劉逢春，楊天軍，張興剛，李 全，霍君蕊，武海軍

（1.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，山西 大同 037036；2.大同北方天力增壓技術(shù)有限公司，山西 大同 037036）

進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)噪聲控制的基本措施有兩種，一是從噪聲產(chǎn)生的機(jī)理入手消除產(chǎn)生噪聲的聲源，二是采取減振和隔聲方法限制噪聲傳遞和輻射的途徑。目前，對(duì)于柴油機(jī)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和隔聲措施已經(jīng)有了大量的研究［1－4］。但是，無(wú)論采取何種噪聲控制措施，首先需要對(duì)內(nèi)燃機(jī)噪聲源進(jìn)行識(shí)別，以便采取相應(yīng)的技術(shù)措施。

本研究針對(duì)某型直列4缸柴油機(jī)，分別測(cè)試了其全工況狀態(tài)下的聲壓和標(biāo)定點(diǎn)工況聲強(qiáng)，獲取了較為完整的整機(jī)噪聲輻射特性。對(duì)由聲強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果獲得的典型整機(jī)噪聲貢獻(xiàn)位置展開(kāi)研究，為改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和降低噪聲提供了參考。

1 試驗(yàn)方案

由于聲強(qiáng)試驗(yàn)采用分布式測(cè)點(diǎn)法，對(duì)于每個(gè)位置的測(cè)試需要逐一進(jìn)行，造成試驗(yàn)周期較長(zhǎng)。如果選擇較多發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試工況，勢(shì)必帶來(lái)試驗(yàn)成本的升高。本研究中，僅對(duì)柴油機(jī)標(biāo)定點(diǎn)工況進(jìn)行聲強(qiáng)測(cè)量，繪出等聲強(qiáng)圖，識(shí)別出主要噪聲源位置。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)其他運(yùn)行工況的噪聲特性研究，采用全工況聲壓測(cè)試方式，結(jié)合聲強(qiáng)試驗(yàn)中提取的頻譜結(jié)果，分析噪聲發(fā)生的原因，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)的降噪提供數(shù)據(jù)參考。

1.1 測(cè)點(diǎn)的布置

聲強(qiáng)試驗(yàn)時(shí)被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)被矩形的包絡(luò)面（測(cè)量面）所包圍。取包絡(luò)面的上、前、左、右4個(gè)側(cè)面，用絲線拉成測(cè)量網(wǎng)格（見(jiàn)圖1）。將各網(wǎng)格中點(diǎn)設(shè)為測(cè)量點(diǎn)，逐格測(cè)量聲強(qiáng)。網(wǎng)格大小100mm×100mm，包絡(luò)面距發(fā)動(dòng)機(jī)表面距離小于50mm，每個(gè)測(cè)量表面起始位置為左上角，測(cè)量網(wǎng)格順序?yàn)閺纳系较拢瑥淖蟮接?。聲?qiáng)探頭始終與網(wǎng)格垂直，移動(dòng)探頭時(shí)測(cè)量者側(cè)向聲源。

聲壓測(cè)試按照GB／T 1859—2000《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)輻射的空氣噪聲測(cè)量工程法和簡(jiǎn)易法》標(biāo)準(zhǔn)布置測(cè)點(diǎn)［5］。由于受到測(cè)功機(jī)和后端聯(lián)軸器影響，飛輪端測(cè)點(diǎn)噪聲未測(cè)試，采集了8個(gè)點(diǎn)的噪聲（圖2中除1點(diǎn)外的其余8個(gè)點(diǎn)）。

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有安裝風(fēng)扇，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管和排氣管直接接出試驗(yàn)室外，因此在試驗(yàn)過(guò)程中可以忽略空氣動(dòng)力噪聲的影響，主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)表面輻射噪聲。表面輻射噪聲分為機(jī)械噪聲和燃燒噪聲，本研究將重點(diǎn)對(duì)這兩種噪聲進(jìn)行分析。

1.2 測(cè)量修正

為了通過(guò)聲壓測(cè)試試驗(yàn)準(zhǔn)確判別柴油機(jī)整機(jī)噪聲特性，對(duì)噪聲測(cè)量結(jié)果進(jìn)行環(huán)境修正和背景噪聲修正是十分必要的。一方面，消聲室的0.99吸聲特性并非適合于所有頻段，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在不同工況下其特征噪聲貢獻(xiàn)頻率也不固定，對(duì)應(yīng)采用測(cè)量設(shè)備獲得的20Hz～20kHz的A權(quán)綜合語(yǔ)音級(jí)（SPL）在一致性上有一定的偏差；另一方面，由于背景噪聲的疊入，對(duì)于較小的噪聲級(jí)很難定量分析出燃燒激勵(lì)或機(jī)械結(jié)構(gòu)激勵(lì)對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)。

在進(jìn)行背景噪聲修正時(shí)，分別引入各頻帶背景噪聲聲壓修正。利用聲壓的合成和分解原理，各頻帶背景噪聲的修正公式有：

式中：Lpi為背景噪聲修正后第i個(gè)測(cè)點(diǎn)處A計(jì)權(quán)和倍頻帶或1／3倍頻帶聲壓級(jí)（基準(zhǔn)值：20μPa）；LPA為修正前A計(jì)權(quán)和1／3倍頻帶或表面聲壓級(jí)（基準(zhǔn)值：20μPa）；LKA為背景噪聲第i個(gè)測(cè)點(diǎn)處A計(jì)權(quán)和1／3倍頻帶聲壓級(jí)（基準(zhǔn)值：20μPa）。

對(duì)于測(cè)試環(huán)境的修正，由于試驗(yàn)是在消聲試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的，本研究利用標(biāo)準(zhǔn)聲源法求出試驗(yàn)環(huán)境修正平均值。將標(biāo)定合格的標(biāo)準(zhǔn)聲源放在被測(cè)試柴油機(jī)的測(cè)試環(huán)境中，使用相同的測(cè)量方法，測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)聲源的聲壓級(jí)，計(jì)算出聲壓修正結(jié)果。

2 柴油機(jī)噪聲試驗(yàn)分析

2.1 標(biāo)定點(diǎn)聲強(qiáng)

圖3示出試驗(yàn)得到的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定點(diǎn)工況三維聲強(qiáng)云圖。圖中聲強(qiáng)數(shù)值最大的位置對(duì)應(yīng)于整機(jī)以皮帶輪、進(jìn)氣歧管、EGR高壓回路入口和油底殼5個(gè)位置為中心的輻射帶。

EGR高壓回路入口位置聲強(qiáng)級(jí)最大，可達(dá)113dB。前端皮帶輪位置貢獻(xiàn)面積最大，占總測(cè)量區(qū)域的2／3。這是由于EGR高壓回路引入進(jìn)氣口位置是排氣壓力的釋放位置，廢氣在經(jīng)過(guò)EGR閥門(mén)時(shí)，由于閥門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中節(jié)流件孔徑的瞬間變大，使得再循環(huán)氣體具有較高的勢(shì)能，并伴隨著燃燒噪聲的疊入，從而導(dǎo)致噪聲增大。而皮帶輪位置由于存在曲軸的外露軸端，在較低阻尼情況下燃燒噪聲被傳遞出來(lái)，同時(shí)伴有皮帶輪運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)附件功率的傳遞，導(dǎo)致機(jī)械噪聲增大。以至于前端噪聲貢獻(xiàn)云圖與皮帶輪的分布一致，并存在曲軸軸端位置貢獻(xiàn)較高的特點(diǎn)。從圖中可以看出，皮帶輪噪聲貢獻(xiàn)區(qū)域占前端總區(qū)域的2／3之多，根據(jù)聲源的合成定理推斷，該端面的噪聲高于其他各面噪聲。

圖4示出各個(gè)測(cè)量面的聲強(qiáng)頻譜，由圖可見(jiàn)4個(gè)位置的聲源具有共性頻譜特征，均存在100Hz中心頻帶聲強(qiáng)貢獻(xiàn)，且幅值相同。該中心頻帶與發(fā)動(dòng)機(jī)3 600r／min標(biāo)定點(diǎn)工況的二階頻率相吻合，與發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)缸內(nèi)點(diǎn)火次數(shù)一致。由此可以判斷該中心頻段的噪聲貢獻(xiàn)主要源于燃燒噪聲。相應(yīng)的噪聲貢獻(xiàn)位置為EGR管、曲軸自由端軸頭、進(jìn)氣歧管和發(fā)動(dòng)機(jī)油底位置。對(duì)于高頻段噪聲貢獻(xiàn)，每個(gè)測(cè)量面的特征不相同，這是由于各測(cè)量面發(fā)動(dòng)機(jī)附件不同，對(duì)燃燒噪聲的屏蔽作用和機(jī)械噪聲的傳遞效率不同。相應(yīng)高頻部分的發(fā)動(dòng)機(jī)部件噪聲典型貢獻(xiàn)位置為皮帶輪和EGR系統(tǒng)閥門(mén)位置。

2.2 外特性聲壓

觀察圖5發(fā)現(xiàn)，前端1m測(cè)點(diǎn)聲壓較其他各點(diǎn)聲壓偏高。這與聲強(qiáng)試驗(yàn)分析結(jié)果一致，從而更加驗(yàn)證了噪聲較大位置存在較大聲源貢獻(xiàn)區(qū)域。由圖可知，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性工況點(diǎn)噪聲隨轉(zhuǎn)速的升高而增大。通過(guò)標(biāo)定點(diǎn)工況聲強(qiáng)試驗(yàn)分析結(jié)果可知，各測(cè)量面共性聲源特征主要為燃燒噪聲，而發(fā)動(dòng)機(jī)在外特性工況點(diǎn)缸內(nèi)燃燒壓力值與轉(zhuǎn)速呈規(guī)律性增長(zhǎng)，相應(yīng)地噪聲與轉(zhuǎn)速也呈規(guī)律性增長(zhǎng)，因此對(duì)聲壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)首先以燃燒噪聲產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行討論。

從圖5中看出，在外特性工況點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)8個(gè)測(cè)點(diǎn)噪聲均呈現(xiàn)隨轉(zhuǎn)速升高而升高趨勢(shì)，并且與轉(zhuǎn)速基本呈線性關(guān)系。這是由于當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，氣缸內(nèi)活塞環(huán)的漏氣量較少，使氣缸內(nèi)的壓縮溫度和壓力升高，從而使噴油壓力提高，燃油噴射霧化均勻。上述過(guò)程將導(dǎo)致可燃混合氣增多，同時(shí)加速燃油混合氣的形成，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高使得氣缸內(nèi)燃燒更加劇烈，缸內(nèi)的燃燒壓力提高，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲增大［6－7］。相應(yīng)地EGR管、曲軸自由端軸頭、進(jìn)氣歧管和發(fā)動(dòng)機(jī)油底位置等高噪聲貢獻(xiàn)的輻射面積隨轉(zhuǎn)速的升高逐漸增大。

發(fā)動(dòng)機(jī)3 600r／min工況點(diǎn)1m聲壓4個(gè)測(cè)點(diǎn)1／3倍頻程見(jiàn)圖6。從圖中可以看出，4個(gè)測(cè)點(diǎn)在低頻中的100Hz中心頻帶聲壓級(jí)均較大，這與聲強(qiáng)頻譜結(jié)果一致，但對(duì)總聲壓貢獻(xiàn)較小。這是由于隨著轉(zhuǎn)速的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的慣性增大，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)和機(jī)件之間的撞擊加劇，再伴入部件振動(dòng)對(duì)燃燒激勵(lì)的響應(yīng)，造成噪聲增加。

2.3 負(fù)荷特性聲壓

圖7示出發(fā)動(dòng)機(jī)相同轉(zhuǎn)速下，8點(diǎn)聲壓隨扭矩增加的變化規(guī)律。在1 500r／min工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲隨著扭矩的變化而起伏較大，在2 000r／min工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲隨著扭矩的變化而起伏較??；在3 000r／min和3 200r／min工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲隨著扭矩的增大而增大，但幅值變化極小，這說(shuō)明在高轉(zhuǎn)速工況發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲對(duì)整機(jī)噪聲影響較小，整機(jī)噪聲主要源于機(jī)械噪聲。因此在高轉(zhuǎn)速工況，皮帶輪位置和EGR系統(tǒng)閥為發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲高貢獻(xiàn)部件。

對(duì)于低轉(zhuǎn)速工況，負(fù)荷對(duì)穩(wěn)態(tài)工況燃燒噪聲的影響與其大小有關(guān)。對(duì)于直噴式柴油機(jī)，一方面隨著負(fù)荷的增加，燃燒室壁面溫度升高，滯燃期縮短；另一方面每個(gè)循環(huán)噴入的燃油量增加，噴油持續(xù)時(shí)間增大。噴油閥的開(kāi)啟時(shí)間決定了燃燒噪聲大小，同時(shí)燃燒噪聲也與滯燃期內(nèi)可點(diǎn)燃混合油量的多少有關(guān)，所以只要噴油持續(xù)時(shí)間小于滯燃期，那么噴油持續(xù)時(shí)間的增大就意味著滯燃期內(nèi)噴入的燃油量增加，燃燒噪聲增大，但當(dāng)噴油持續(xù)時(shí)間增大到等于或者大于滯燃期時(shí)，繼續(xù)增大負(fù)荷，滯燃期內(nèi)噴入的燃油量就不會(huì)再增多，反而由于燃燒室壁面溫度的增大，滯燃期減小，因而燃燒噪聲減弱。由此造成了發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速穩(wěn)定工況下隨著負(fù)荷的變化其噪聲起伏不定［8－9］。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)聲強(qiáng)試驗(yàn)可有效定性噪聲的來(lái)源，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展聲壓試驗(yàn)，可有效彌補(bǔ)聲強(qiáng)試驗(yàn)周期過(guò)長(zhǎng)的缺點(diǎn)，加快聲源識(shí)別試驗(yàn)過(guò)程。聲強(qiáng)貢獻(xiàn)區(qū)域面積較大的測(cè)量面對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)最大聲壓級(jí)測(cè)點(diǎn)位置。

在聲強(qiáng)試驗(yàn)對(duì)聲源定位的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)全工況聲壓測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，能較好地區(qū)分各典型噪聲部位對(duì)整機(jī)運(yùn)行工況噪聲的貢獻(xiàn)情況。有針對(duì)性地采取降噪措施，能提升發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的性能。

凡是能減少滯燃期內(nèi)可燃混合氣的數(shù)量的措施，都能降低燃燒噪聲，但這種措施在低轉(zhuǎn)速工況下較為有效。

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