AJR發(fā)動機電控實訓臺的降噪措施研究

張立，劉愛亮

（浙江經貿職業(yè)技術學院應用工程系，浙江 杭州 310018）

AJR發(fā)動機電控實訓臺的降噪措施研究

張立，劉愛亮

（浙江經貿職業(yè)技術學院應用工程系，浙江 杭州 310018）

為了避免在教學過程中發(fā)動機的高噪聲嚴重干擾教師教學的尷尬，文章以AJR發(fā)動機電控實訓臺的工作噪聲為研究對象，擬建立一套主動控制噪聲（ANC）設計方法，并依據該方法設計主動控制噪聲系統來降低AJR發(fā)動機電控實訓臺的工作噪聲，達到改善學生和教師上課環(huán)境的目的。

AJR發(fā)動機；電控實訓臺；降噪；主動控制

前言

噪聲已經成為影響人們身心健康的來源之一，越來越多的技術被用于降噪。目前常見的降噪技術主要有主動噪聲控制和被動噪聲控制，傳統的噪聲控制大多數都是采用被動的控制方法，例如：吸聲降噪——通過吸聲材料或結構使聲能在傳播過程中損失來降低噪聲、隔聲降噪——通過隔聲結構阻止聲波的傳播來降低噪聲、干涉法降低噪聲等。這些方法對于高頻噪聲效果明顯，但是對于低頻噪聲效果不如主動噪聲控制。隨著電子技術的飛速發(fā)展，實現主動噪聲控制所需要的成本逐漸下降，ANC技術也隨之得到了廣泛的應用。但是ANC技術在AJR發(fā)動機電控實訓臺的應用較少見，而AJR發(fā)動機電控實訓臺帶來的噪聲污染題卻是不容忽視的。文獻[1]指出發(fā)動機噪聲主要由表面輻射噪聲和空氣動力學噪聲構成，表面輻射噪聲又稱為結構振動噪聲，它包括燃燒噪聲和機械噪聲。根據對AJR發(fā)動機電控實訓臺的實測分析，發(fā)現AJR發(fā)動機電控實訓臺的工作噪聲主要集中在兩個散熱風扇上，散熱風扇在運行時與周圍的空氣產生摩擦，從而制造了大量的空氣噪聲，當風扇積灰較多或是環(huán)境溫度低時，其發(fā)出的噪聲往往會讓人難以容忍，長期在這種環(huán)境下學習僅會影響工作熱情，還會對人體的身體健康造成一定的危害。如果采用傳統的被動降噪方法，一方面風扇噪聲頻率較低，降噪效果不好；另一方面如果采用一些吸聲材料或吸聲結構，會影響氣流流通，降低散熱性能。選用主動噪聲控制系統卻不會存在這些問題，并能夠取得很好的降噪效果。

1 發(fā)動機噪聲源分析

AJR發(fā)動機電控實訓臺工作時產生的噪聲來源是比較復雜的，盡管通過實測，發(fā)現散熱風扇產生的噪聲對發(fā)動機工作噪聲的貢獻很大，但有關發(fā)動機噪聲源的詳細信息還有待進一步明確，如主要次要噪聲源問題、主要噪聲源的頻段、噪聲傳播特性和產生機理等。文獻[2]指出發(fā)動機低速運行時，結構振動噪聲中占主導地位的是燃燒噪聲，然而當發(fā)動機高速運行時，結構振動噪聲中占主導地位的是機械噪聲。為了進一步闡明空氣動力學噪聲和結構振動噪聲的比重，本文以AJR發(fā)動機電控實訓臺為研究對象，開展了一系列實測研究。

圖1 AJR發(fā)動機電控實訓臺噪聲測試環(huán)境

實測環(huán)境為半消聲室，如圖1所示，其空間可用結構尺寸為3740mm×3340mm×3150mm，截至頻率80Hz，設計背景噪聲 25dB。將 AJR發(fā)動機電控實訓臺放置在該實測環(huán)境中。噪聲測試工具主要采用聲級計和頻譜分析儀。

測試條件主要依據有無散熱風扇以及發(fā)動機運轉速度的差異來區(qū)分。測試結果如表1所示。

表1 發(fā)動機實訓臺噪聲測試方案及結果

通過表1的噪聲實測結果發(fā)現，在散熱風扇不工作的前提下，當發(fā)動機轉速從800r/m增加到4000 r/m時，其工作噪聲也從85.8dB增加到98.3dB。在散熱風扇工作的前提下，當發(fā)動機轉速從800r/m增加到4000 r/m時，其工作噪聲也從94.5dB增加到110.7dB。當發(fā)動機不工作時，僅僅散熱風扇工作就能產生93.6dB的工作噪聲。由此可見，散熱風扇對發(fā)動機工作噪聲的貢獻最大，其噪聲比重要高于發(fā)動機工作時其它噪聲源產生的噪聲。本文進一步對是散熱風扇的頻譜特性進行分析，如圖2所示。由圖可知，散熱風扇的噪聲在低頻段聲壓級高達120dB，隨著頻率的增加，散熱風扇的噪聲聲壓級則明顯下降，最終穩(wěn)定在 85dB附近。因此，針對AJR發(fā)動機電控實訓臺的降噪研究主要應該圍繞著散熱風扇的低頻段來展開。

圖2 發(fā)動機散熱風扇的噪聲頻譜特性分布

2 主動控制噪聲系統設計

噪聲主動控制人為產生一個聲源，試圖利用該聲源幅值大小與噪聲源相等，但相位相反來達到消聲降噪目的[3]?？臻g中任一點在認為聲源作用下的噪聲聲壓級公式如式1所示。

式中EP表示噪聲聲能密度，EPS表示疊加人為聲源后的噪聲聲能密度，β表示振幅比，α表示相位差。當 β接近 1表示幅值相等，α接近π表示相位相反。

盡管通過對發(fā)動機噪聲源的實測分析發(fā)現 AJR發(fā)動機的噪聲源主要集中在低頻段，但在對發(fā)動機噪聲進行主動控制時，一般采用自適應濾波技術，由此構建自適應噪聲控制系統。自適應濾波算法一般采用最小均方誤差算法（LMS），由該算法構建的噪聲控制模型如圖3所示。

圖3 基于LMS算法的噪聲控制系統

圖3中x(k)表示任一點噪聲信號，P(Z)為初級聲通道（噪聲從任一點到傳聲器）的傳遞函數，d(k)為經過 P(Z)后傳到傳聲器處的聲信號，y(k)是控制器輸出信號，C(z)表示次級聲通道（控制信號經的D/A、功放、揚聲器等傳聲器）的總傳遞函數，s(k)表示經過C(z)后達到傳聲器的聲信號，w(z)表示自適用LMS濾波器。

假設控制濾波器為N階，在時刻k時可以得到控制器輸出信號為：

濾波器權重系數為：

經過濾波后的參考噪聲信號向量為：30Hz—200Hz之間，且幅值最大為 4.5W；當主動噪聲控制系統工作時，噪聲測試點的功率譜峰值主要分布在 30Hz—200Hz之間，且幅值在 1.5W以內。顯然，噪聲主動控制效果明顯，降噪幅度達到了66.7%。

4 結論

3 結果分析

圖4 AJR發(fā)動機散熱風扇的噪聲功率譜分布情況

圖4顯示了AJR發(fā)動機散熱風扇在主動控制噪聲系統工作前后的噪聲功率譜分布情況。從圖中可以看出，在主動噪聲控制系統不工作時，噪聲測試點的功率譜峰值主要分布在

本文采用主動控制噪聲系統來解決 AJR發(fā)動機工作噪聲過高的問題。實測數據表明，AJR發(fā)動機工作噪聲主要集中在200Hz以內的低頻段，通過主動控制噪聲系統能夠實現66.7%的降噪效果。

[1] 吳清鴿.基于優(yōu)化隨機聲陳列的發(fā)動機噪聲源識別[D]. 重慶:重慶理工大學,2014.

[2] 鄧江華,顧燦松,劉獻棟.基于聲陳列技術的汽車噪聲源識別及貢獻量分析[J].振動與沖擊,2010,23（6）：630-635.

[3] 黎旭等.基于 LMS自適應濾波的噪聲抵消[J].云南民族學院學報（自然科學版）,2000,12(6):35-38.

Research on Noise Reduction Measures of AJR Engine Electronic Control Training Station

Zhang Li, Liu Ailiang
( Department of Application & Engineering, Zhejiang Economic & Trade Polytechnical, Zhejiang Hangzhou 310018 )

Avoiding the high noise of the engine in the course of teaching, this paper takes the work noise of AJR engine as the research object, and proposes a set of active control noise (ANC) design method. According to this method, the active control noise system is designed to reduce the work noise of the AJR engine electronic control training platform, therefore improving the class environment of the students and teachers.

AJR engine; electronic control training platform; noise reduction; active control

U467

A

1671-7988 (2017)21-95-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.033

CLC NO.: U467

A

1671-7988 (2017)21-95-03

張立，男，（1978-），就職于浙江經貿汽車專業(yè)，主要從事小型風機的散熱及降噪研究?；痦椖浚罕卷椖渴?017年度省大學生科技創(chuàng)新活動（新苗計劃）項目（編號2017R443008）、2016/2017年學院大學生創(chuàng)新項目等資助。