基于聲強法的發動機噪聲測量分析

劉臣富，李曉霖，岳東鵬

（天津職業技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222）

引言

隨著私家車日益增加，城市中汽車噪聲污染越來越影響到人們的日常生活。公眾更加重視汽車的環保性，對汽車噪聲的要求日趨嚴格。汽車的噪聲主要包括發動機噪聲、輪胎噪聲和傳動機構噪聲等。發動機是車輛行駛噪聲的一個最主要的噪聲源，要降低內燃機噪聲，必須找到內燃機的主要噪聲源的位置或部件，采取相應的減振降噪措施，才能夠收到預期的降噪效果。

本文以一臺車用發動機作為研究對象，采用日本小野公司生產的3599聲強分析軟件、聲強探頭、信號放大器和四通道分析儀對發動機不同位置進行聲強測試，用 Pulse軟件進行分析，檢測出該發動機的聲強分布情況，以提供改進依據。

1 發動機噪聲源識別及聲強測量技術

1.1 發動機噪聲源識別類型

目前，發動機基本結構不變的情況下降低噪聲源的識別技術是一個發展很快的研究領域。表面噪聲源識別的主要方法有：鉛屏蔽法、表面振動速度測量法、聲強測量法，此外還采用話筒拾音技術、傳遞函數法、聲全息攝影法等技術。

聲強測量法是通過測量傳聲介質微粒的速度與壓強，評定聲源及其相互影響的聲場，計算出真實聲功率。聲介質微粒速度用一般兩個非常接近的話筒測量、計算得到。由于聲強是矢量，它不僅能給出測點部位的聲流的量值，而且能揭示出聲能流的方向，同時還具有區分聲場中的有功分量和無功分量，所以聲強法無論在近場、自由場、遠場及廣散場中都能使用，無需特殊的聲學環境，也需要引入各種繁雜的修正系數，而同時分析速度比傳統的鉛屏蔽法要快。

1.2 聲強測量的基本原理

聲強測量法識別噪聲源是利用聲強的矢量性特點和聲強探頭的方向靈敏度來進行的。當聲強探頭在聲源附近移動時，聲波入射角與傳聲器膜片外法向方向為 90°時具有最小的方向靈敏度，輸出聲強為 0。當聲強探頭改變位置并使其夾角小于或大于90°時，聲強探頭輸出正或負聲強，且隨夾角增加在 0～180°范圍內聲強絕對值增加，因此，用聲強測量法能區分出聲波入射的方向，從而找到噪聲聲源，也可測量可能聲源位置。

2 四缸發動機表面聲強研究及發動機噪聲分析

2.1 試驗準備

試驗用發動機為直列四缸水冷四沖程汽油機，其最大輸出功率為 78KW，額定轉速 4600rpm/min；最大扭矩為190N·m/2400-2800rpm/min。測試發動機在2000rpm時整機表面的輻射噪聲。

2.2 試驗測試

依據國際標準 ISO9614-1，將被測發動機作為聲源，用一假設的矩形包絡面包圍。沿x方向布置21個點，測點間距50mm；沿y方向布置27個點，測點間距50mm；測點距發動機表面100mm。圖2-1為實驗室發動機前端面的實景圖。測量完畢后利用 Pulse軟件對記錄信號計算處理，就得到每一個測點的聲強，進一步分析可得到每一個測量面上的等聲強線圖（依聲強級值大小分為紅、粉、深藍、黃、綠和淺藍）和等聲強線的三維圖。將通過 Pulse軟件測得的發動機前端面噪聲云圖覆蓋在發動機前端面實景圖上，即可以直觀的觀測處發動機各部件所在位置的發動機振動情況。

圖2 前端面常速狀態聲強云圖

2.3 試驗圖形分析

對發動機振動在500-1kHz頻率段進行分析。對發動機前端面的每個點進行計算，從而得出發動機前端面每個測試點的聲強值。在所得數據值中進行比較分析，以聲強 I=20 dB為基準值，可得出，該發動機在測試轉速下，發動機前端面振動的峰值分布較分散，大致分布在油底殼，皮帶輪，進氣歧管，發電機，缸蓋，及轉向柱塞泵處（如圖1、圖2所示）；發動機左側端面振動較弱，僅在油底殼，變速箱及機油濾清器處噪聲振動較大，如圖3、圖4所示；發動機右側端面噪聲振動較弱，僅在油底殼的兩端位置產生了兩處峰值，而在進氣歧管位置的噪聲振動甚至低于基準值，如圖5、圖6所示；發動機上端面噪聲振動的峰值分布大致在飛輪，氣缸室蓋，排氣歧管及進氣歧管穩壓倉處（如圖7、圖8所示）。

圖3 發動機左側端面

圖4 左側端面常速狀態聲強云圖

圖5 發動機右側端面

圖6 右側端面常速狀態聲強云圖

圖7 發動機上端面

圖8 上端面常速狀態聲強云圖

圖9 所測發動機常速工況立體圖

根據測試工況下該發動機前、左、右、上四個端面的聲強云圖進行三維立體組合，可以得出發動機的噪聲振動較為劇烈的地區，運用聲強計算公式進行計算，得到三維立體分布圖（如圖9所示）。

對于聲強云圖的測量網格，水平方向本文定義為x方向，垂直方向定義為y方向，左下方第一個點為起始點，設為（1，1）。這樣圖2-2中就有三個峰值區：（5，1）處（聲強級99.4dB）對應于油底殼；（8，4）處(聲強級 99dB)和（9，4）處（聲強級99.3dB）與皮帶輪相對應。圖2-4為發動機左側面聲強法測量得到的聲場分布，其中有兩個個峰值區：（1，12）處（聲強級為99.2dB）是油底殼；（7，13）處（聲強級為99dB）為變速箱。圖2-4中有兩個峰值位置：（6，1）對應于油底殼一端，測量值為99dB；（23，2）處（聲強級為99dB）與油底殼另一端對應。圖2-6中有三個峰值區（7，1）處（測量值98.6dB）為飛輪；（4，18）處（測量值98.8dB）對應進氣管；（8，14）處（聲強級98.7dB）是氣門室罩蓋。從上面各圖中的三維圖可以直觀地看到發動機表面輻射噪聲的分布情況。

通過上述分析可得出該發動機的主要噪聲源為油底殼、變速箱、氣門室罩蓋、皮帶輪和進氣管。

3 結論

（1）采用聲強測量方法可無需消聲室，同時該方法對于識別發動機與汽車噪聲源具有快速、便捷和準確的特點。聲強測試技術的研究和應用有利于推動汽車和發動機噪聲控制技術水平的發展和提高。

（2）通過聲強測量發現該發動機的油底殼位置處噪聲振動效果最強，應將其作為主要噪聲控制對象。

[1] 岳東鵬,郝志勇,劉月輝,韓軍.柴油機表面噪聲源識別的試驗研究[J].機械工程學報.2004.06

[2] 劉月輝,郝志勇.車用發動機表面輻射噪聲的研究[J].汽車工程.2005(3)：213～216.

[3] Crewe A, Perrin F, Benoit V and Haddad. K Real-Time Pass-by Noise Source Identification Using A Beam-Forming Approach. SAE -Paper, 2003-01-1537.