（机械设计及理论专业论文）发动机噪声源识别及其控制技术研究.pdf

发动机噪声源识别及其控制技术研究 摘要 噪声已经成为评价发动机性能的一项重要指标，因此对发动机进行噪声分析及控制 的研究具有理论和实践的重要意义。 本文分析了发动机的主要噪声及其产生原因，采用声强法的理论和方法对某发动机 制定了噪声测量方案，并对其进行了噪声测量。应用i - d c a s 软件对测试结果进行分析， 通过声强云图很直观地识别出发动机整机的主要噪声源，并计算了该发动机的各表面声 功率和整机辐射声功率。 以某发动机前托架为算例，建立了前托架的实体模型和有限元模型。在建立有限元 模型时，考虑有限元分析的需要，对前托架局部特征进行了必要的简化处理。通过对前 托架有限元模型的收敛性分析，综合考虑求解规模与计算精度，采用l o m m 四面体十节 点二次单元。在以上分析的基础上，采用兰索斯法对前托架进行自由模态分析，获得了 它的模态参数，为结构的降噪提供了依据。 通过对某发动机的前托架进行结构优化设计，获得了优化后的前托架模型。优化前 后模型的模态分析结果表明，前托架的刚度得到了有效的提高，从而有效的降低了前托 架的辐射噪声，为发动机的整机降噪奠定了基础。 关键词：发动机噪声，声强测量，噪声源识别，模态分析，优化设计 r e s e a r c ho nn o i s es o u r c ei d e n t i f i c a t i o na n dc o n t r o lo fe n g i n e a b s t r a c t n o i s ei n d e xw a s 船i m p o r t a n ta s p e c ti ne v a l u a t i n ge n g i n e sp e r f o r m a n c e a n a l y s i sa n d c o n t r o lo f e n g i n en o i s eh a st h es i g n i f i c a n c e t h i sp a p e ra n a l y z e dm a i nn o i s ea n dr e a s o n so fe n g i n e ，a r i da d o p t e dt h et h e r o ya n d n l e a s l l r eo fs o u n di n t e n s i t y t h ep r o j e c to fs o u n di n t e n s i t ym e a s u r e m e n th a sb e e ne s t a b l i s h e d i na d d h i o n , t h em e a s u r e m e n to f r e s e a r c h i n go b j e c th a sa l s ob e e ns t u d i e d t h i sp a p e ra n a l y z e d t h er e s u l t sb ym e a n so f l - d e a sa n di d e n t i f i e dt h em a i nn o i s es o h r c eo f e n g i n eb yn e p h o g r a r no f s o u n di n t e n s i t y t h e ni ta l s oc a l c u l a t e de x t e r i o rs o u n dp o w e ra n dr a d i a n ts o u n dp o w e ro f e n g i n e t a k eo n ef r o n tb r a c k e to fe n g i n ea sa l le x a m p l e ，i te s t a b l i s h e dt h es o l i dm o d e la n df i n i t e e l e m e n tm o d e lo f f r o n t b r a c k e to f e n g i n e ，w h o s ep a r to f f e a t u r eh a sb e e ns i m p l i f i e di no r d e rt o a n a l y s et h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l 1 0 m ma n ds o l i dp a r a b o l i ct e t r a h e d r o n1 0n o d e sh a sb e e n a d o p t e d t ot h ef r o n tb r a c k e to f e n g i n ev i ac o n s t r i n g e n ta n a l y z i n go f t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l b a s e do na n a l y s i n gm o d a lo ft h ef r o mb r a c k e tu s i n gl a n c z o s ，m o d a lp a r a m e t e rh a sb e e n f o u n d i th a sb e c o m ea l li n s t r u c t i o nf o rn o i s er e d u c t i o n b yc h a n g i n ga n do p t i m i z i n gi t sf r a m e w o r ko f f r o n tb r a c k e to f e n g i n e ，t h em o d e lo f f r o n t b r a c k e to fe n g i n eh a sb e e ng o t b yc o n t r a s t i n gm o d e l sb e f o r ea n da f t e ro p t i m i z a t i o n ，i th a s b e e nf o u n dt h a tt h er i g i d i t yw a si m p r o v e da n df o l l o w e dt h a tt h er a d i a n tn o i s eo ff r o mb r a c k e t w a sf e l l ，w h i c hh a sb e c o m et h ef o u n d a t i o no f t h en o i s er e d u c t i o no f e n g i n e k e yw o r d s ：n o i s eo f e n g i n e ，s o u n di n t e n s i t yt e s t i n g ，n o i s es o u l v 圮i d e n t i f i c a t i o n , m o d a la n a l y s i s ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：邀主垦滥日期：鲨! ：! ：望 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 日期：鲨2 ：兰2 日期： ! 竺2 ：! ：12 ， 中北大学学位论文 1 1 开展噪声研究的意义 1 引言 近年来有关噪声危害的报道越来越多，中国体育报曾经专门发表了“噪声不仅仅污 染了我们的耳朵”的文章分析噪声的潜在危害。据有关部门调查，全国大中城市有三分 之二普遍存在噪声超标问题。北京2 0 0 0 年关于噪声的投诉案件就有1 0 0 多起，天津市 2 0 0 0 年所有与环境有关的公民投诉中，6 0 的投诉与噪声有关，在全国的其他各地关于 噪声的投诉案件也有增加的趋势。鉴于人们对交通车辆噪声的投诉越来越多，北京将对 入城车辆进行噪声“体检”的通知。这说明噪声问题越来越引起人们的重视。同时，一 些调查也表明在多数城市的噪声组成中，由于车辆引起的交通噪声占居主导地位。 2 0 世纪的后半页，噪声作为环境污染的第三大公害，一直困扰着人们。在早期与噪 声作斗争的过程中，作为声学领域中的一个重要的分支学科一环境声学逐渐发展起来。 我国噪声控制研究始于1 9 8 5 年，至今已建立了一支颇有水平的科技队伍，噪声控制工 程已经成为环境保护产业的一个重要组成部分。然而随着国民经济的飞速发展，噪声污 染依然严重，仍占各种环境污染投诉的首位，尤其是交通噪声和施工噪声有着发展的趋 势。面临新世纪的到来，环境噪声控制如何发展已成为大家普遍关注的可持续发展的战 略性课题。欧洲共同体委员会于1 9 9 6 年1 月4 日发表了题为“未来噪声政策”的绿皮 书，就2 1 世纪欧洲在环境噪声控制方面应该如何开展工作，做了有益的探索，指出了 未来环境噪声控制的对策是进一步开展噪声暴露评价的研究工作，降低道路交通、铁路、 飞机和户外机械噪声，重视土地使用规划和噪声教育，提高全民意识”1 。 “能源与环境”是汽车和内燃机工业在2 l 世纪发展所面临的两大课题，而环境问 题主要是汽车和内燃机的排放与噪声污染。车辆内燃机的排放和噪声污染已成为我国城 市污染的主要根源，对人民的生活质量、身心健康造成了巨大的影响和危害。以国家首 先强制执行汽车排放法规为标志，我国对车辆及内燃机排放污染的治理已进入攻坚阶 段。随着新的汽车噪声控制法规的出台，我国对车辆和内燃机噪声的控制也提上了议事 日程，而且将成为今后汽车和内燃机行业的一个重要研究课题。 中北大学学位论文 德国a u d i 公司在探讨汽车技术的发展时认为：几年来发展的明显特点是排放法规、 噪声法规、降低燃油耗、降低成本、税收政策。a v l 在讨论到内燃机发展的总趋势时认 为：就内燃机的发展问题而言，最具有挑战性的要求是解决排放、噪声、振动和行驶平 稳性( n 1 ，h ) 的问题以及为取得满意的性能所耗成本与所需技术间的协调关系。汽车界 的技术专家们根据收集到的资料，进行统计得出结论：以去年在美国汽车市场上的销售 情况为例，日本丰田公司生产的c a m r y 牌轿车，本田公司生产的a c c o r d 牌轿车和美国 克莱斯勒公司生产的t o l o s 牌轿车，三者在市场上的销售比率都一跃上升为第一位。究 其原因是因为它们在n v h 领域里的技术处于领先地位。 1 2 国内外内燃机噪声研究的现状 人类社会的发展证明；事物发展的根本动力来源自人的需要，当这种需要达到一定 的程度时就促使人们开展新的研究。 发动机是由曲柄连杆机构组成的以往复运动为特点的机械装置。它作为原动力被广 泛地应用于船舶、汽车、发动机、拖拉机、各类工程机械、农业机械等现代机械。发动 机利用其内部的燃料燃烧所产生的巨大压力推动活塞往复运动，进而将热能转化为机械 能。由于其内部结构的复杂性，加之对外做功的周期性，在其工作过程中振动和噪声是 不可避免的。随着工业和交通的发展，一方面发动机的功率不断增大，转速不断提高； 另一方面，新型材料如各类合金的应用又使机器重量越来越轻，外壳变薄，振动和噪声 问题变得日益突出。 发动机作为一种重要的动力源广泛应用于工业、农业、交通运输和国防建设业。它 的出现最早可以追溯到1 8 6 0 年，最初的四冲程内燃机于1 8 7 6 年投入运行，1 8 9 0 年发明 了二冲程内燃机，此后具有一百多年发展历史的发动机行业作为机械行业中的基础性行 业和技术密集型行业，在新的世纪必将在国民经济和人民生活中发挥更为重要的作用。 从应用的各类发动机来看，传统的往复活塞式发动机由于其技术的成熟性一直占据主导 地位，在发动机发明后的五十多年间，人们对发动机的研究主要致力于热效率、功率和 性能的改善和提高，以满足人们对发动机经济性和动力性能的要求。随着工业的发展和 汽车保有量的提高，从上世纪四十年代，人们开始重视发动机对环境的污染：排放和噪 声。从排放来看，汽车是氮氧化合物、碳氢化合物及一氧化碳源，柴油机是烟气微粒、 2 中北大学学位论文 碳氢化合物和氮氧化合物的主要来源；而发动机作为一个主要的噪声源，其噪声对环境 和社会的危害更严重，更应引起我们的重视。 国内外研究者在发动机的噪声控制方面进行了大量的艰苦而卓有成效的工作，内燃 机噪声控制的研究大致可以分为四个阶段：第一阶段从2 0 世纪5 0 年代到6 0 年代中 期，主要对产生内燃机噪声的机理进行分析和试验研究，即声源探究；第二阶段从2 0 世 纪6 0 年代末开始，对内燃机传统结构作较大的变革；第三阶段从2 0 世纪8 0 年代起， 采用现代分析技术研究振动传递函数与噪声辐射的关系，研制新一代的低噪声内燃机 2 1 。从2 0 世纪9 0 年代开始，已经进入一个全新的虚拟样机设计与试验技术结合的新 阶段，即c a e 技术的全面应用，结构噪声控制的研究深入到噪声优化设计阶段。 从2 0 世纪5 0 年代开始，发动机的噪声问题引起人们的重视。最初的研究工作集 中在声源探究方面。通过研究，了解发动机噪声的组成及机理，为后续的噪声控制打下 了基础。a l o e k ，a u s t e n 和c h a l l e n 等人综述了不同时期发动机噪声研究的进展【3 】【4 j ， 总结了发动机噪声的来源和降噪的措施。g r i f f i t h s 等人研究了单缸柴油机振动的一些 问题用。f i e l d i n g ，l a w s 和m a n f r e d 等人研究了活塞运动对辐射噪声的影响州。c h a l l e n ， d i x o n 和n a o y a 等人研究了燃烧噪声的产生，燃烧噪声的传递途径及其噪声辐射的影响。 l a l o r 研究了发动机活塞和主轴承的机械冲击引起的发动机噪声。v o r a 研究了汽油机和 柴油机中由于活塞拍击和燃烧产生的振动，为辐射噪声的研究打下了基础。s a s 用信号 处理技术来定位局部的噪声源。y a w a t a 对噪声源进行了辨识。k o j i m a 用简单爆炸激励 来分析燃烧噪声。h i r o s h i 详细分析了柴油机的噪声源和传递途径。s p e s s e r t 等对直喷 柴油机的齿轮以及喷油泵的噪声进行了调查，提出了一系列根据载荷和速度近似求噪声 的经验公式。 刘月辉、郝志勇等对一台车用增压柴油机进行了声强测量研究，得到了该发动机整 机噪声分布的声强云图，确定了该机的主要噪声源位置。用振动速度法对声强法测量的 结果进行了验证。采用铅覆盖法来进行对柴油机的噪声源进行识别，测试仪器采用中国 科学院声学所与北京声望声电技术有限公司生产的v s 3 0 2 n 双通道声学分析仪 7 1 。袁兆 成等用复声强法分析了4 9 2 q 汽油机的表面噪声源，绘制了该机上表面、左右侧表面和 3 中北大学学位论文 前端面的噪声三维分布图，并结合测点声压频谱图对各表面产生振动和噪声的根源进行 了分析。葛蕴珊等利用复式声强测量系统进行了l 1 9 5 柴油机辐射噪声源分析，研究该 机辐射声功率随转速负荷的变化规律，结合工作过程分析该机辐射噪声的变化规律口l 。 第二阶段，在人们对发动机噪声辐射激励、振动传递路径、各噪声源的辐射能量分 布情况有了比较详尽的了解之后，开始针对具体的发动机进行减振降噪的研究。由于不 同类型的发动机的噪声辐射情况有很大的差异，另外由于声辐射的特殊性，噪声控制的 研究也是不断交替进行的。对一种发动机，往往是一种噪声为主要的噪声源，在采取措 施降低了该噪声后，原来被掩盖的噪声源又会成为主要的噪声源。这样就使得噪声控制 的潜力始终存在，也提供了大量的研究内容。最初进行噪声控制的对象是排气噪声，在 采用好的消声器和改变燃烧特性等措施后，排气噪声下降为非主要噪声源。本来进气噪 声不是主要的噪声源，但是在柴油机普遍采用增压技术后，进气噪声显得突出起来，这 时候又需要研究进气噪声问题。总之，不同的时期，不同的机型，噪声源非常复杂，出 现的噪声问题不尽相同。但是，噪声问题不可能仅仅通过解决某一个噪声源来得到圆满 的解决，特别是在现代，噪声问题的研究得到充分的重视以后，再继续降低噪声，需要 采取综合措施来解决问题。 为了以最小的代价来解决发动机的噪声问题，达到国家噪声法规的要求，研究人员 采取了各种方法来降低噪声，主要是改变发动机结构。结构的改变具体体现在结构刚度、 质量、阻尼的大小及其分布的改变，也采用包括提高零件的加工精度、减小运动件间的 间隙、改善润滑条件、改变液体流道的分布、改善燃烧等方式。可以说对降噪的研究牵 涉到发动机的各个方面。g e r h a r d 等采用特别设计的盖板和隔声罩来减小噪声对环境的 影响，经过精心设计的隔声罩的降噪效果非常明显，但是存在结构复杂、维修不便、散 热受影响等不足，所以只有在采取其它措施后仍然达不到要求的情况下，才考虑采用。 r u s s e 等研究了从柴油机噪声源来控制噪声的方法。a s a t s u m a 等提出了用结构修改的方 法来降噪。c r o k e 进行了低噪声发动机的结构分析。b u s c h 等研究了发动机的机体特征 对噪声和振动的影响，用f e m 方法计算振动，用r a y l e i g h 积分法计算辐射噪声，分析 了干式和湿式缸套机体、主轴承支承方式等情况下的振动和噪声1 9 1 。m u t o h 等调查了汽 车的主要噪声源，研究了发动机的噪声辐射机理，通过对部件结构改变的预测，设计了 4 中北大学学位论文 一种新的低噪声发动机。工作主要集中在气缸盖罩及油底壳的低噪声设计和屏蔽板的设 计f ”】。姜哲等从刚度和阻尼控制的角度讨论了s 1 9 5 柴油机齿轮室盖板的噪声控制问 题。通过增加盖板的弯曲刚度，在噪声辐射的主要频率范围内，使盖板的模态密度明显 减小，从而降低噪声辐射的声功率。 第三阶段是分析振动传递函数与噪声辐射的关系，进行噪声预测。随着数值计算方 法的发展、计算机性能的大幅提高和测试技术的发展，发动机噪声控制的研究进入了全 新的阶段，在设计的初始阶段就预测零件的结构噪声，结合燃烧的改善、激励的降低， 对零件结构进行设计修改，这就为缩短开发周期、提高降噪的效果打下了坚实的基础。 也只有在能进行精确的和快速的噪声预测后，低噪声发动机才可能由经验设计进入精确 设计，由概念设计进入精细设计，由定性设计到定量设计。发动机噪声预测的理论和方 法完全依赖于声学数值计算的发展。最初的噪声预测是用解析方法计算平板的辐射噪 声，并将结构简化为平板来处理。接着发展到测试不同频率下结构的表面振动和噪声辐 射，计算得出噪声辐射效率曲线，以后的噪声预测中利用这一噪声辐射效率和表面振动 来近似计算辐射噪声。进一步发展到用r a y l e i g h 积分或边界元法来计算噪声辐射。 p r i e d e 在2 0 世纪6 0 年代末就提出了柴油机的结构振动和噪声辐射之间的关系。 噪声预测主要由两部分工作组成，一是表面振动的求取，二是由表面振动求辐射噪声。 表面振动的计算或者说预测主要有传递函数法和f e m 方法两种，现在由于有限元法计 算振动响应已经相当成熟，所以应用较多。传递函数法比较适合于实际的结构已经存在， 需要进行较多的试验数据的采集和处理。k a n d a 等用传递函数法分析了柴油机的噪声源 及其传递路径，包括柴油机的噪声源的组成和各部分传递振动的比例，对振动和噪声的 控制具有较强指导意义。k a l s e r 等调查了多阀发动机的阀系噪声，用传递函数法对阀 系噪声的产生进行了分析和预测，进行了低噪声凸轮轴设计。近年其它的文献大多采用 有限元方法来计算振动响应。在已经知道表面振动响应之后( 计算得出或者测量得出) ， 有各种不同的方法来预测噪声辐射( 声功率或声强) 。主要有平板理想化法、辐射效率 法、r a y l e i g h 积分法、f e m 法、b e m 法等等。袁晓红、何天明等将发动机的薄壁类零 件近似用几块平板来计算。采用经验公式计算了辐射声压【1 1 l 。s e y b e r t 详细对比了 r a y l e i g h 积分法和b e m 的差异，得出结论，r a y l e i g h 积分法计算所花的时间b e m 短 5 中北大学学位论文 得多，但是预测辐射声压的时候有很大误差，这主要是由于考虑挡板的假设会直接改变 声压。m a s s i m o 1 2 1 等用f e m 方法计算了流体载荷下圆柱体的振动和噪声辐射。对于一般 的问题，由于f e m 计算量较大，采用得并不多。目前，大多数结构噪声预测均使用 f e m b e m 方法。 在噪声预测方法得到初步解决之后，噪声控制的研究向解决低噪声设计问题迈进了 一大步。目前的研究可以说进入了一个全新的虚拟样机设计阶段。在设计的各个阶段， 从概念设计、总体设计到分总成设计、零部件设计，都可以使用虚拟样机技术，建立三 维实体模型、运动学与动力学模型、燃烧模型、传热模型、流动模型、润滑模型后，整 个发动机的性能，包括振动和噪声特性都可以进行仿真和预测。结合试验数据，可以对 模型进行修正，这样的设计过程可大大缩短开发周期、提高产品性能、降低开发的风险。 s m i t h ”1 等通过c a e 方法的集成应用，改进发动机设计过程，大大缩短了设计周期。一 个成功的c a e 系统要考虑的因素包括精确计算作用在发动机结构上的载荷、研究将发 动机有限元计算的结果与相应于发动机性能的实际可测试的量对应起来的方法、分析的 时间规模必须与发动机的开发过程相兼容，这样分析结果才能直接用来改进设计。a v l 研究所对发动机的燃烧模拟、活塞二阶运动、振动的传递、噪声辐射等方面进行了深入 研究，开发出了一系列数值仿真软件，并设计出了振动及噪声特性优越的内燃机产品。 r i c a r d o 、f e v 等公司也在动力学仿真、低噪声设计等方面进行了卓有成效的工作。总 之，国外在近2 0 3 0 年间，通过利用先进的理论、实用的计算技术和先进的测试手段， 在动力机械振动和噪声控制的研究与开发方面投入大量的精力，取得了丰硕的成果。 我国内燃机的噪声比国外内燃机高3 5 d b ( a ) 。近年来，随着对振动与噪声问题的 日益重视，也进行了一些研究工作，取得了不少成绩。国内一些研究人员也进行了声源 探究、内燃机动力学分析、振动和噪声特性分析、噪声预测等方面的研究工作。如舒歌 群、郝志勇等人进行了车用发动机表面辐射噪声源识别、内燃机噪声的声强测量、扭转 振动的机理及控制等研究。张宗杰、张标标等进行了机体模态分析和噪声控制的研究 0 4 11 1 5 1 。李慧珍、葛蕴珊等进行了边界元法预测发动机辐射噪声的研究【1 6 】。姜哲对振动 表面声辐射特性进行了深入的研究，从自功率谱的角度讨论了振动表面局部辐射性质与 声能量辐射，建立了振动表面与声场之间的联系m 】。毛崎波、姜哲、黎胜利用声辐射模 6 中北大学学位论文 态结合结构模态研究了声辐射问题【1 8 lf i g 。国内的一些发动机生产厂家通过引进技术和 委托开发，发动机的振动和噪声控制水平有所提高。但无论是从研究的深度还是广度上 来看，与国外都有很大差距，缺乏系统的、深入的研究，需要我们奋起直追。 从振动噪声控制技术的发展趋势可以看出，只有从设计的初始阶段就考虑振动和噪 声问题，才能得到令人满意的结果。在整个设计过程中考虑振动和噪声特性的分析与优 化控制，将是发展的方向。 1 3 本文的主要工作 本文完成了下述五个方面的工作： 1 系统研究了发动机噪声源识别的理论和方法，尤其是声强法测试的相关知识。 2 针对某发动机，制定声强法噪声测量方案，对研究对象进行噪声测量。 3 应用i d e a s 软件对测试结果进行分析，识别出发动机整机的主要噪声源，并计 算出该发动机的各表面声功率和整机辐射声功率。 4 建立某发动机前托架的实体模型和有限元模型，并进行有限元模态分析。所建立 的模型是后续工作的基础。 5 针对某发动机的前托架，对其进行结构优化设计，优化前后的模态分析结果表明， 前托架的刚度得到了提高，有效地降低了前托架的辐射噪声，为发动机整机降噪奠定了 基础。 7 中北大学学位论文 2 声强的测量 对发动机进行噪声测试的目的是取得有效、准确的噪声数据，一是对发动机的声学 指标作出的鉴定性测量；二是通过测试识别出主要噪声源，分析噪声产生的原因和影响 因素，为噪声控制指明方向的诊断性测量。评价噪声的物理量主要是频率、声压和声强， 主要的测量项目是噪声级和噪声频谱。用到的测量仪器有声压测量系统、声强测量系统 和测量振动的仪器，具体有传声器、声级计、滤波器、频谱分析仪和记录仪器。 传统意义上的噪声测量指的是声压测量。近年来声强技术的快速发展使得声强测量 成为声学研究及噪声控制的重要测试手段。声压是最基本的声学量，也是评价发动机噪 声的最基本的量，它是标量，不考虑方向。从声压角度研究噪声的最大缺点是声压在测 量中容易受背景噪声和声反射的影响，对测量环境要求比较高，只有在消声室或半消声 室中进行测量才能得到比较满意的结果。采用声强法测量，对声学环境要求较低、精度 高，与声压测量相比有更大的优越性，这项技术发展十分迅速，目前已经成为声学研究 及噪声控制的重要测试手段。 2 1 声强测量的发展过程 瞬时声强是瞬时声压及瞬时质点速度的乘积，所以声强测量仪器应能同时实测出这 两个瞬时量，然后加以相乘。由于用传声器测量声压的问题早已解决，所以问题就集中 在解决实测质点速度上。 1 9 3 1 年美国r c a 公司的h a r r yo l s o n 申请了名为“s y s t e mr e s p o n s i v e t o t h ee n e r g y f l o wo fs o u n dw a v e s ”的专利。多年以后0 1 s o n 又发表了一套声功率计，具有能同时 测量声压及质点速度的探头，系统中还配有带通滤波器。可是没有见到其实际应用的报 道。 1 9 4 0 年c w c l a p p 和f a f i r e s t o n e 用一个铝箔式速度传感器和两个晶体式传声 器组合成一个声功率计的探头，研究了驻波管及混响室中的声强场。 1 9 4 3 年r h b o l t 和a a p e t r a u s k s a 首次应用双传声器技术测量材料的声阻抗，这 8 中北大学学位论文 为以后的双传声器法指出了方向。 1 9 5 5 年s b a k e r 用一个热线式风速计和一个传声器组合起来测量声强。可惜该系统 对于额外的空气流动过于敏感，以致不能在现场应用。 以上的方法都无法克服两个缺陷：( 1 ) 两个传感器无法放在同一空间点上，以至测 得的数据只能为近似数据。( 2 ) 两个不同类型的传感器无法实现匹配。至此可以看出质 点速度的直接测量具有很大的难度。从而出现了间接测量质点速度的方法。 1 9 5 6 年t j s c h u l t z 应用b o l t 的双传声器法的原理，处理两个传声器的声压信号， 而得到质点速度。这开创了质点速度的间接测量法，为声强测量的发展作出了很大的贡 献。可惜的是他应用的是背对背的蝶形传声器，两者之间的距离很小，且对电子线路的 要求在当时也属过高。他在实验室简单声场的条件下取得了满意的测量结果，但在刚性 封闭空间中测量却不成功。 2 0 世纪7 0 年代初期南非的b gv a nz y l 及f a n d e r s o n 首先用声强法测量了复杂 声源辐射的声功率。他们在开始时曾用过直接测速及声压相结合的方法，但后来改用双 传声器的间接测量法。还进行了商品化开发的尝试。 1 9 7 7 年瑞士的h p l a m b r i c h 和w a s t a h e l 开发了一套低频( 5 0 一5 0 0 h z ) 的模拟 声强仪，用以研究汽车内部噪声。同年南斯拉夫的g p a v i c 也开发了一种用两个电容式 传声器及一个声级计的声强测量仪。 在2 0 世纪7 0 年代数字信号处理技术发展得十分迅速，f f t 分析己广泛应用。人们 发现只要把双传声器测到的信号由时域转换到频域，以其互谱的虚部就可以得到声强， 这意味着只要有两个高质量的传声器和一个f f t 分析仪就可以组成一套声强测量系统。 有关这方面具有代表性的人物当数美国通用汽车公司的的j y c h u n g 和英国南安普敦大 学的f j f a h y ，他们在1 9 7 7 年所发表的成果极大的推动了声强测量技术的发展。同时在 这方面做出贡献的还有澳大利亚的r j a l f r e d s o 和法国的j m l a m b e r t 等人。 在此基础上，不少商品化的声强测量系统出现在市场上。丹麦的b r u e l & k j a e r 公司 陆续推出了各种型号的声强测量仪，如3 3 6 0 型、4 4 3 3 型等。日本小野测器公司也推出 新产品c f - - 6 4 0 0 声强测量系统。其探头不同于b & k 公司，而是将两对传声器面对面的 置于一根直管中，两个传声器之间的间距分别为7 m m 及5 0 m m ，回路信号同时经放大器输 入f f t 分析仪，根据被测声场特性可选择高频或低频两种组合。 9 中北大学学位论文 2 2 声强测量理论 声强测量是近些年来在声学测量和信号处理方面发展起来的新技术。声压测量对测 试的声学环境要求高，测量非常繁琐，工作量大，且精度低。同声压测量相比，声强测 量具有更大的优越性。首先，声压是标量，只有大小没有方向，而声强是矢量，可以代 表声能的流动方向。所以声强包括了更丰富的信息，是对声场更完整的描述。其次，声 压测量受背景噪声影响大，要求有消声室或混响室之类造价昂贵的声学环境，而声强测 量受背景噪声的影响小，测量精度高，并适合现场测量。同其它声源识别方法相比，声 强测量法不受测量环境限制，可进行现场测量，测量周期短，可节省人力物力，所以用 声强测量识别噪声源己经成为噪声源识别的主要方法。 2 2 1 声强测量的基本原理 声强的测量方法分为两类，一类是将传声器和直接测质点速度的传感器相结合，可 简称为p 一“法；另一类是双传声器法，也就是间接法，简称p p 法1 。 ( 1 ) p 一“法 声强探头有两对超声波传声器，可同时发射两个平行的而方向相反的超声波束， 并在等距离处有各自的接收器。当在同向上存在音频声波时，两个接收器所接收到的信 号就存在相位差，此相位差就是音频声波的质点速度的模拟量，这样可把质点速度测出。 在探头中心装有传声器，可同时测出声压，两者相乘后可以得到瞬时声强的模拟量，再 求时间的平均值可得到有功声强。此法的测量精度会受到风之类的非声音的空气流动的 影响，所以测量时应有措施以屏蔽风的干扰。 设超声波的发射器和接收器之间的距离为d ，则在没有声波时超声波由发射到接 收所经历的时间为“= ! 。若存在声波，其质点速度为z f ，则两个超声波束所经历的时 f 间各自变成为： t ：旦，f ，：旦 ( 2 1 ) l = ，f 22 喵lj 其相位差为 彤诅匕一划刮寿 亿z ， 1 0 中北大学学位论文 式中吼为超声波频率。 当“ 2 d 时则可以忽略。对于一般声场来说， 探头到声源距离应大于两探头间距的2 3 倍，才能忽略近场误差的影响】。 ( 4 ) 声强探头的指向性误差 由于声强是矢量，具有方向性，若测量中探头轴线与声强方向不成同一条直线， 而是成一角度日，那么测出的声强值，就会偏小，相当于只测到了声强矢量沿探头轴线 方向的矢量。 虽然实际测量中不可能保持探头轴线方向与声强方向完全一致，但对声功率的测 量来说，关键是声强探头与测量网络面保持垂直。这样即使声强测量值偏小，只要测出 声强沿网格方向分量，则每个网格上得到的声功率和总的声功率是不受影响的。当然声 强探头与网格面垂直也不易做到，所以实际声强测量时指向性误差不可能完全消除。 ( 5 ) 有限测点误差 由于在测量面上各点声强不是连续、均匀分布的，计算声功率时理论上应把测量 面上的每个点的声强都测出来，但在实际测量中，只能在测量面上划分有限个网格，用 网格中点的声强代表整个网络的声强，这样就产生了有限测点误差。 要减小有限测点误差，就要尽量将网格分得密一些，即测点多一些。另外，在整 个测量面上测点不应该是均匀分布的，对于声强变化复杂的区域，测点应布置的密一些， 而声强比较均匀的区域，测点可以适当的稀疏一些。 ( 6 ) 背景噪声误差 通常声强法对环境要求低，指的是声强的整体测量结果( 声功率) 。稳态的背景噪 声即使声级高也不会对测量产生明显影响，但如果背景噪声随时间变化较大或声强测量 包络面内有吸声体时，测量精度就会受到较大的影响。如果背景噪声不稳定，则整个测 量包络面上背景噪声就会无法达到正常的抵消结果，如果被测声源表面的吸声性能较 强，则声强测量值和真实值之间也会有明显差别，这就是由背景噪声引起的测量误差。 减小背景噪声误差的措施主要有：将外噪声源屏蔽起来；给声强探头加探头罩对 2 l 中北大学学位论文 背景噪声进行隔离和吸收；适当减小测量面到被测声源的平均距离以减小测量中背景噪 声所占的比重：采取措施降低声场的不稳定性；在每个测点增加测量周期或是在声场较 少变化时进行声强测量等。有关研究表明，背景噪声所产生的测量误差与传声器探头的 相位失配有关，减小系统相位失配误差的相关措施也有助于减小背景噪声误差。 ( 7 ) 气流、测试人员和随机误差对声强测量的影响 气流对声强测量是有影响的，如测量现场在有大风和无风时分别进行声强测量，当 风速较大时测量结果会有明显不同。应避免在有风测量。还可以给声强探头加风罩以消 除风的影响。 当测试人员进入测量现场时，人体会改变被测声场。测试人员应尽量侧身对着被测 声源，以减小测试者的影响。 另外测量中也存在着随机误差，可通过多段采集取平均来减小它的影响。 2 4 2 试验条件对测量结果的影响 由于测试仪器以及发动机等的因素，测量结果的准确度也会受到很大的影响，所 以为了能使测试的结果尽可能地反映内燃机的实际噪声及特性，下面的几个方面要特别 注意： ( 1 ) 确定测试仪器之间的连接良好，特别是确保测试仪器真正地接地，同时连接 用的电缆线一定要屏蔽良好，不能有金属导线暴露在外，避免外界对测试信号的干扰。 ( 2 ) 定时对测试仪器进行标定，特别是声强探头与其相关系统的标定。由于标定 不准将会对测量结果引起大的影响，而且难以查明原因，从而给进一步的分析带来误导。 ( 3 ) 一定要使发动机在稳定的工况下运转，工况的浮动将对测量结果产生很大的 影响。同时内燃机的水温、油温也要保持稳定，否则发动机的噪声将会有很大的变化， 而且每次测量时都应该使水温、油温保持在同样的条件下，即每次采集数据前应该热机 半小时左右。如果每次测量时水温、油温不同，甚至差异较大的话，会使发动机的性能 产生较大的差异，使得机械噪声和燃烧噪声有很大的不同。 比如机械噪声中的活塞敲击气缸壁产生的噪声与活塞和气缸壁之间的间隙有很大 关系，间隙不同噪声也不同。而随着气缸内温度的不同，间隙也是不同的。所以发动机 的工作状况对噪声测量结果有很大的影响。 中北大学学位论文 2 5 标定 声强测量系统的标定有多种内容，其中主要的有相位失配标定，指向性标定及测量 精度标定等。这类标定在仪器出厂时就已做好，在使用过程中若感到需要可以重新标定。 2 5 1 相位失配标定 残留声强级是由测量系统两通道之间的相位失配所造成的。通常是一对传声器对称 的安装在耦合器上接受扬声器发出的相同的声信号。为了防止在耦合器中产生共振，在 其内壁的相应地方粘有一定形状的吸声材料。得出残留压一强指数后就可以根据下式算 出相位失配九。 8 p l o = l o l g 小爱- 其中，以。为残留压一强指数，九= k d 为两传声器之间基准的相位差。 相位失配以也可以通过测定压一强指数来确定，测定压一强指数应进行两次，第一 次测量完成后将两通道对调位置再进行第二次。其中办为声场相位差，设( 1 ) 及( ：) 分 别为第一次及第二次测得的压一强指数，则有 如( 1 ) = 1 0 艿( 2 ) = 1 0 解此联立方程得到 似钟等圳等 铲讣。警 这样就得到了览及办，其符号则决定于每次测得的声强中含有误差的偏向。 2 3 一丸 一丸堕+ 望一 旦旦旷 g 中北大学学位论文 2 5 2 指向性能标定 声强测量系统的指向性能是指探头对声波方向的敏感程度。在实际测量中对每个探 头都进行指向性能的标定。标定方法如下：在一全消声室内放置一直径为d 的扬声器， 发射出单频声。距扬声器大于i o d 的o 点可以认为是平面波声场，在0 点放一转盘，将 声强探头固定在转盘上，使两传声器间距d 的中心和转盘中心0 重合，并使探头轴线和 扬声器轴线一致，此时0 角为零。当转盘转过口时，探头轴线和声波方向的夹角也是护。 转动转盘每隔1 0 0 测量一次声强，画在专用纸上可以明显的看出被标定的探头的指向性 能。 2 5 3 测量精度标定 测量精度是指用被标定的声强测量系统所测得的声强值与真值之间的差异，对于高 质量的测量系统其差值不应大于l d b 。 由于声压的测量可以达到很高的精度，所以声强的真值可以根据下式来确定： 厶= 。+ 1 0 l g 素4 0 0 其中，为声强级，l p 为声压级，p o c 是空气的特性阻抗。 将标定指向性能0 = 0 0 时测到的声强值和按上式算出的声强真值相减就是所需的标 定值。 2 6 声强测量的优势 1 对背景声音的抗干扰性 当沿以被测声源为中心构成的虚曲面进行测量时，背景声音从封闭曲面的一边进 入，从后面传出。这样，背景声音被抵偿，测量仅仅包括源自测量面内部的声音。空间 影响( 比如共振) 因为使用同样的方法而被消除。 2 测量的精确度 通过声强方法提供的系统本身所固有的对背景声音和共振的抗干扰性，测量质量得 2 4 中北大学学位论文 以提高，精度和工程测量完全符合i s o 和a n s i 标准，可以在户内和户外的任何位置实 地操作。 3 实现现场测量 在过去，针对测量仪器的精确的声功率，要求把仪器运进声学实验室，声强方法提 供了一种更为自由的选择，可以就地实施，并对信号处理过程产生最小限度的干扰。现 场测量，适合对产品研究和开发进行反复地测试。 2 7 本章小结 ( 1 ) 本章研究了声强测量的发展过程及测量的两类方法。理解了声强测量的频域分析 法的基本理论。并对声强测量系统中的重要部分双传声器探头进行了研究。对三类声强 测量仪器分别进行了介绍； ( 2 ) 在试验中不可避免的会出现误差，本章也对声强测量的有限差分误差、相位失配 误差、近场误差、探头的指向性误差、有限测点误差、背景噪声误差等进行了分析。还 研究了试验条件对测量结果的影响； ( 3 ) 探讨了声强测量系统的相位失配标定、指向性能标定和测量精度标定。最后总结 了声强测量的优势：对背景声音的抗干扰性，测量的精确度和能实现现场测量。 中北大学学位论文 3 噪声源的识别 在噪声控制中，声源诊断是一项极为重要的工作，其重要之处在于噪声控制必须针 对主要声源着手，如果主要声源得不到有效地控制，对次要声源采取再多的措施都是无 济于事的。另一方面，噪声源识别又是极其复杂的，同一台机器存在多个声源，而且声 源之间相互干扰。噪声源识别的目的就是要从复杂的声源系统中，通过采用科学合理的 手段，找出主要声源的部位、能量分布、频率特性等，为噪声控制提供科学依据1 2 ”。 发动机噪声是汽车总噪声中的主要噪声源，是首先应当开展噪声控制的产品。在我国， 小轿车车外加速噪声中，发动机噪声约占5 5 ；大、中型汽车车外加速噪声中，发动机 噪声约占6 5 。随着汽车噪声控制标准的提高，发动机噪声问题显得日益突出。国内、 外都非常重视降低汽车发动机噪声的工作，日本大型汽车的发动机噪声已降到仅占车外 总噪声的3 0 ，大大超过了我国目前的噪声控制水平【2 6 】。 3 i 发动机主要噪声及其产生原因 发动机是存在多个声源的复杂机器，它是一台间歇性完成工作循环的动力机，这就 决定了其工作的周期性的特点。这种周期性包括空气质点运动的周期性以及力作用的周 期性，形成了空气以及机械部件的振动激励源。而由于空气的运动以及部件的振动都将 引起噪声，这就是内燃机噪声产生的根源。发动机噪声随机型、转速、负荷及运行状况 不同而有差异m l ，在相同转速下，柴油机噪声一般高于汽油机5 1 0 d b 【2 8 l 。 发动机所发生的噪声，按其辐射的方式可分为结构振动噪声和空气动力噪声。图3 1 为发动机噪声组成的分类。 3 1 1 结构振动噪声 结构振动噪声是由燃烧、机械、液体动力激振发动机结构引起结构振动而辐射的噪 声，又称为表面辐射噪声。结构振动噪声可分为燃烧噪声和机械噪声。一般说来，在低 2 6 中北大学学位论文 转速时，燃烧噪声占主导地位：在高转速时，由于机械结构的冲击振动加剧而使机械噪 声上升到主导地位。 图3 1 发动机噪声的分类 发动机结构振动辐射噪声的产生非常复杂，可以归纳为三个过程，即振动发生、振 动传播和噪声辐射。第一个过程是结构受力产生振动，如果该结构位于发动机表面，则 直接辐射噪声；第二个过程是振动的传递过程，对于内部的振动部件，如活塞、连杆、 曲轴、轴承等的振动，需要先传递到发动机表面，再对外辐射噪声。对燃烧噪声而言， 它的激振力是缸内压力波动，具有脉冲性。缸内压力引起的固体声( 振动) 通过气缸盖 和气缸套向外传出的途径叫做外部传播途径；而通过活塞、活塞销、连杆、曲轴、轴承 座传给机体曲轴箱和油底壳的途径叫做内部传播途径；第三个过程是由固体振动变成空 气辐射噪声，就是振动表面辐射噪声的过程。 一般情况下，生成结构振动噪声的系统主要由以下三部分