V型雙缸柴油機噪聲源識別試驗研究

孟浩東，高矚，徐毅，陳勇將，張鳳嬌，羅福強

(1.常州工學院機械與車輛工程學院，江蘇常州213002;2.常柴股份有限公司，江蘇常州213002; 3.江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮江212013)

V型雙缸柴油機噪聲源識別試驗研究

孟浩東1，3，高矚1，徐毅2，陳勇將1，張鳳嬌1，羅福強3

(1.常州工學院機械與車輛工程學院，江蘇常州213002;2.常柴股份有限公司，江蘇常州213002; 3.江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮江212013)

以某V型雙缸柴油機為研究對象，結合單缸熄火法與近場聲壓掃描法對該柴油機噪聲源進行識別試驗研究。首先，在不同工況下采用單缸熄火法分離出燃燒噪聲和機械噪聲，量化內部激勵噪聲源對整機噪聲的貢獻度，識別在工況下燃燒噪聲和機械噪聲的輻射頻譜特性;然后，利用近場聲壓掃描快速定位工況下主要輻射表面的主要輻射部件，識別燃燒噪聲和機械噪聲的主要傳遞路徑;最后，根據識別結果進行隔聲降噪試驗驗證。該識別方法可為明確柴油機降噪方向與降噪具體目標提供參考。

柴油機;單缸熄火;聲壓掃描;噪聲源;降噪

0 引言

有效降低柴油機噪聲，首先必須對柴油機的主要噪聲源進行準確識別，了解其產生噪聲的機理，確定噪聲源部位，分析噪聲源的特性，然后才能為下一步有針對性地采取控制措施提供理論指導。

基于試驗的柴油機表面輻射噪聲源識別方法主要有聲壓測量法、聲強測量法、表面振動速度測量法、聲全息法、聲陣列技術等［1－4］。相較于其他方法，聲壓法最簡單易行且無需復雜的專業設備，而且隨著傳聲器技術的日趨完善，聲學測試環境的日益改善，將不斷提高表面聲壓的測量精度，在噪聲源識別方法中，也將進一步加強近場聲壓掃描法的作用。柴油機內部激勵噪聲源包括燃燒噪聲和機械噪聲，基于試驗的內部激勵噪聲源識別方法主要有倒拖法、單缸熄火法、改變噴油提前角法、傳遞函數法等［5－8］。其中，單缸熄火法較倒拖法考慮了燃燒對機械噪聲的影響，結果更加準確，且無須為柴油機額外提供動力進行倒拖，在工程實際中應用較廣。柴油機噪聲源識別方法眾多，而且每一種識別方法都有其優缺點及適用范圍，而對于柴油機不同特性的噪聲源，要全面系統地對其進行識別研究，應根據實際情況，融合不同的識別方法進行優勢互補，以提高對柴油機噪聲源識別的準確性。

本文以單缸熄火法與近場聲壓掃描法相結合的識別方法，按照從內到外的識別流程，進行某V型雙缸柴油機內部激勵噪聲源以及表面輻射噪聲源的識別試驗，分析燃燒噪聲和機械噪聲對整機噪聲的能量貢獻及其輻射特性，并在識別燃燒噪聲和機械噪聲主要傳遞路徑基礎上，定位噪聲源的主要輻射部件，以期為整機降噪方法的建立提供理論依據。

1 柴油機噪聲源識別方法的基本理論

1.1 單缸熄火法簡介

單缸熄火法是采用斷油熄火的方式先排除單缸的燃燒噪聲，再通過與整機噪聲相比較，得到單缸的燃燒噪聲，依此原理將各個缸的燃燒噪聲再合成，得到整機的燃燒噪聲，進而再識別出機械噪聲。其中熄火缸所產生的燃燒噪聲通過熄火前后整機噪聲能量的消減求得，第1缸燃燒噪聲聲功率級的計算式為

式中:LW——整機聲功率級;

L'W1——第1缸斷油熄火后整機聲功率級;

LPi——第i個測點處A計權或1/3倍頻帶聲壓級;

K——測量表面平均環境修正值;

ΔLW——5點法聲功率級修正值，為0.7～1.8 dB;

S1——測量表面面積(基準值:S0=1 m2)。

1.2 近場聲壓掃描法簡介

對于一個各向輻射同性的聲源，在聲傳播方向上的某一面，其有效聲壓與聲強以及聲功率有如下關系:

式中:prms——有效聲壓;

S——輻射面積;

R=ρc——介質的聲阻抗;

I——聲強;

W——聲功率。

綜上所述，單缸熄火法與近場聲壓掃描法相結合，克服了單缸熄火法無法識別噪聲源傳遞路徑導致降噪目標盲目性的缺點，克服了近場聲壓法難以確定噪聲源輻射能量絕對大小的缺點。將兩種識別方法有機聯系起來，能簡便又準確識別柴油機主要噪聲源。

2 雙缸柴油機噪聲源識別試驗分析

2.1 內部激勵噪聲源識別試驗分析

本文所用V型雙缸四沖程、自然吸氣渦流水冷柴油機，缸徑為80 mm，兩氣缸夾角為80°，具有電子調速(ECU控制)、轉速穩定和結構緊湊的特點，標定工況下轉速為3600 r/min，功率為14 kW。

整機聲功率試驗在柴油機臺架實驗室中進行，實驗室墻面裝有微穿孔板吸聲，頂面也設有吸聲材料，靜態背景噪聲聲壓級為55.4 dB(A)，實驗室聲學環境滿足工程測試要求。為排除排氣噪聲對測試結果的影響，排氣管用石棉材料包裹并引至室外;房間通風扇在噪聲測試時及時關閉。整機噪聲試驗按照GB/T1859——2000《往復式內燃機輻射的空氣噪聲測量》中的有關測試規定，采用5點法進行整機聲功率測試，其中1測點對應飛輪側，2測點對應第1缸側，3測點對應驅動軸側，4測點對應第2缸側，5測點對應頂面側，如圖1所示。

圖1 整機噪聲試驗測點位置

考慮到柴油機實際工作的機械效率，為保證單缸熄火時柴油機工況穩定(轉速穩定)，選擇轉速工況間隔為600 r/min，轉速為1 200～3 600 r/min，負荷工況間隔為25%，在每個轉速下相應負荷為50%～100%。在上述工況條件下，基于單缸熄火法進行V型雙缸柴油機的機械噪聲和燃燒噪聲的分離試驗，結果如圖2所示。

圖2 燃燒噪聲和機械噪聲的分離結果

從圖中分析可知，在50%～100%不同負荷條件下，隨著轉速的增加，V型雙缸柴油機整機噪聲聲功率級也相應增加，但轉速升至2 400 r/min開始，在中高轉速各個負荷工況下，整機聲功率級增加相對平緩。分析在不同負荷條件下各個轉速下的燃燒噪聲和機械噪聲對整機噪聲的貢獻度可知，在負荷工況為50%時，柴油機轉速從1 200 r/min上升到3 000 r/min，間隔600 r/min，整機的主要噪聲源為燃燒噪聲，轉速1800 r/min時燃燒噪聲所占整機噪聲達到最大，為87%，其聲功率級值為101.57 dB(A)，而在相同負荷工況下，轉速為3 600 r/min時燃燒噪聲與機械噪聲各占整機噪聲一半左右;在負荷工況為75%和100%時，柴油機轉速從1 200 r/min增加至3 600 r/min，其相應工況下整機噪聲中仍以燃燒噪聲為主，在100%負荷工況下，轉速為3 600 r/min時燃燒噪聲所占整機噪聲比重相對最小，為53%，但燃燒噪聲仍對整機噪聲的貢獻占主要地位。

選取V型雙缸柴油機，在轉速為3 000 r/min，負荷為12 kW常用工況下，進行燃燒噪聲和機械噪聲的輻射頻譜特性分析。在此工況下，柴油機主要噪聲源燃燒噪聲聲功率級為103.8 dB(A)，占整機噪聲的68%，同時根據兩缸熄火前(原機狀態)、第1缸和第2缸熄火后所得整機噪聲聲功率級譜(如圖3(a)所示)，基于單缸熄火法分離燃燒噪聲和機械噪聲，通過對各中心頻率處聲功率級按照噪聲能量合成與消減的方法可以得到整機燃燒噪聲和機械噪聲的聲功率級譜;其中，將0～707 Hz劃分為第1個頻帶，在聲功率級譜圖上以頻率707 Hz表示，其余分析頻帶按照1/3倍頻程依次劃分，在聲功率級譜圖上分別以各頻帶中心頻率表示，具體分離結果如圖3(b)所示。

從圖中分析可知，在中心頻率2 500 Hz以下的頻帶范圍內集中了整機內部激勵源噪聲的主要能量，其中燃燒噪聲能量約占整機噪聲總能量的95%，機械噪聲約占94%;燃燒噪聲分別在以1 600 Hz(1 403～1 796 Hz)、2000 Hz(1796～2245 Hz)為中心的頻率范圍內出現噪聲峰值，其中最大值為97.8 dB(A)，說明降低燃燒噪聲的關鍵是降低此頻帶范圍內的噪聲能量;機械噪聲則分別在0～707Hz、以800Hz(707～898 Hz)為中心的頻率范圍內出現噪聲峰值，其中最大值為98.5 dB(A)，同樣降低此頻帶范圍內的噪聲能量是控制機械噪聲的關鍵。

圖3 整機噪聲的1/3倍頻程聲功率級譜

綜上分析可知，V型雙缸柴油機在常用轉速負荷工況下，整機噪聲中主要還是以中高頻的燃燒噪聲為主，說明雙缸柴油機整機降噪的重點是降低燃燒噪聲。

2.2 結構表面噪聲源識別試驗分析

柴油機表面輻射噪聲是由結構部件受燃燒和機械沖擊力激振引起表面振動而產生［9］，從燃燒噪聲和機械噪聲的傳遞路徑入手，要有效地降低V型雙缸柴油機的整機噪聲，首要工作是進行柴油機表面輻射噪聲源識別，然后才能有針對性地采取噪聲控制措施。

在前述聲學環境下，在相同的常用工況條件下，為提高測試精度，持聲學傳感器盡可能靠近測量表面，分別對V型雙缸柴油機第1缸側面、飛輪側面等主要輻射表面進行近場聲壓陣面的掃描測試。在距第1缸表面為8 cm的平面上布置5×8個測點，距飛輪8 cm的平面上布置6×8個測點，測試網格邊長為8 cm。將聲傳感器從下至上，從左至右逐點拾取各表面各測點噪聲信號。利用Matlab軟件繪制各個陣面的聲壓云圖，其中第1缸側面、飛輪側面的網格測點以及A計權聲壓級分布云圖如圖4和圖5所示。在聲壓云圖中，不同的顏色變化表示不同的聲壓級值，紅色越深的區域，其聲壓級值越大。

圖4 第1缸側面輻射噪聲源分布

圖5 飛輪側面輻射噪聲源分布

由圖4分析可知，第1缸側面噪聲較大的部位主要出現在缸蓋與缸蓋罩位置，而機體下側裙部也有較明顯的噪聲輻射，其中第1缸缸蓋罩中間位置最大聲壓級達到106 dB(A)左右。缸蓋系統與氣缸體由于輻射面積相對較大，受柴油機燃燒激勵、氣門落座沖擊以及活塞敲擊的傳遞激勵，使其剛度相對薄弱區產生振動響應，導致結構輻射出較大噪聲;氣缸蓋罩屬于薄壁件，易受柴油機燃燒和機械寬頻帶激勵力和氣門沖擊噪聲的作用，導致結構傳遞和透射出較大噪聲。

由圖5分析可知，飛輪側輻射噪聲最大的部位出現在飛輪位置，其中飛輪中間部位噪聲級達到105 dB(A)左右。由于柴油機的燃燒激勵和機械激勵通過不同傳遞路徑傳至曲軸系統激發旋轉部件振動響應，最終通過氣缸體表面及飛輪向外輻射;另外，大平面的飛輪在柴油機高速運轉時，旋轉帶來的空氣動力噪聲也有一定影響，因此飛輪部位表面輻射噪聲最大。

從圖中進一步分析可知，V型雙缸柴油表面輻射噪聲主要由飛輪、氣缸蓋、缸蓋罩、氣缸體側面等部位傳出，相應的燃燒激勵源和機械激勵源主要通過缸蓋系統的傳遞路徑傳至缸蓋罩表面、通過從活塞至連桿再到曲軸的傳遞路徑傳遞至氣缸體表面以及飛輪、同時通過氣缸壁傳至氣缸體外表面而激勵相應表面的振動響應而形成表面輻射噪聲。因此，根據試驗分析結果可知，表面輻射噪聲源的主要輻射部件包括缸蓋、缸蓋罩、飛輪以及機體裙部，其中缸蓋系統、飛輪近場聲壓級較大，是需要重點控制的對象。

3 雙缸柴油機降噪試驗驗證

在常用工作工況下，根據識別結果，從傳播途徑上采取相應降噪措施，以增加結構對燃燒噪聲的衰減［10］。實踐證明，采取隔聲措施能有效控制結構的中高頻輻射噪聲［11］。因此，為控制V型雙缸柴油機的燃燒噪聲，通過設計頂面隔聲罩來抑制其中高頻噪聲能量輻射。

隔聲罩的實際隔聲量不僅和隔聲材料的平均隔聲量有關，而且與隔聲罩內襯吸聲材料的吸聲系數有關［12］。為了提高頂面隔聲罩的隔聲效果，采用具有較高結構阻尼系數的復合阻尼鋼板作為隔聲罩材料，采用具有高吸聲系數的阻燃性吸音棉作為內襯吸聲層。隔聲罩包括基層、吸聲層以及防止基層2次噪聲輻射的護面層。

在各轉速全負荷工況下，采用5點法進行隔聲前、后的整機噪聲對比試驗，結果如表1所示。從表中分析可知，采用頂面隔聲罩后，雙缸柴油機整機噪聲在各工況下都有顯著降低，尤其在1 800 r/min全負荷工況下，整機聲功率級下降了1.7 dB(A)，降噪效果最明顯。

表1 隔聲前、后的整機噪聲對比

在轉速為3000 r/min的工況下，對比隔聲前、后的整機1/3倍頻程聲功率級譜，如圖6所示。從圖中分析可知，加隔聲罩后的整機噪聲在各個頻帶范圍內的聲功率級值都比原機有所降低，其中在0～898 Hz頻帶范圍內，以機械噪聲為主的總能量下降了1 dB(A);在以1 600 Hz(1 403～1 796 Hz)及2 000 Hz(1 796～2 245 Hz)為中心頻率的頻帶范圍內，以燃燒噪聲為主的總能量下降了1.4 dB(A)，試驗結果說明采取隔聲措施對降低燃燒噪聲效果更明顯。

圖6 隔聲前后整機噪聲聲功率級譜的對比

4 結束語

1)在常用轉速，各個負荷條件下，燃燒噪聲是V型雙缸柴油機主要噪聲源;其中，在中、低轉速負荷條件下，燃燒噪聲所占比重較高;在常用工況下，燃燒噪聲能量集中在中高頻帶，機械噪聲能量集中在中低頻帶。

2)燃燒噪聲和機械噪聲主要通過缸蓋系統的傳遞路徑、通過活塞至連桿再到曲軸的傳遞路徑以及通過氣缸壁至氣缸體外表面共3條關鍵路徑傳遞至柴油機表面形成輻射噪聲源，其中缸蓋系統、飛輪是V型雙缸柴油機主要輻射表面的主要輻射噪聲源。

3)本文采取隔聲措施設計了具有高隔聲量的頂面隔聲罩，從傳播路徑方面對燃燒噪聲和機械噪聲都進行了衰減從而降低了整機表面輻射噪聲，其中對中高頻的燃燒噪聲抑制效果更好。

［1］LEE S M，SHIN T，KIM B H，et al.Identification of engine noise source based on acoustic source quantification using sound intensity and particle velocity measurement［C］// SAE Technical Paper of SAE 2013 Noise and Vibration conference and Exhibition，2013.

［2］馮仁華，張大鳴，鄧幫林，等.一種高效的發動機輻射噪聲計算方法研究［J］.振動與沖擊，2014，33(18):198－203.

［3］褚志剛，蔡鵬飛，蔣忠翰，等.基于聲陣列技術的柴油機噪聲源識別［J］.農業工程學報，2014，30(2):23－30.

［4］劉逢春，楊天軍，張興剛，等.柴油機聲源識別試驗研究［J］.車用發動機，2014(6):51－54.

［5］李兆文，舒歌群，衛海橋，等.柴油機燃燒噪聲增壓影響機理試驗分析［J］.農業機械學報，2010，41(4):31－35.

［6］宋印東，袁銀男，崔勇，等.柴油機燃用微乳化甲醇柴油燃燒噪聲研究［J］.內燃機工程，2014，35(5):46－50.

［7］景國璽，郝志勇，金陽，等.發動機燃燒噪聲和活塞拍擊噪聲的產生機理試驗研究［J］.振動工程學報，2010，23 (6):655－659.

［8］胡越，李富才，邵威，等.工程機械噪聲源識別技術研究進展［J］.噪聲與振動控制，2015，35(5):1－15.

［9］LIU H，ZHANG J，GUO P，et al.Sound quality prediction for engine－radiated noise［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2015(56):277－287.

［10］CHIATTI G，CHIAVOLA O，CONFORTO S，et al.Engine block dynamic response via combustion noise radiation［C］//SAE Technical Paper of SAE 2015 Noise and Vibration Conference and Exhibition，2015.

［11］孟浩東，李舜酩，白瑩，等.某單缸柴油機表面輻射噪聲源試驗分析與改進［J］.南京航空航天大學學報，2013，44(6):898－903.

［12］李中付，丁猛.基于微振動理論單罩杯雙自由度耳罩隔聲模型［J］.噪聲與振動控制，2015，35(5):167－171.

(編輯:莫婕)

Experimental study of noise source identification for V－cylinder diesel engine

MENG Haodong1，3，GAO Zhu1，XU Yi2，CHEN Yongjiang1，ZHANG Fengjiao1，LUO Fuqiang3
(1.School of Mechanical＆Vehicle Engineering，Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002，China; 2.Changchai Co.，Ltd.，Changzhou 213002，China; 3.School of Automobile and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

In this paper，an experimental study of noise source identification for the V－cylinder diesel engine by the method of single cylinder misfire combined with near field scan method was carried out.Firstly，single cylinder misfire method was adopted to separate combustion noise and mechanical noise in different running speeds and loads，the contribution of internal excitation noise source contributing to engine noise was quantified，and the radiation spectrum characteristics of combustion noise and mechanical noise were studied under working conditions.Secondly，main radiating components of main radiating surface were identified quickly by near field scan method under engine working conditions.The major transfer paths of combustion noise and mechanical noise were identified.Lastly，according to recognition results，the noise reduction experiment of sound insulation was carried out.This identification method can provide guidance for defining direction and specific goals of the diesel engine noise reduction.

diesel engine;single cylinder misfire;near field scan;noise source;noise reduction

A

1674－5124(2016)11－0135－05

10.11857/j.issn.1674－5124.2016.11.027

2016－03－05;

2016－04－10

江蘇省高校自然科學研究面上項目資助(15KJB 580001，15KJB460001)江蘇省博士后科研資助計劃資助項目(1601064C)常州市應用基礎研究項目資助(CJ20159011)

孟浩東(1979—)，男，江蘇無錫市人，講師，博士后，主要從事車輛NVH測試與控制研究。