内燃机发动机噪声文献综述

内燃机燃烧噪声与机械噪声对整机噪声影响综述在整车噪声中，发动机运行产生的噪声比例最大，尤其是在卡车或柴油机车上，发动机噪声占整车噪声的 75%以上。2002 年 7月阎效东12综述了车用内燃机噪声控制技术的发展历程、现状和最新发展趋势，指出我国内燃机噪声控制技术在保护环境中的地位，也提到内燃机由很多零部件组成，它们刚性地连接在一起，相互作用产生噪声，所以识别内燃机噪声就变得很困难。内燃机噪声一般可以分为机械噪声、燃烧噪声和空气动力性噪声，空气动力性噪声又包括进气噪声和排气噪声，它们可以通过消声器来控制,其中机械噪声和燃烧噪声合称为内燃机表面噪声1。由于不同噪声产生的机理不同，控制的方法也有所不同，所以正确识别和分离内燃机噪声源是开展发动机噪声控制的基础。其中燃烧噪声是从机体表面辐射出的噪声，它是由于气缸内压力突然增大,发动机各机械零部件相互碰撞产生振动进而引发出的噪声。空气动力性噪声主要是指进气噪声、排气噪声，由于这些声辐射源空间位置分隔较远，容易进行识别。但机械噪声和燃烧噪声都发生于内燃机内部并经内燃机结构表面向外辐射，两者在发生的时间、空间、传播的途径和信号的基本频域特征等方面都重叠交织在一起，如何识别和分离这两类噪声并计算其对整机噪声的贡献度是柴油机噪声控制领域的重要任务之一6。传统的识别方法多是用来识别发动机的主要辐射噪声部件,但不能识别辐射噪声的类型。新型方法可以分离柴油机的燃烧噪声与机械噪声，并识别出了柴油机在不同的运行工况下燃烧噪声与机械噪声对整机噪声声功率的贡献度。除了进排气噪声，柴油机的主要噪声是燃烧噪声和机械噪声。当我们测量整机声功率和燃烧噪声声功率时，机械噪声声功率就可以通过整机声功率减去燃烧噪声声功率得到，进而燃烧噪声和机械噪声占整机噪声的比例就可以通过燃烧噪声声功率或者机械噪声声功率求得。有文献研究表明，在高辐射噪声运行工况时，机械噪声是发动机噪声的主要成份,因此,针对柴油机的噪声控制首先要控制柴油机的机械噪声。国内外学者对内燃机噪声源识别做了一些研究2-5,目前国内采用较多的是分别运行法3和盲源分离技术5等。文献3魏凯等通过研究摩托车发动机的振动发现，发动机转速不变时，随着发动机负荷的增加，燃烧噪声的贡献度逐渐增加；而当发动机负荷不变时，随着发动机转速的增加，机械噪声的贡献度迅速增加。作为发动机噪声主要声源的燃烧噪声，随负荷增加时，在其 1000Hz以下的频率成分显著上升，而2000Hz以上的高频成分变化不大。因而可以得出结论，若针对高频噪声进行降噪处理，可在不同的负荷工况下都产生效果；若针对低频噪声进行降噪处理，则对于大负荷工况效果明显。由于分别运行法在倒拖时不能真实再现缸内的高温高压，所以测得的机械噪声会较真实值小,而采用盲源分离技术得到的分离结果常常只是波形和原信号相似，幅值信息常常是没有意义的。文献7结合了表面振动技术和声强技术来识别内燃机噪声。试验是在天津大学的半消声室内进行的，试验用分析系统包括：加速度传感器、多渠道的电荷放大器、VS302N 声分析仪和相应频谱分析软件等。文献8用小波分析的方法来识别内燃机噪声，试验也在半消声室内进行。而消声室或半消声室造价昂贵，同时，即使有了这些设施，有很多内燃机因结构、重量尺寸及运转条件的限制也难于进行实验,对分析各种噪声对总噪声的贡献率进而进一步控制噪声十分不利。噪声常用的识别方法主要有：铅屏蔽(包装)法、表面振动速度法、话筒拾音法(近场测量法)、声强法等。铅屏蔽法是利用高密度的铅具有很大的传声损失，阻碍声波的辐射，并用阻尼系数很大的玻璃纤维棉做隔振材料，并防止回声的形成，从而使声源的噪声辐射大幅度地减小 1530dB。近场测量法是将传声器靠近测量声源的表面，测量各个声源的近场噪声值，通过比较各个近场噪声值的大小来判断声源的主次强弱的方法。表面振动速度(加速度)法的原理是根据物体结构振动引起噪声，结构表面的振动速度越大所辐射的噪声越大。声强识别法是通过测量发动机表面或零部件的声强来比较噪声辐射的大小和强弱，它具有分析准确、辨识精度高的特点。目前还有很多方法可以借鉴910。文献9给出了通过声强来识别柴油机噪声的方法，试验在半消声室内进行，设备包括：双通道声分析仪、多功能谱分析仪、声强分析仪和系统声强放大器等。采用声强法对带消声器柴油机产生噪声的主要部位和零部件声辐射特性进行了识别。测试结果表明：柴油机零部件中正时齿轮室盖、胶带轮、挺杆室侧盖板的声强级相当高, 达到 118dB；发动机的一些覆盖件和薄壁钣金件如气门室罩盖、油底壳、消声器、正时齿轮室罩盖对噪声的贡献很大，这 4个零件的声功率占整机的 50%以上, 因此要降低发动机噪声首先要降低这些部件的表面噪声辐射。文献10给出了一种通过频率特性识别发动机外部噪声的一种方法，频谱特性分析是声振特性试验分析中分析数据的重要手段之一，通过频谱特性分析可以了解声振信号的频率分布特性，进一步了解振动和噪声发生的机理。此实验发动机后接电涡流测功机，使用 ND2型精密声级计，测出发动机在不同转速(900、1000、1250、1286、1500r/min)、负荷(25%、50%、60%、75%、90%、100%)下的噪声时域曲线及气缸压力曲线, 经数据采集接口采集到计算机中, 进行数据处理后得出各工况下的噪声级频谱。通过 2135柴油机的噪声试验，测得噪声的时域响应，应用频谱分析法、相干函数法、传递函数法进行数据处理，将机械噪声和燃烧噪声识别出来，并得出其传递函数，在其传递途径上采取措施，分析结果显示发动机噪声主要是二阶、四阶振动引起的，传递途径存在很强的共振，因而提出了在传递途径上采取降噪措施，取得了较好的效果。在汽车噪声研究领域，还有很多理论和试验方法来识别噪声源。Hirano Izuho14等首先在发动机燃烧噪声、机械噪声分离研究领域中采用多元回归分析法研究了发动机各部件对燃烧噪声、机械噪声的影响程度。Badaou4等通过对发动机汽缸振动的测量估测了燃烧噪声和机械噪声对整机噪声的贡献度。然而没有直接从声学角度对发动机燃烧噪声、机械噪声对整机噪声的贡献度进行精确分析。文献11研究了通过声强方法识别柴油机表面辐射噪声的方法。测试仪器包括：声音放大器, 频谱分析仪、电脑等。文献13通过应用多通道谱分析仪来分析怠速运行状况下柴油发动机噪声的幅值调制。测试仪器包括：定时系统、柴油泵、动力协助转向泵、发电机、空调压缩机和油泵等。文献15介绍了一种识别直列四缸柴油机燃烧噪声和机械噪声的方法，即逐个灭缸法测燃烧噪声，并且给出了柴油机不同工况下运行时燃烧噪声和机械噪声占整机噪声的比例。将直列四缸发动机安装在半消声室内测得噪声信号，进气噪声和排气噪声引出室外。试验用 LMS SCADAIII型多功能分析系统来获取噪声信号和转速信号，速度传感器置于安装在测功机上的测速齿轮的齿顶或齿间位置。试验系统的结构框图如图所示。结果表明，随着转速和负荷的增加，机械噪声在整机噪声中变得越来越重要。最高声功率级发生在最高转速和最大负荷工况下，机械噪声声功率大概占柴油机噪声声功率的 70%。在其他高速运行工况下，机械噪声占整机噪声的比重也很大，有时会超过 80%。所以作者指出了对柴油机进行噪声控制的方向：要控制整个柴油机噪声，我们应该首先考虑降低其机械噪声。文献6 针对内燃表面噪声的识别问题，通过采用改变点火(喷油)提前角的方法测得 2种情况下的总噪声和缸压曲线，经过编制的程序对内燃机表面噪声进行识别和分离得到燃烧噪声和机械噪声的频谱和声功率级，从而得到两者在内燃机噪声中所占比例，对于进一步进行内燃机噪声控制有一定的价值。在信号的测试、采集、传输、记录、分析和回放过程中，随机误差和系统误差等是难以避免的。比较以往内燃机燃烧噪声与机械噪声的测试方法，作者引入了小波变换对信号进行降噪处理, 提高了机械噪声和燃烧噪声的精度。利用小波变换进行降噪时，可以使正交基的选取更接近信号本身，同时采用一定的方法选取阈值就能够生成最小方差估计的降噪信号，这样就很容易降低甚至消除干扰噪声，提高识别精度。这种方法所需测量的原始数据较少，识别的精度较高，能同时得到机械噪声和燃烧噪声的频谱和声功率级，对于不同类型的内燃机具有一定的普遍应用性。总之，为了满足日趋严格的噪声法规的要求，世界各国都在积极开发低噪声内燃机，要降低内燃机噪声，应遵循原则：从内燃机噪声的噪声源，传播途径及辐射表面等方面入手，明确降噪的对象和目标，力争在内燃机总体设计开发阶段就采取相应的对策以满足内燃机的性能质量和噪声等级等各方面的要求。参考文献：1何渝生，邓兆祥，陈朝阳.汽车噪声控制M.北京：机械工业出版社，1999:67-71.2葛楠，刘月辉.独立分量分析在内燃机噪声信号分离中的应用J.天津大学学报，2006，39(4)：454-457.3魏凯，毕凤荣.发动机燃烧噪声与机械噪声对整机贡献度的实验研究J.小型内燃机与摩托车，2007，36(4)：82-84.4 M.E.l Badaou. Separation of combustion noise and piston-slap in diesel engine- Part I: Separation of combustion noise and piston- slap in diesel engine by cyclic Wiener filtering. Mechanical Systems and Signal Processing19, 2005.5SERVIEREC,LACOUMEC, M.E.l Badaou, et al. Separation of combustion noise and piston-slap in diesel engine, Part II: separation of combustion noise and piston-slap using blind source separation methodsJ.Mechanical Systems and Signal Processing, 2005,19(6):1218-1229. 6王攀,邓兆祥,刘永超,胡亮.内燃机机械噪声和燃烧噪声的识别分离J.重庆大学学报,2010,33(5):16-21. 7 Hao Zhiyong, LiuYuehu, andBi Fengrong. Experimentalstudy on the noise source identification of a Diesel Engine of passenger carJ. Transactions of CSICE,2004,22(2):150-1548杨金才,郝志勇,贾维新.内燃机传动噪声识别的小波分析方法J.内燃机工程, 2005,26(5):74-769吕兴才,黄震.柴油机噪声源的声强识别方法J. 农业机械学报, 2004,35(5):51-5410段敏,石晶, 鲁晓丽. 发动机噪声源识别的试验方法J.辽宁工学院学报(自然科学版),2003,23(2):36-38.11Zhang Junhong and HanBing. Analysisof engine front noise using sound intensity techniquesJ. Mechanical Systems and Signal Processing, 2005, 19(1):213- 22112阎效东，环境保护与内燃机噪声控制技术，山西能源与节能，2002 年第 4期（总第 27期） ，2002 年 12月，34-3513Q. Leclere, et a.l Application of multi-channel spectral analysis to identify the source of a noise amplitude modulation in a diesel engine operatin