大功率柴油機聲品質(zhì)研究

摘? 要：本文采用仿真人工頭記錄了大功率柴油機的聲音樣本，通過分析聲音樣本的客觀參數(shù)，建立了聲品質(zhì)主客觀評價預測模型，分析了不同工況噪聲的聲品質(zhì)特性。分析結(jié)果顯示：在柴油機不同方位，響度隨著轉(zhuǎn)速和負荷的增加而增加;尖銳度隨著轉(zhuǎn)速的增加顯著提高，但與柴油機的負荷關系不大;粗糙度的變化與測量的位置有關。在9個代表性樣本中，聲品質(zhì)評價隨著柴油機的轉(zhuǎn)速和負荷的增加明顯降低。運用多元線性回歸法得到了聲品質(zhì)主觀評價模型，平均誤差為17.53%。

關鍵詞：柴油機;聲品質(zhì);噪聲;噪聲測試.

一直以來，針對商用大功率柴油機的聲品質(zhì)特性的研究較少，但是隨著生活質(zhì)量的不斷提升，大功率柴油機的聲品質(zhì)越來越引起用戶的關注。針對大功率柴油機的聲品質(zhì)研究，目前能找到相關文獻有限。劉海等人使用新的遺傳優(yōu)化算法對變負荷和變轉(zhuǎn)速工況下的柴油機進行了全面的聲品質(zhì)研究，建立了新的客觀參數(shù)與主觀滿意之間的非線性映射關系。文獻【2】中，尤險峰等人研究了燃燒噪聲二級影響因素對柴油機的聲品質(zhì)影響，結(jié)果顯示控制節(jié)氣門開度等可以適當控制聲品質(zhì)。本文與天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室合作，利用HEAD Acoustic公司的仿真人工頭測試系統(tǒng)及ArtemiS分析軟件對某款大功率柴油機的聲品質(zhì)進行了分析，為后續(xù)進一步減振降噪指明了方向。

一、測試實驗過程

1.測試對象

測試對象為某主機廠生產(chǎn)的大馬力柴油機，最大功率為331千瓦。

2.測試環(huán)境及設備

測試實驗在天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室振動和噪聲實驗室完成，試驗選用的設備是 HEAD Acoustic公司的仿真人工頭測試系統(tǒng)（型號為HMS IV.1）及ArtemiS分析軟件（型號為Suite 8.0）。

3.測試工況

人工頭測試主要以穩(wěn)態(tài)工況下柴油機噪聲測試為主，柴油機穩(wěn)定在測試工況后開始進行噪聲測試，噪聲樣本采集記錄了36個不同工況點下，柴油機油泵側(cè)、排氣側(cè)和皮帶輪側(cè)1.8m處的雙耳穩(wěn)態(tài)噪聲信號。剔除收到干擾的不穩(wěn)定聲音樣本后，得到了108個長度為30s的有效噪聲樣本。測試工況如表1所示。

二、實驗結(jié)果分析

1.技術(shù)路線

噪聲測試處理技術(shù)路線主要分為4步：采集108組柴油機在不同工況下的噪聲數(shù)據(jù)樣本;通過聚類分析選取出9個代表性樣本，使用語義細分法進行主觀評價試驗，利用聲品質(zhì)分析軟件計算噪聲樣本的客觀參數(shù)（包括響度、尖銳度、粗糙度）;通過主客觀評價回歸分析，得到聲品質(zhì)主觀評價的預測模型;分析對比108組噪聲數(shù)據(jù)的回歸預測結(jié)果。

采用Head Acoustic 設備能提供 “聲品質(zhì)”測試參數(shù)包括 Loudness（響度）、Roughness（粗糙度）、Sharpness（尖銳度），是國際上柴油機和汽車行業(yè)用來形容主觀噪聲的客觀測試參數(shù)。

指標 AI 跟心理聲學參數(shù)關系假定是：AI = a*Loudness + b*Roughness + c*Sharpness +d，確定 a、b、c、d四個常數(shù)，就能找到主觀噪聲評價指標。

2.聲品質(zhì)的主觀評價

通過柴油機噪聲樣本的聚類分析，選擇柴油機轉(zhuǎn)速和負荷作為評價指標，選取800rpm負荷0、50%、100%，1200rpm負荷50%，1400rpm負荷0、100%，1900rpm負荷0、50%、100%等9組作為代表性樣本，進行主觀評價打分，通過與客觀參數(shù)進行相關性分析后，得到主觀評價預測模型。余下的99組樣本，通過預測模型得到最終的預測結(jié)果。

采用語義細分法來進行噪聲的主觀評價步驟：選擇20名測試人員，進行對比評價;9個代表性聲音樣本，隨機排列形成18個主觀評價的聲音樣本;各測試人員比較每對聲音數(shù)據(jù);最后完成對9個代表性樣本的主觀評價打分。最終得到10份噪聲聲品質(zhì)主觀評價的有效問卷，見表2。

2.3 響度、尖銳度和粗糙度計算

2.3.1 響度計算

根據(jù)主觀評價得分計算響度值如表3所示。從表3中的響度計算結(jié)果可以看出，柴油機噪聲在排氣側(cè)、皮帶輪側(cè)和油泵側(cè)的響度分布在60-160 sone 范圍內(nèi)，并隨著轉(zhuǎn)速和負荷的提高而增加。排氣側(cè)、皮帶輪側(cè)和油泵側(cè)在800轉(zhuǎn)低負荷時，響度最小值分別為75.8、64.2、80.5 sone;在1900轉(zhuǎn)滿負荷時，響度值最大為154、137、153 sone。

2.3.2 粗糙度計算

根據(jù)主觀評價得分計算粗糙度值如表4所示。從表4中的響度計算結(jié)果可以看出，在排氣側(cè)、皮帶輪側(cè)和油泵側(cè)，柴油機的噪聲粗糙度分布在0.05-0.18 asper 范圍內(nèi)。在柴油機不同方位，其變化規(guī)律也不一致。在排氣側(cè)，粗糙度隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。在皮帶輪側(cè)，粗糙度在1600轉(zhuǎn)低負荷取得最大值，而在1400轉(zhuǎn)以下變化不大。在油泵側(cè)，粗糙度在大轉(zhuǎn)速高負荷出取得最大值。

2.3.3 尖銳度計算

根據(jù)主觀評價得分計算尖銳度值如表5所示。從表5中的計算結(jié)果可以看出，柴油機噪聲在排氣側(cè)、皮帶輪側(cè)和油泵側(cè)的尖銳度分布在4-11 acum范圍內(nèi)。在柴油機不同方位，噪聲的尖銳度隨著轉(zhuǎn)速的增加而顯著提高，隨著負荷的增加變化不大。在1600轉(zhuǎn)到1900轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，尖銳度值明顯高于低轉(zhuǎn)速工況下的數(shù)值。

3 聲品質(zhì)主觀評價預測模型

從主觀評價得分和客觀參數(shù)結(jié)果帶入公式：

AI=a×Loudness（響度）+ b×Roughness（粗糙度）+ c×Sharpness（尖銳度）+ d

根據(jù)統(tǒng)計分析方法和最小二乘法，求得a=0.0165，b=-16.48637，c=0.21818，d=3.61294。

帶入數(shù)據(jù)進行誤差計算，結(jié)果如下表6所示。

對該柴油機進行主觀噪聲預測計算，計算結(jié)果如下表7所示結(jié)果可以看出，在柴油機排氣側(cè)噪聲聲品質(zhì)評價中，隨著轉(zhuǎn)速和負荷的增加，其評價得分值降低，在高轉(zhuǎn)速下尤為明顯。在1400轉(zhuǎn)50%負荷處，聲品質(zhì)的主觀評價有一個極大值。在皮帶輪側(cè)，高負荷的聲品質(zhì)評價明顯低于低負荷工況，聲品質(zhì)在1600轉(zhuǎn)低負荷取得極大值。在油泵側(cè)，聲品質(zhì)隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低，隨著負荷的增加變化不大。

三、聲品質(zhì)主觀評價預測模型

將主觀評價得分和客觀參數(shù)結(jié)果帶入上述AI公式：

=a×Loudness（響度）+ b×Roughness（粗糙度）+ c×Sharpness（尖銳度）+ d

根據(jù)統(tǒng)計分析方法和最小二乘法，求得a=0.0165，b=-16.48637，c=0.21818，d=3.61294。

帶入數(shù)據(jù)進行誤差計算，對該柴油機進行主觀噪聲預測計算，計算結(jié)果表7可以看出，在柴油機排氣側(cè)噪聲聲品質(zhì)評價中，隨著轉(zhuǎn)速和負荷的增加，其評價得分值降低，在高轉(zhuǎn)速下尤為明顯。在1400rpm 50%負荷處，聲品質(zhì)的主觀評價有一個極大值。在皮帶輪側(cè)，高負荷的聲品質(zhì)評價明顯低于低負荷工況，聲品質(zhì)在1600 rpm低負荷取得極大值。在油泵側(cè)，聲品質(zhì)隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低，隨著負荷的增加變化不大。

結(jié)論

本文通過對柴油機噪聲聲品質(zhì)測試分析，得出以下結(jié)論：

（1）本文采集了108組不同工況下的噪聲數(shù)據(jù)樣本，利用聲品質(zhì)分析軟件計算了噪聲樣本的客觀參數(shù)（響度、尖銳度、粗糙度）。結(jié)果顯示，響度隨著柴油機轉(zhuǎn)速和負荷的增加而增加;尖銳度隨著轉(zhuǎn)速的增加顯著提高，但與負荷關系不大;粗糙度與測試位置有關。

（2）通過20人的評議團，利用語義細分法對選取的9個代表性樣本進行了聲品質(zhì)主觀評價。結(jié)果表明，聲品質(zhì)評價隨著柴油機轉(zhuǎn)速和負荷的增加明顯降低。

（3）運用多元線性回歸法得到了聲品質(zhì)主觀評價模型，計算出主觀評價模型的平均誤差為13.2%。分析柴油機不同工況下的主觀評價預測結(jié)果，可以看出，隨著柴油機的轉(zhuǎn)速和負荷增加，排氣側(cè)噪聲聲品質(zhì)的評價得分值降低;在皮帶輪側(cè)，高負荷工況下的聲品質(zhì)評價得分明顯低于低負荷工況下的評價得分，在油泵側(cè)，聲品質(zhì)隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低，隨著負荷的增加變化不大。

參考文獻

[1]? 劉海，張俊紅，倪廣健，等. 基于遺傳支持向量機的柴油機輻射噪聲品質(zhì)預測技術(shù). 振動與沖擊，2013，32（2）：111-114.

[2]? 尤險峰，等. 燃燒噪聲二級影響因素對柴油機聲品質(zhì)的影響【J】. 車用柴油機，2015，220（5）：75-79.

作者簡介：劉世鋒，1984年生，男，漢族，安徽省阜陽人，中級職稱，天津大學工程碩士，主要從事重型7商用車動力研發(fā)。