標定參數對柴油機怠速聲品質影響的研究

馬世奇 宋恩棟 宋祥太

(1.上海內燃機研究所,上海 200438;2.上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心,上海 200438)

0 前言

柴油機因其良好的排放特性,近年來得到了廣泛應用,其振動-噪聲-平順性(NVH)的問題受到了廣泛關注[1-3]。柴油機噪聲為寬頻噪聲,頻率成分復雜,難以通過傳統的A計權聲壓級來描述人耳對柴油機噪聲的感受[4]。心理聲學參數作為與人的心理、生理特性密切相關的評價指標,可以比較準確地描述人耳聽覺特性,客觀地反映出不同噪聲信號對人耳主觀感受的影響[5-7]。通過分析柴油機噪聲的心理聲學參數可以有效地控制噪聲對人耳的影響,對柴油機相關參數的改進具有重要意義。近年來,心理聲學參數已經廣泛地應用于整車噪聲品質以及發動機噪聲品質等領域[8-10]。

本文針對某柴油發動機怠速噪聲大的問題,以傳統噪聲評價參數和心理聲學參數對不同標定狀態下的柴油機怠速噪聲進行評價,分析不同標定狀態下的怠速噪聲品質,找到影響柴油機怠速噪聲品質各參數的因素,為改善柴油機怠速噪聲品質提供相關的標定建議。

1 柴油機怠速噪聲測試

試驗以搭載在某皮卡車型上的4缸柴油機作為研究對象。測試地點在半自由聲場振動和噪聲試驗室里進行,環境溫度控制在25℃,測試過程中試驗室處于封閉狀態,沒有風速的影響。測量設備為LMS公司生產的Test Lab聲學與振動分析系統,采集整車6個位置的輻射噪聲,分別為車內主駕右耳處一個測點,發動機前后近場2個測點以及車前方距車艙1 m的左、中、右3個測點。

因發動機頂面有噴油泵和高壓共軌系統等附件,會導致較大的附件噪聲,且不同標定參數狀態下聲壓級變化相對明顯,因此選擇發動機頂面近場點作為觀測點,其他測點作為參考。因發動機轉速變化對怠速噪聲的影響較大,會掩蓋其他標定參數對汽車怠速聲品質的影響,因此保持怠速轉速為800 r/min。選取8個標定參數作為試驗控制因子,每個控制因子設置3個水平,具體內容見表1。

采用正交試驗法L27(38)進行試驗,針對每個試驗編號,進行3次聲音信號的采集,采樣頻率設置為40 960 Hz,每次采樣時間長度為7.5 s。

表1 設計因素及水平表

2 怠速噪聲信號特征提取

心理聲學把聲音的物理特性與人耳主觀感受聯系起來,聲品質參數用來描述人耳對噪聲的主觀感覺,屬于心理聲學的范疇。國內外的聲品質研究人員普遍采用基于Zwicker心理聲學理論的聲品質評價指標,包括響度、波動度、粗糙度和尖銳度等。

2.1 響度

將1 000 Hz純音的聲壓級為40 d B時的響度定義為1 sone。響度的計算使用Zwicker法(根據標準ISO532B),基于臨界帶寬計算,并對掩蔽效應進行了修正。計算公式為

式中：ETQ為絕對聽閾下激勵;E0為基準聲強下激勵;E為聲音激勵;z為臨界頻帶;N'(z)為特征響度;N為總響度。

2.2 尖銳度

尖銳度可理解為聲音頻譜上的重心,即高頻成分與總噪聲的比值。高頻成分增加則尖銳度增加,反之則減少。在以1 000 Hz為中心頻率的帶寬(小于150 Hz)以內,聲壓級為60 dB的窄帶噪聲定義為1 acum。尖銳度的計算公式為

式中：z為臨界頻帶;N'(z)為特征響度;N為總響度。

2.3 波動度

波動度描述調制頻率為0.5～20 Hz的聲音變化給人的聽覺感受,定義1000 Hz的純音,聲壓級60 d B,調制頻率為4 Hz,調幅100%的信號波動度為1 vacil。計算公式為

式中：L(z)為聲激勵變化量;z為臨界頻帶;fmod為調制頻率;N'max(z)為特征響度最大值;N'min(z)為特征響度最小值。

2.4 粗糙度

當調制頻率大于20 Hz時,人耳分辨不出每次聲音強度的變化,聽到的聲音是粗糙的。定義1 000 Hz的純音,聲壓級為60 dB,調制頻率為70 Hz,調幅100%的信號粗糙度為1 asper。粗糙度用于評價調制頻率為20～200 Hz的聲音信號,計算公式為

式中：ΔL(z)與式(5)相同;z為臨界頻帶;fmod為調制頻率。

2.5 噪聲信號特征具體計算方法

本次試驗在提取了響度、波動度、粗糙度和尖銳度4個心理聲學參數的同時,還提取了噪聲信號的總A計權聲壓級。響度的計算依據ISO 532B的Zwicker法,尖銳度采用DIN 45692的計算方法,波動度和粗糙度為LMS Test Lab軟件的計算方法。

3 測試結果分析

3.1 不同標定狀態的怠速噪聲特征參數表現

針對每個試驗編號,進行3次該標定狀態下噪聲信號的采集。噪聲信號特征參數的計算結果取3次試驗的平均值,具體的計算結果見圖1。

圖1 怠速噪聲信號特征參數計算結果

圖1中試驗19的總聲壓級、響度和粗糙度均為最低值,尖銳度和波動度為中等水平。對應的標定狀態為2次噴油量比為1.1、軌壓20 MPa、第一次預噴時間間隔1 000μs、第二次噴油時間間隔800μs、主噴提前角0°、TVA關閉85%、EGR閥開度30%、每行程預噴油量為2.4 mg。

尖銳度最低值所對應的試驗是試驗18,對應的標定狀態為2次噴油量配比為1.05、軌壓40 MPa、第一次預噴時間間隔600μs、第二次噴油時間間隔800μs、主噴提前角4°、TVA關閉5%、EGR閥開度30%、每行程預噴油量為3.0 mg。

試驗12的波動度值最低,其他噪聲特征參數處于中等水平。對應的標定狀態為2次噴油量配比1.05、軌壓20 MPa、第一次預噴時間間隔800μs、第二次噴油時間間隔1 000μs、主噴提前角4°、TVA關閉5%、EGR閥開度30%、每行程預噴油量為3.6 mg。

3.2 正交試驗分析

利用方差分析選擇對因變量具有顯著影響的因子。使用SPSS軟件對試驗數據進行方差分析。因子對目標的影響可以通過顯著性水平來評估,設FA為因子A的F值：若FA≤F0.95(fA,f e'),認為因子A對因變量沒有影響;若F0.95(fA,f e')＜FA≤F0.99(fA,f e'),認為因子A對因變量有影響,顯著性水平記為“**”;若FA＞F0.99(fA,f e'),認為A對因變量有顯著影響,顯著性水平記為“***”。方差分析得分結果如表2～6所示,表中的e'表示誤差。

表2 總聲壓級方差分析

由表2可知,因子B、C、D、G、H對總聲壓級有影響,且B、G、H的影響顯著。從圖2可以看出,因子G對總聲壓級影響最明顯,對應的均值幅值上變化了0.8 dB。

從表3可知,因子B、F、G、H對響度有明顯影響,且在圖3中呈現了不同的變化趨勢,其中因子B對響度的影響最大,幅值變化了2.15 sone。

由表4可知,因子A、B、D、E、F、G對尖銳度有影響,且除因子D外其他因子對尖銳度有明顯影響。從圖4可以看出,因子F對尖銳度影響最大,均值的幅值變化了0.04 acum。

圖2 因子B、C、D、G、H在3個水平上總聲壓級的均值

表3 響度方差分析

圖3 因子B、F、G、H在3個水平上響度的均值

表4 尖銳度方差分析

圖4 因子A、B、D、E、F、G在3個水平上尖銳度的均值

由表5可知,對粗糙度有影響的有因子B、C、G、H,且因子B、G、H對粗糙度有明顯影響。從圖5看出,因子G對粗糙度的影響最大,均值幅值變化了0.12 asper。

表5 粗糙度方差分析

圖5 因子B、C、G、H在3個水平上粗糙度的均值

從表6可以看出,對波動度有影響的只有因子F、G,僅因子G對波動度有明顯影響。由圖6可知,在因子G的影響下,波動度均值幅值變化了0.08 vacil。

針對顯著性水平為“***”的因子,繪制了如圖7所示的正交試驗結果圖,圖7中向上的箭頭表示因變量隨著因子水平的增加而增大,向下的箭頭表示因變量隨著因子水平的增加而減小。

從圖7可以看出：因子A僅對尖銳度有顯著影響,尖銳度隨A的增加而增大;因子B僅對波動度沒有顯著影響,總聲壓級、響度和粗糙度隨B的增加而增大,尖銳度隨B的增加而減小;因子C和D對因變量沒有呈現顯著影響;因子E僅對尖銳度有顯著影響,且尖銳度隨因子E的增加先減小后增大;因子F對響度和尖銳度有顯著影響,響度隨因子F的增加而減小,尖銳度隨因子F的增加而增大;因子G對所有因變量均有顯著影響,總聲壓級和尖銳度隨因子G的增加而減小,響度和粗糙度隨G的增加先減小后增大,波動度隨G的增加而增大;因子H對總聲壓級、響度和粗糙度有顯著影響,且均隨著H的增加而增大。

表6 波動度方差分析

圖6 因子F、G在3個水平上波動度方差分析

圖7 正交試驗結果變化趨勢

4 結論

在正交試驗的8個因子中,軌壓、EGR閥開度和預噴油量總量對怠速聲品質參數的影響較多,2次預噴油量配比、主噴提前角和TVA關閉程度對怠速聲品質的影響較少,而第一次預噴時間間隔和第二次預噴時間間隔對怠速聲品質的影響不顯著。

怠速聲品質的優化需要根據車輛的市場定位進行,根據多輛競品車輛的怠速噪聲表現提取相應的怠速聲品質客觀評價參數,同時需要組織專業人員對競品車怠速聲品質進行主觀評價,得到怠速聲品質參數的優化目標。最后結合上述結論,通過對標定參數進行適當調整,達到優化怠速噪聲聲品質的目的。