道路洗掃車(chē)車(chē)外噪聲源測(cè)試與診斷研究

吳智勇 鄭偉光

1. 湖北新楚風(fēng)汽車(chē)股份有限公司 湖北隨州 4413002. 湖北省專用汽車(chē)研究院 湖北隨州 441300

1 前言

隨著我國(guó)公路里程與道路垃圾的不斷增加，洗掃車(chē)在城市治理道路整潔方面的作用也越來(lái)越突出[1]，但洗掃車(chē)在工作過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲較大，已成為城市的主要噪聲污染源之一。本文以降低車(chē)外噪聲為目標(biāo)，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 1495-2002《汽車(chē)加速行駛車(chē)外噪聲限值及測(cè)量方法》以及GB/T 14365-2017《聲學(xué) 機(jī)動(dòng)車(chē)輛定置噪聲聲壓級(jí)測(cè)量方法》，對(duì)某公司新研制的罐式洗掃車(chē)的噪聲進(jìn)行測(cè)試與聲源診斷[2]。

罐式洗掃車(chē)是垃圾廂結(jié)構(gòu)為罐式結(jié)構(gòu)的一種新型洗掃車(chē)，罐式結(jié)構(gòu)垃圾廂與傳統(tǒng)廂式結(jié)構(gòu)垃圾廂相比具有成型簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高、垃圾易傾卸無(wú)殘留的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)測(cè)試樣車(chē)在不同工況下的噪聲及振動(dòng)情況，確定主發(fā)動(dòng)機(jī)、副發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)及洗掃機(jī)構(gòu)等各部件噪聲對(duì)整車(chē)的能量貢獻(xiàn)及其主次順序，獲得該樣車(chē)的主要噪聲源，為科學(xué)地進(jìn)行噪聲控制提供依據(jù)[3]。新型罐式洗掃車(chē)如圖1所示。

2 測(cè)試設(shè)備與方案

2.1 測(cè)試設(shè)備

圖1 某型罐式洗掃車(chē)

測(cè)試采用的設(shè)備有LMS前端及測(cè)試分析系統(tǒng)、常溫三軸加速度傳感器、高溫單軸加速度傳感器、麥克風(fēng)傳感器（含電荷放大器、風(fēng)罩），如表1所示。

2.2 測(cè)設(shè)方案

測(cè)試中各傳感器的布置如圖2所示。其中，矩形1、3、5、8、9、10、11、13為傳聲器，圓形2、4、6、7、12、14、15為加速度傳感器。

表1 測(cè)試的主要設(shè)備

圖2 傳聲器和傳感器的布置

測(cè)試工況如表2所示。

表2 測(cè)試工況表

3 罐式洗掃車(chē)噪聲識(shí)別及其頻譜分析

3.1 評(píng)價(jià)點(diǎn)的選取

對(duì)于每一種測(cè)試工況，為排除環(huán)境因素干擾，選取評(píng)級(jí)點(diǎn)總聲壓級(jí)的中位數(shù)為測(cè)試數(shù)據(jù)組進(jìn)行分析。各工況下左、右評(píng)價(jià)點(diǎn)及背景噪聲聲壓級(jí)如表3所示。

表3 各工況下左右評(píng)價(jià)點(diǎn)及背景噪聲聲壓級(jí)（A）

由表3可知：

a. 當(dāng)洗掃車(chē)處于工況1（僅開(kāi)啟主發(fā)動(dòng)機(jī)）時(shí)，評(píng)價(jià)點(diǎn)處的噪聲最小，此時(shí)比工況0（環(huán)境噪聲）高出20 dB以上。因此，測(cè)試結(jié)果滿足國(guó)標(biāo)GB/T 14365-2017中高出背景噪聲10 dB的要求；

b.除開(kāi)工況5（開(kāi)蓋工況）外，工況4下洗掃車(chē)的總聲壓級(jí)最大。

因此，在進(jìn)行近場(chǎng)聲源頻率特性分析時(shí)，以工況4的左右評(píng)價(jià)點(diǎn)噪聲頻率峰值作為目標(biāo)頻率，并結(jié)合其他工況與近場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。工況4左右評(píng)價(jià)點(diǎn)倍頻程圖如圖3所示。

圖3 工況4的左右評(píng)價(jià)點(diǎn)倍頻程圖

根據(jù)圖3可知，左評(píng)價(jià)點(diǎn)的總聲壓級(jí)較大。通過(guò)計(jì)算可得：左評(píng)價(jià)點(diǎn)處各頻段噪聲能量占比如表4所示。

表4 工況4下洗掃車(chē)左評(píng)價(jià)點(diǎn)各頻段噪聲能量占比

工況4左評(píng)價(jià)點(diǎn)處的功率譜密度圖如圖4所示，主要噪聲頻率有32.5 Hz、48.25 Hz 、62.5 Hz、100.5 Hz與667.25 Hz。

圖4 工況4左評(píng)價(jià)點(diǎn)功率譜密度圖

3.2 基于分步運(yùn)轉(zhuǎn)法的各部件主要噪聲源排序

洗掃車(chē)的分步運(yùn)轉(zhuǎn)法噪聲診斷首先需測(cè)試得到所有裝置裝備同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)（即洗掃車(chē)全洗掃——工況4）的評(píng)價(jià)點(diǎn)總聲壓級(jí)。關(guān)閉風(fēng)機(jī)及洗掃系統(tǒng)，測(cè)試單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)主副發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)（工況2）左右評(píng)價(jià)點(diǎn)總聲壓級(jí)。然后，運(yùn)用分步運(yùn)轉(zhuǎn)法原理并結(jié)合洗掃工況下總聲壓級(jí)，采用式(1)的聲級(jí)減法公式得到風(fēng)機(jī)及洗掃系統(tǒng)噪聲總聲壓級(jí)。再關(guān)閉副發(fā)動(dòng)機(jī)，測(cè)試單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)主發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)（工況1）左右評(píng)價(jià)點(diǎn)總聲壓級(jí)，并結(jié)合主副發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)下總聲壓級(jí)，采用式（1）聲級(jí)減法公式便可得到副發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲總聲壓級(jí)[4]。

運(yùn)用分步運(yùn)轉(zhuǎn)法得到的主發(fā)動(dòng)機(jī)、副發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)及洗掃機(jī)構(gòu)三個(gè)噪聲源的噪聲排序如表5所示。

表5 基于分步運(yùn)轉(zhuǎn)法噪聲源排序

3.3 基于相干分析法的傳遞路徑與能量貢獻(xiàn)

洗掃車(chē)各噪聲源之間的相關(guān)性明顯，所以在相干分析的基礎(chǔ)上，利用偏相干法可以獲取洗掃車(chē)外部評(píng)價(jià)點(diǎn)處空氣噪聲源的影響貢獻(xiàn)因子[5-6]。各主要測(cè)點(diǎn)在主要峰值頻率內(nèi)的偏相干系數(shù)列于表6。

3.4 基于頻譜分析法的風(fēng)機(jī)噪聲特性分析

基于表6分析可知：全洗掃工況（工況4）下，洗掃車(chē)的主要噪聲源是風(fēng)機(jī)出口處。

表6 洗掃車(chē)左評(píng)價(jià)點(diǎn)處噪聲在峰值頻率下的貢獻(xiàn)系數(shù)

圖5 工況4下風(fēng)機(jī)出口處自功率譜密度圖

由圖5可知：該工況下，風(fēng)機(jī)出口處的主要噪聲峰值頻率為62.5 Hz、100.5 Hz以及667.25 Hz，對(duì)應(yīng)頻段分別為63 Hz、100 Hz與630 Hz，總能量占比超過(guò)80%。結(jié)合風(fēng)機(jī)噪聲特性可初步判斷62.5 Hz與100.5 Hz噪聲為渦流噪聲；667.25 Hz為風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)噪聲。

3.5 頻率點(diǎn)噪聲分析

3.5.1 頻率點(diǎn)62.5Hz噪聲分析

擬通過(guò)改變風(fēng)機(jī)出口氣流方向，來(lái)確定62.5Hz噪聲的具體來(lái)源。考慮風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了出風(fēng)口轉(zhuǎn)接頭來(lái)改變出口處的氣流方向，且轉(zhuǎn)接頭可另接橡膠水帶。

對(duì)原始測(cè)試數(shù)據(jù)、僅安裝轉(zhuǎn)接頭測(cè)試數(shù)據(jù)、安裝轉(zhuǎn)接頭和延長(zhǎng)管測(cè)試數(shù)據(jù)，選取工況4（即全洗掃工況）左評(píng)價(jià)點(diǎn)1/3倍頻程譜圖、氣流出口功率譜密度圖進(jìn)行三種安裝狀態(tài)的對(duì)比，如圖6、7所示。風(fēng)機(jī)出口安裝轉(zhuǎn)接頭后，評(píng)價(jià)點(diǎn)處63 Hz頻段噪聲大幅降低了13.37 dB(A)，因此可知63 Hz頻段噪聲應(yīng)為氣流沖擊風(fēng)機(jī)出口附近其他機(jī)械結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的再生渦流噪聲；在加裝橡膠延長(zhǎng)管后，高速氣流被完全導(dǎo)出使得車(chē)內(nèi)不存在氣流沖擊效應(yīng)，左評(píng)價(jià)點(diǎn)63Hz頻段噪聲相較于僅安裝轉(zhuǎn)接頭時(shí)下降了7.85 dB(A) ，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了結(jié)論的正確性。

圖6 左評(píng)價(jià)點(diǎn)1/3倍頻程譜圖

圖7 氣流出口功率譜密度圖

3.5.2 頻率點(diǎn)100.5 Hz噪聲分析

為驗(yàn)證100.5 Hz噪聲是否為風(fēng)機(jī)內(nèi)部渦流噪聲，設(shè)計(jì)了薄壁金屬引流管將風(fēng)機(jī)出口氣流引到車(chē)后方，將風(fēng)機(jī)出口處麥克風(fēng)布置在引流管出口處，并在引流管外壁布置單軸加速度傳感器，按照原測(cè)試方案測(cè)試安裝引流管后的振動(dòng)噪聲信號(hào)。

洗掃車(chē)全洗掃工況時(shí)，左評(píng)價(jià)點(diǎn)處噪聲信號(hào)1/3倍頻程譜圖在安裝引流管前后對(duì)比如圖8所示。安裝延長(zhǎng)管后，評(píng)價(jià)點(diǎn)處僅63 Hz頻段噪聲降低較多；100 Hz頻段噪聲同安裝轉(zhuǎn)接頭試驗(yàn)結(jié)果的趨勢(shì)相近，進(jìn)一步驗(yàn)證了該頻段噪聲并非風(fēng)機(jī)出口處氣流沖擊其他機(jī)械結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生。

圖8 左評(píng)價(jià)點(diǎn)處噪聲信號(hào)1/3倍頻程譜圖

由圖9、10可知，安裝延長(zhǎng)引流管之后，引流管表面存在100 Hz的振動(dòng)峰值，而風(fēng)機(jī)殼體上振動(dòng)沒(méi)有該頻率的峰值，表明延長(zhǎng)引流管上100 Hz峰值是由風(fēng)機(jī)氣流激勵(lì)而產(chǎn)生，而非由風(fēng)機(jī)殼體振動(dòng)傳遞而產(chǎn)生（非機(jī)械噪聲）。

圖9 金屬管表面加速度信號(hào)

圖10 風(fēng)機(jī)進(jìn)口、殼體Z方向加速度信號(hào)

圖11 加裝引流管后膠管口噪聲信號(hào)

布置于延長(zhǎng)引流管表面的加速度傳感器的自功率譜密度圖如圖11所示：在管出口處僅存在103.75 Hz與678.75 Hz的噪聲峰值。綜上所述，可判斷100.5 Hz頻段為風(fēng)機(jī)內(nèi)部葉片處產(chǎn)生的渦流噪聲。

3.5.3 頻率點(diǎn)667.25Hz噪聲分析

結(jié)合圖4、5、9、11可知，667.25 Hz噪聲頻率（隨工況和被測(cè)對(duì)象狀態(tài)不同有小范圍頻率偏移）總能在氣流出口和評(píng)價(jià)點(diǎn)處的測(cè)試數(shù)據(jù)中呈現(xiàn)單一峰值，來(lái)源于風(fēng)機(jī)內(nèi)部的氣動(dòng)噪聲。根據(jù)風(fēng)機(jī)噪聲特性，可知630 Hz頻段的噪聲為與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)的旋轉(zhuǎn)頻率噪聲。

4 噪聲源識(shí)別結(jié)果分析

通過(guò)一系列的測(cè)試與分析，洗掃車(chē)在洗掃工況下主要噪聲源信息及其控制措施如表7所示。

由表7可知，洗掃車(chē)主要噪聲源依次為風(fēng)機(jī)出口氣流再生噪聲、風(fēng)機(jī)內(nèi)部流體的渦流噪聲及風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率噪聲，其噪聲能量占總聲能量的80%以上，因此，研究風(fēng)機(jī)排氣系統(tǒng)及其消聲器是控制洗掃車(chē)整車(chē)噪聲的主要手段。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某洗掃車(chē)為研究對(duì)象，通過(guò)噪聲測(cè)試與聲源識(shí)別，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a.分步運(yùn)轉(zhuǎn)法是確定復(fù)雜系統(tǒng)噪聲源能量狀況的有效方法，本文采用分步運(yùn)轉(zhuǎn)法得到了洗掃車(chē)的主要噪聲源為風(fēng)機(jī)噪聲；

b.通過(guò)頻譜分析與偏相干分析，得到了洗掃車(chē)風(fēng)機(jī)噪聲的頻率特性及產(chǎn)生的原因，并確定了各主要噪聲頻率的來(lái)源及能量占比；

c.洗掃車(chē)噪聲源識(shí)別結(jié)果表明，研制高性能的風(fēng)機(jī)排氣消聲系統(tǒng)、改善風(fēng)機(jī)出口的流場(chǎng)特性是降低洗掃車(chē)噪聲的主要手段。

表7 洗掃車(chē)主要噪聲源及控制方案