侯艷芳 靳曉雄 韓國(guó)華 張凱

1、同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院

2、同濟(jì)大學(xué)電信學(xué)院 201804

3、常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 215500

聲強(qiáng)技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源識(shí)別中的應(yīng)用

侯艷芳1,2靳曉雄1韓國(guó)華1張凱3

1、同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院

2、同濟(jì)大學(xué)電信學(xué)院 201804

3、常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 215500

本文介紹了聲強(qiáng)測(cè)量技術(shù)的基本原理，將聲強(qiáng)技術(shù)與其它發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源識(shí)別技術(shù)相比較，并用于發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源識(shí)別中，為發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步降噪提供了依據(jù)。

聲強(qiáng);聲源識(shí)別;發(fā)動(dòng)機(jī)

1.聲強(qiáng)的定義及測(cè)量的原理[1,2]

定義單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)與能量傳播方向垂直的單位面積的聲能為聲能流密度，為了表示聲波能量的強(qiáng)度，取聲能流密度一個(gè)周期的時(shí)間平均值，以I表示[1]，

I稱為聲強(qiáng)。它是聲場(chǎng)中任意一點(diǎn)的聲波強(qiáng)度，等于通過(guò)與能流方向垂直的單位面積的聲能量的平均值。聲強(qiáng)是個(gè)矢量，它的正值或負(fù)值表示聲能傳播的方向。

現(xiàn)代聲強(qiáng)測(cè)量方法的基礎(chǔ)是互譜關(guān)系式?，F(xiàn)以面對(duì)面式雙傳聲器探頭為例來(lái)說(shuō)明雙傳聲器的互譜方法。設(shè)兩傳聲器A和B的聲學(xué)中心的連線方向?yàn)閤，兩傳聲器聲學(xué)中心之間的距離為d，當(dāng)聲波沿x方向行進(jìn)時(shí)，由聲學(xué)理論可得x方向的瞬時(shí)聲強(qiáng)為

取其時(shí)間平均就可以得到x方向的有功聲強(qiáng)。

由聲壓p和質(zhì)點(diǎn)速度u之間的互相關(guān)函數(shù)

2.聲強(qiáng)法進(jìn)行噪聲源識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)及方法[1,3]

發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源識(shí)別的常用方法有鉛覆蓋法、表面振速測(cè)量法，以及聲強(qiáng)測(cè)量法等。鉛覆蓋法是傳統(tǒng)的方法，覆蓋法的隔聲效果在低頻段較差，易產(chǎn)生噪聲“泄漏”，同時(shí)測(cè)量要在一定的聲學(xué)環(huán)境中進(jìn)行，測(cè)試周期長(zhǎng)，費(fèi)用高。表面振速測(cè)量法是通過(guò)測(cè)量振動(dòng)來(lái)識(shí)別噪聲源的，因此沒(méi)有任何聲學(xué)環(huán)境的要求，測(cè)量容易實(shí)現(xiàn)，但由于部件的聲輻射效率很難準(zhǔn)確確定，所以往往造成計(jì)算結(jié)果不十分準(zhǔn)確。聲強(qiáng)是矢量，聲強(qiáng)測(cè)量不受環(huán)境的影響能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行；聲強(qiáng)在近場(chǎng)測(cè)量，這樣就能根據(jù)所測(cè)聲強(qiáng)值，判斷出發(fā)聲體各部分發(fā)射噪聲的大小，從而找到主要的噪聲源，將聲強(qiáng)在包圍發(fā)聲體封閉面上積分就能得到發(fā)聲體的聲功率。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO3740—3748和國(guó)標(biāo)GB6881—6882規(guī)定，用聲壓法測(cè)定機(jī)器的聲功率級(jí)必須在滿足消聲室、半消聲室或滿足規(guī)定要求的試驗(yàn)室進(jìn)行。但許多機(jī)器由于種種限制只能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，在工程實(shí)用中這些規(guī)定聲壓法測(cè)定聲功率級(jí)的方法往往不能完全適用，而用聲強(qiáng)法測(cè)量聲源的聲功率不受環(huán)境的影響，只要包絡(luò)面內(nèi)沒(méi)有其它聲源，也沒(méi)有吸聲材料，則測(cè)量結(jié)果理論上不受其它聲源或背景噪聲的影響。

聲強(qiáng)法進(jìn)行噪聲源識(shí)別有三種方法：

1) 聲功率排序法

聲強(qiáng)法測(cè)聲功率可以不受背景噪聲的影響，當(dāng)測(cè)量機(jī)器中某一部件的聲功率時(shí)，可以把其它部件的噪聲認(rèn)為是背景噪聲，這樣各個(gè)部件依次測(cè)量，算出測(cè)量表面聲功率，就可以近似得到全面的聲功率排序，進(jìn)而識(shí)別出主要的噪聲源。

2) 連續(xù)掃描法

當(dāng)聲波入射方向與探頭軸線成銳角時(shí)，聲強(qiáng)為正值，而當(dāng)角度為鈍角時(shí)就變?yōu)樨?fù)值。利用雙傳聲器探頭敏感的指向性，可以用連續(xù)掃描法將聲源定位。掃描時(shí)將探頭軸線平行于被測(cè)表面連續(xù)平移，同時(shí)注視聲強(qiáng)測(cè)試儀顯示器的信號(hào)，當(dāng)信號(hào)符號(hào)改變時(shí)，過(guò)探頭中點(diǎn)的垂線上必有聲源存在，這是檢測(cè)隔板或隔墻、管道等聲泄漏的一種十分有效的方法。

3) 等聲強(qiáng)線法

按照特定機(jī)器的要求選取包絡(luò)面并適當(dāng)劃分網(wǎng)絡(luò)，然后在各個(gè)網(wǎng)格區(qū)域測(cè)量聲強(qiáng)。將探頭軸線垂直于被測(cè)表面，測(cè)出每個(gè)測(cè)點(diǎn)處的表面法線方向的聲強(qiáng)，利用這些聲強(qiáng)值便可以十分完整的描述出該機(jī)器輻射噪聲的聲場(chǎng)特征，從而近似識(shí)別出噪聲源。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)聲功率級(jí) （滿載）

圖3 各側(cè)面聲功率級(jí)（滿載、近場(chǎng)）

圖4 零部件聲功率級(jí)（滿載）

圖5 油底殼頻帶聲功率級(jí)（滿載）

3.聲強(qiáng)法進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源識(shí)別[4,5]

某汽油機(jī)在標(biāo)定工況下噪聲較大，對(duì)其在標(biāo)定工況下進(jìn)行噪聲源識(shí)別，采用聲功率排序法。試驗(yàn)測(cè)量?jī)x器見(jiàn)表1。

表1 測(cè)量?jī)x器

試驗(yàn)室為普通試驗(yàn)室：水磨石地面、吸聲墻壁和天花板，尺寸為6.8×5.7×5.5(單位：m)，臺(tái)架彈性支承，測(cè)功器與發(fā)動(dòng)機(jī)彈性聯(lián)接。

原機(jī)狀況為進(jìn)氣引遠(yuǎn),排氣引遠(yuǎn),風(fēng)扇未裝。分別進(jìn)行了遠(yuǎn)場(chǎng)包絡(luò)面、近場(chǎng)包絡(luò)面、各零部件聲強(qiáng)法聲功率測(cè)量試驗(yàn)，試驗(yàn)功況為滿載、4800r/min（標(biāo)定工況）。

圖1 近場(chǎng)包絡(luò)面排氣側(cè)和前端測(cè)點(diǎn)布置

近場(chǎng)包絡(luò)面測(cè)量共5個(gè)面，除頂面（25點(diǎn)）外，每個(gè)面分為35點(diǎn)，測(cè)距分別為8cm。測(cè)量結(jié)果分析如下，圖中柱狀圖對(duì)應(yīng)左側(cè)縱坐標(biāo)，折線對(duì)應(yīng)右側(cè)縱坐標(biāo)（考慮到篇幅限制，僅給出主要分析圖）。測(cè)點(diǎn)布置如圖2～圖7（僅給出排氣側(cè)和前端測(cè)點(diǎn)布置）。

從上面結(jié)果分析可知：

滿載、4800r/min(標(biāo)定工況)

1) 圖2表明,發(fā)動(dòng)機(jī)本機(jī)噪聲,遠(yuǎn)場(chǎng)包絡(luò)面、近場(chǎng)包絡(luò)面、零部件合成測(cè)量結(jié)果一致。

2) 圖3表明,發(fā)動(dòng)機(jī)各側(cè)面噪聲大小依次為前端、排氣側(cè)、進(jìn)氣側(cè)、后端、頂面。其中噪聲最高的前端能量比重為29.5%,噪聲最低的頂面能量比重為10.0%,其它各側(cè)面相對(duì)較為均勻。

3) 圖4～圖7表明,發(fā)動(dòng)機(jī)各被測(cè)零部件噪聲大小依次為油底殼、排氣歧管、缸蓋罩、齒輪室蓋、進(jìn)氣歧管、風(fēng)扇盤、氣缸蓋、飛輪、電機(jī)、曲軸皮帶盤。其中噪聲最高的油底殼能量比重為18.0%,噪聲最低的曲軸皮帶盤能量比重僅為3.8%。進(jìn)油底殼。

4. 結(jié)論

1) 聲強(qiáng)法不需要特殊的聲學(xué)環(huán)境，可以很方便的在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定設(shè)備輻射的聲功率。

2) 通過(guò)用聲強(qiáng)法對(duì)上述汽油機(jī)在標(biāo)定工況下進(jìn)行聲源識(shí)別，發(fā)現(xiàn)油底殼輻射噪聲最大，欲降低標(biāo)定工況下噪聲，建議改

[1]蔣孝煜，連小珉. 聲強(qiáng)技術(shù)及其在汽車工程中的應(yīng)用. 北京:清華大學(xué)出版社.2001.6

[2]馬大猷. 現(xiàn)代聲學(xué)理論基礎(chǔ). 北京:科學(xué)出版社. 2004.3

[3]趙松齡. 噪聲的降低與隔離. 上海:同濟(jì)大學(xué)出版社. 1985.12

[4]國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督.GB/T 1859-2000往復(fù)式內(nèi)燃機(jī) 輻射的空氣噪聲測(cè)量工程法及簡(jiǎn)易法.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000.11.1

[5]吳炎庭，袁衛(wèi)平. 內(nèi)燃機(jī)噪聲振動(dòng)與控制. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社. 2005.5

圖6 排氣歧管頻帶聲功率級(jí)（滿載）

圖7 曲軸皮帶盤頻帶聲功率級(jí)（滿載）