　底壳及进气管。　３．３与发动机１，３倍频程图的对比分析　为了验证声强分析得出的结论，在消声室对该　发动机机体和油底壳处进行了标定工况下的近场声　压级测量，并进行了１／３倍频程分析。图４所示分　别为机体、油底壳及喷油泵近声场的１／３倍频程图。　从图４中可看出，声压级都对应有两个峰值点，其　中心频率分别对应在ｌＯＯＨｚ和６３０Ｈｚ处，这与声强　分析时图３（ａ）、图３（ｆ）相一致。因此，进气歧管和　油底壳是被测试柴油机的重要噪声源。另外，在图　４（ａ）中，在中心频率２５００Ｈｚ处还有一峰值，根据分　析，是燃烧噪声引起的；图４（ｃ）中的声压级峰值位　于中心频率１６００Ｈｚ处，是喷油泵噪声引起的。这与　后面噪声源识别的结论是一致的。　Ｉ／３倍顿程中心频率／Ｈ　（ｇ）全频域　（ａ）机体近声场　图３　发动机左侧面实物图及等声强图　在图３中，（ｂ）～（ｆ）为单一频率下的等声强图，　（ｇ）为全频域下的等声强图。从（ｂ）～（ｆ）可以看出，　频率在９３．７５Ｈｚ处对应的主要噪声是进气噪声；频　率３６２．５Ｈｚ处机体噪声明显；４１２．５Ｈｚ及１６００Ｈｚ处　对应的主要噪声源是喷油泵；６３１．２５Ｈｚ处对应的主　要噪声来自于油底壳位置。从图（ｇ）可以看出，全频　域上，喷油泵、油底壳对发动机左侧面噪声的贡献　１／３倍顿程中・ｆ，－频率／Ｈｚ　尤为突出，其次是机油滤清器以及进气管。　（ｂ）油底壳近声场　３．２噪声源的声功率分析　试验后分析声功率，是在分析面上将测点分别　归属于各个零部件，并将各测点所测得的声强按所　归属的零部件分别取平均值，然后乘以其表面积，　得到各零部件的声功率。分析标定工况下左侧面噪　声可以看出，喷油泵的声功率为３７０１．９３ｇＷ，占左侧　面总声功率的３５．０４％，对左侧面噪声的贡献最大。　机体的面积较大，因此对噪声的影响也较大，其声　（Ｃ）喷油泵近声场　功率为９７３．７ｌｇＷ，占左侧面总声功率的９．２１％。另　图４　１／３倍频程频谱图　．．１９５．．　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００７年１月　３．４发动机噪声源识别结果　农机化研究　第１期　内任意点的声强值、用户自定义频段内的等声强图　及声强矢量图、各点的声功率排序等，从而可以确　定发动机主要噪声源、噪声源的频率特征和声功率　排序。　应用上述噪声源分析方法，对试验发动机的前　端面、左侧面、右侧面、顶面分别进行噪声源识别，　识别的结果如表１所示。　表１　发动机各被测表面的噪声源识别　３）鉴于以上分析结果，该试验发动机的主要噪　声源为喷油泵、机体、油底壳和进气管。　参考文献：　郝志勇，韩　军．车用发动机主要噪声源的声强测　试方法研究［Ｊ］．内燃机工程，２００４，２５（２）：１５－１７．　朱才朝，秦大同，秦少波，等．声强测试技术在摩托　车噪声控制中的应用［Ｊ］．汽车工程，２００２，２４（５）：　３９５——３９７　ＨＥ　Ｚｕｏ—ｙｏｎｇ，ＨＥ　Ｙｕａｎ—ａｎ，ＳＨＡＮＧ　Ｄｅ—Ｊ　ｉ　ａｎｇ．Ｅｒｒｏｒ　ａｎａｌｙｓｉＳ　ａｎｄ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｓｏｕｎｄ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒ—　ｎａｌ　ｏｆ　ＡｃｏｕｓｔｉＣＳ，２０００，１９（３），１９３—２０６．　舒歌群，郝志勇，谭从民．内燃机噪声测量中的声强　测试技术［Ｊ］．内燃机学报，１９９８，１６（１）：６９—７４．　刘红光，陆森林．用声强测量法分析轮式装载机驾　驶室内声场［Ｊ］．江苏大学学报（自然科学版），　２００２，２３（３）：４５—４９．　邵　威，刘万峰，张慎良．声强法在发动机噪声测试　中的应用与研究［Ｊ］．西安交通大学学报，１９９７，１７　（２）：９１－９４．　Ｓｐｅｃｔｒａｌ　ＤｙｎａｍｉＣＳ　Ｉｎｃ．ＳＴＡＲＡｃｏｕｓｔｉＣＳ　Ｒｅｆｅｒｅｎ—　４　结论　１）通过声压测量得到的１／３倍频程图可以分　析出被测点近场声压级的频率分布特征。　２）通过声强测量和分析，可以得出被测包络面　ｃｅ　Ｍａｎｕａｌ［Ｍ］．Ｓａｎ　Ｊｏｓｅ：Ｓｐｅｃｔｒａｌ　ＤｙｎａｍｉＣＳＩｎｃ，　１９９４．　［８］　蒋孝煜，连小珉．声强技术及其在汽车工程中的应　用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００１：５３—５５．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｔｏ　Ｄｉｅｓｅｌ　Ｅｎｇｉｎｅ　Ｎｏｉｓｅ　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ＸＩＥ　Ｙｕ—ｚｈｉ　．一，ｘＵ　Ｌｉｎｇ　，ＬＩ　Ｊｉｅ—ｈｕｉ　，ＺＨＡＯ　Ｚｈｅ　，ＨＵＡＮ（￣Ｇｕｏ．ｙｕ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　ａｎｄ　Ｔｒａｆｆｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ　２１２０１３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ，Ｎａｎｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｔｏｎｇ　２２６００７，Ｃｈｉｎａ；３．Ｙａｎｇｚｈｏｕ　Ｅｎｇｉｎｅ　Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ　２２５００９，　Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ＵＳｅＳ　ｓｏｕｎｄ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｔｏ　ｔｅｓｔ　ｔｈｅ　ｎｏｉｓｅ　ｏｆ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ，ａｎａｌｙｚｅｓ　ｄａｔｕｍ　ｗｈａｔ　ｉｓ　．ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ　ａｎｄ　ｓｔｏｒｅｄ　ｉｎ　ＳＴＡＲＡ　ａｃｏｕｓｔｉｃｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｃｏｎｔｏｕｒ　ｍａｐｓ　ａｎｄ　ｓｏｕｎｄ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｖｅｃｔｏｒｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｄｒａｗｎ　ａｆｔｅｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｌｓｏ　ｃａｎ　ｓｏｕｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｂｃ　ｃｏｍｐｕｔｅｄ　ａｎｄ　ｓｏｕｒｃｅｓ　ｂｃ　ｒａｎｋｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｎｏｉｓｅ　ｓｏｕｒｃｅ，ａｎｄ　ｍａｋｅｓ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｎｏｉｓｅ　ｔｈａｔ　ｅｍｉｔｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔｅｄ　ｅｎｇｉｎｅ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎｏｉｓｅ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｎｇ　ｃａｎ　ｂｅ　ｅｘａｃｔｌｙ　ｊｕｄｇｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｎｉｎｅ　ｐｏｉｎｔ’Ｓ　ｍｅｔｈｏｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏ—ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ；ｎｏｉｓｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ；　ｃｏｎｔｏｕｒ　ｍａｐ；ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｖｅｃｔｏｒ