（机械设计及理论专业论文）柴油机噪声机理分析及其声强识别技术研究.pdf

柴油机噪声机理分析及其声强识别技术研究 摘要 降低发动机的噪声是提高发动机及车辆性能的重要研究内容，本文针对柴油机噪声 的产生机理及其噪声测试技术进行研究具有重要意义。 论文对噪声的基本性质进行了阐述，分析了噪声的产生和传播特性；在分析柴油机 的结构特点、工作原理的基础上，对柴油机的各种噪声进行了分类。并对柴油机噪声的 产生机理和传播途径进行了研究；重点对柴油机的气体动力学噪声、燃烧噪声、机械噪 声以及表面辐射噪声的产生机理、影响因素以及控制措施进行了理论研究，并对柴油机 的进排气噪声，表面辐射噪声等进行了相应的试验分析。 采用声强测量技术的基本理论及方法，制定了某柴油机的表面辐射噪声测试方案， 在半消声室环境内利用声强法对某柴油机进行了表面辐射噪声的测量研究；通过对测试 结果的分析，绘制出了柴油机的声强云图，得到了整机的噪声分布情况，从而识别出该 机在不同工况下的主要噪声部件，即飞轮壳、喷油泵、涡轮增压器、皮带轮等；并通过 其噪声辐射特性的分析和主要噪声源的声功率级的计算，为柴油机的降噪工作提供了重 要依据。 关键词：发动机噪声，噪声源，声强，噪声源识别 a n a l y s i so ft h en o i s em e c h a n i s ma n dr e s e a r c ho ns o u n d i n t e n s i t yi d e n t i f i c a t i o no fd i e s e le n g i n e a s r e d u c i n gt h en o i s eo f e n g i n ei st h ei m p o r t a n tc o n t e n to f i m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo f e n g i n ea n dv e h i c l e , i ti ss i g n i f i c a n tt oc a r r yo u tt h er e s e a r c ho nt h en o i s em e c h a n i s ma n d s o u n di n t e n s i t ym e a s u r e m e n tt e c h n i q u eo f d i e s e le n g i n e t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sa ne x p o s i t i o no ft h eb a s i ci 埒曲托o fn o i s ea n da n a l y z e s c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec r e a t i o na n dt r a n s m i s s i o no fs o u n d ；i tc l a s s i f i e sv a r i o u sn o i s e so ft h e d i e s e le n g i n e ，a n dd i s c u s s e st h em e c h a n i s ma n ds p r e a d i n gw a yo fv a r i o u se n g i n en o i s e su n d e r t h ea n a l y s i so f t h es t r u c t u r a lf e a t u r e sa n dw o r k i n g p r i n c i p l e so f d i e s e le n g i n e ；i tp u t se m p h a s i s o n at h e o r e t i cr e s e a r c hi n t op r o d u c i n gm e c h a n i s m ，i n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dc o n t r o lm e a s u r e so f t h ea e r o d y n a m i cn o i s e ，c o m b u s t i o nn o i s e ，m e c h a n i c a ln o i s ea n ds u r f a c er a d i a t i o nn o i s e ； m o r e o v e ti tm a k e sar e l e v a n te x p e r i m e n t a la n a l y s i so ft h ei n t a k ea n de x h a u s tn o i s ea n d s u r f a c er a d i a t i 蛐n o i s e 1 1 l ed i s s e r t a t i o nw o r k so u tat e s t i n gs c h 锄eo fs u r f a c er a d i a t i o nn o i s eo ft h ed i e s e l e n g i n eb yu s i n gb a s i ct h e o r i e sa n dm e t h o d so fs o u n di n t e n s i t ym e a s u r 鼬e n t 1 1 s o u n d i n t 黜i t ym e a s u r e m e n ti sc a r r i e do u to nt h es u d h c er a d i a t i o nn o i s eo fd i e s e le n g i n ei na s e m i a n e c h o i cc h a m b e r t h ea u t h o rd r a w st h es o u n di n t e n s i 锣c o n t o u rm a po ft h ed i e s e l e n g i n et h r o u g ht h ea n a l y s i so f t h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n t , g e t st h en o i s ed i s t r i b u t i o nf o rt h e e n g i n e ，a n dt h e nl o c a t e st h em a i np a r t so fn o i s es o u r c eo ft h ed i e s e le n g i n ei nd e f e r e n t w o r k i n gc o n d i t i o n sw h i c hm a i n l yi n c l u d et h ef l y w h e e lh o u s e ，s p r a yf u e lp u m p ，t u r b o e h a r g e r a n db e l tp u n e y 砀ed i s s e r t a t i o na l s oa n a l y z e si t sn o i s er a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c c a l c u l a t e st h e a c o u s t i cp o w e rl e v e ro ft h em a i nn o i s es o u r e , e ，a n dp r o v i d e ss i g n i f i c a n tb a s i st or e d u c et h e e n g i n e sn o i s el e v e l k e y w o r d s ：c h i n en o i s e ，n o i s es o u r c e ，s o u n di n t e n s i t y , n o i s es o u r c ei d e n t i f i c a t i o 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： 墨燮 日期； 论文作者签名：二堑童兰 日期： z 啤i5 j2 二 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) 。 签名： 导师签名：墅叁=i l l ：兰盟。：三兰 中北大学学位论文 1 1 课题背景及其意义 1 绪论 内燃机作为人类社会最重要的动力装置，以其热效率高、重量轻的优点，广泛的应 用在交通运输、工程机械等生产生活的各个领域。在一定程度上改变了整个世界。 内燃机虽然给人类带来极大方便，但是其特殊的结构形式注定要产生振动并激励噪 声。随着内燃机一直向着高速、大功率、高效率方向发展，其嗓声辐射问题也愈加严重。 尤其在我国工业比较集中、交通运输业比较发达的大中城市，车辆的噪声已经成为危害 人民群众身心健康的主要公害之一“】。目前，中国已经是世界第二大汽车生产国，同时 其汽车保有量已经超过5 0 0 0 万辆，近十年以1 2 的年均速度增长，预计四十年内超过美 国成为世界第一汽车大国。所以如何控制车辆的噪声污染问题已迫在眉睫。 车辆的噪声污染主要包括机动车辆对周围环境以及对车辆内乘员的影响。对机动车 辆的调查结果表明，在各式车辆中内燃机的辐射噪声是箕最重要来源1 2 】。针对车辆噪声 问题，欧盟、日本、美国等主要国家和地区，从7 0 年代起每3 5 年就修订一次相关的 法规或标准，使各种车辆噪声的限值有大幅度的降低。以重型卡车为例，发达国家对其 加速行驶噪声限值，1 9 7 1 年是9 4 d b ( a ) ，1 9 8 0 年则收紧到8 4 8 6 d b ( a ) 。欧盟1 9 8 6 年 车辆噪声法规比1 9 8 2 年法规收紧了2 6 d b ( a ) 。车辆噪声控制目前的趋势是卡车噪声控 制在8 0 d bc a ) 以下，其它车辆7 5 d b ( a ) 以下。我国的汽车噪声控制工作从1 9 7 9 年开始， 发布了两项国家标准6 8 1 4 9 5 - 7 9 机动车辆允许噪声和g b l 4 9 6 - 7 9 机动车辆噪声测 量方法。1 9 9 6 年又制定了g b l 6 1 7 0 - - 1 9 9 6 汽车定置噪声限值。这些标准推动了汽车 降噪工作，使汽车噪声有了较大的下降。但在内燃机噪声控制方面，总的来讲近年来进 展还是较为缓慢的，在1 9 8 9 年对国家标准g b n 2 5 9 8 6 中、小功率柴油机噪声限值进 行修订时，仅仅收紧限值1 2d b ( a ) ，不少厂家仍认为难以达到新限值。而国外内燃机 制造商为占领产品市场投入巨资进行降低内燃机噪声的研究和开发，研制生产出了一批 经济性能好同时噪声低的柴油机产品，使我国内燃机产品噪声水平与发达国家产品差距 进一步扩大，一般已经高出3 9 d 6 ( a ) 0 1 。 随着我国加入g i o ，国内和国际汽车行业的竞争日益激烈，使控制内燃机噪声辐射 中北大学学位论文 的任务显得更加紧追。我国在降噪方面的水平还很低，因此在我国，积极开展内燃机噪 声的研究工作刻不容缓。内燃机辐射噪声控制的研究，对于改善我们的生活环境，对于 提高我国内燃机产品的国际竞争力，逐步占领国内、国际市场，发展壮大民族汽车工业 都具有特别重要的意义“埘。 1 2 国内外发动机噪声研究的发展概况 汽车有很多指标，如可靠性、安全性、噪声振动、节油性能等等，其中噪声振动性 却越来越备受关注，已经成为影响车辆品质的最重要指标之一。 迄今为止，控制内燃机噪声的机理分析和测试技术研究大致可分为4 个阶段；第一 阶段从5 0 年代到6 0 年代中期，主要对产生内燃机噪声的部分机理进行了分析和试验研 究，即声源探究；第二阶段从6 0 年代末开始，对内燃机的传统结构作了较大改变；第 三阶段从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。第四阶 段从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，噪声控制的研究深入到嗓声优化设计阶段“。 早在1 9 3 1 年，r i c a r d o 就第一个发现了内燃机燃烧压力和噪声变化的联系“3 。随后 在二十世纪五、六十年代，内燃机噪声研究开始进入快速发展。1 9 6 0 1 9 6 1 年，英国的 t p r i e d e 在伦敦机械工程研究会议上发表了柴油机气缸压力谱形式与噪声的关系嘲。 1 9 7 3 年英国的e c g r o v e r 、ml a l o r 发表了低噪声柴油机设计综述的文章。文中阐述了 发动机的整体模态和局部平板模态对发动机噪声的影响“1 。1 9 7 4 年d h n d e r t o n 等发表 的文章研究了一个直列柴油机机体表面振动和辐射噪声之间的关系“”。1 9 7 5 年n 1 a l o r 和m p e t y t 在s e a 上发表了作为噪声源的内燃机结构振动模态“”。1 9 7 7 年美国通用汽车 公司的j y ch u n g 和英国南安普敦大学的f j f a h y ，他们所发表的成果则极大的推动 了声强测量技术的发展“”“”。1 9 8 2 年m f r u s s e l 2 在文献中对柴油机噪声控制技术进行 了论述“”。1 9 8 8 年英国南安普顿大学的w i l c o x c l a r e 完成了有关低噪声发动机结构形 状优化的博士论文。他在文中描述了如何用有限元法和时间积分技术来完成一个内燃机 总体噪声设计的预测o ”。1 9 9 2 年奥地利t e c h n i s c h eu n i v e r s i t a e tg r a z 大学的b e i l d ， c h r i s t i a n 完成了题为“通过结构优化降低小排量火花点火式内燃机噪声的博士论文。 作者用有限元方法计算了发动机的结构辐射噪声，并讨论了发动机不同部件结构刚度和 2 中北大学学位论文 阻尼参数对发动机结构辐射噪声的影响“。国外各大公司也纷纷认识到降低车辆噪声工 作的重要性，竞相建立n v l l ( n o i s ev i b r a t i o n h a r s h n e s s 即车辆的噪声、振动与平顺 性) 实验室，投入到噪声研究工作中。英国的r i c a r d o 公司认为在产品开发过程中环境 将作为第一位放考虑的因素，尤其是内燃机的排放和噪声，a u d i 公司认为，降低噪声满 足法规要求将是近年来内燃机发展的主要特点：a v l 公司更是将内燃机是否具有良好的 噪声、振动、即行驶平顺性等性能作为产品能否被市场接受的重要条件。该公司对发动 机的燃烧模拟、活塞的二阶运动、振动的传递、噪声辐射等方面进行了深入的研究，取 得了良好的效果“”。 经过多年的发展，低噪声柴油机设计方法的研究在不断深化，柴油机噪声在过去的 几十年时间里有了较大的改善。英国的r i c a r d o 公司通过对世界上一些主要的内燃机进 行了调查提出了新的发动机噪声预测公式，其结果可作为同类型发动机的近似参考。 例如，发动l m 处的四冲程非直喷式柴油机的声压级可以近似为： l = 4 0 培蚪+ 5 0 i g b - 1 7 6 0 式中，行为工作转速( r r a i n ) ，b 为缸径。 发动机11 2 1 处的涡轮增压机四冲程柴油机的声压级可近似为： l = 4 0 1 9 n + 5 0 1 9 b - 1 3 6 7 可见，柴油机的声压级与工作转速和缸径成正比。而汽油机由于其功率、缸径较 小、转速高，往复运动质量小，热力工作过程柔和平稳，高爆发压力低，因此一般汽油 机的噪声较相同功率的柴油机可低1 0 d b 。 国内对内燃机噪声的研究起步较晚，国外发达国家相比存在很大的差距，这使得我 国内燃机降噪工作更显迫切。近年来我国汽车行业迅速发展，对车辆降噪与减振的问题 日益重视。政府和各研究机构也投入了相当的力量从事内燃机降噪减振的工作。 我国政府依据国内内燃机研究和生产的现状，针对车辆发动机噪声制定了相应的标 准。目前我国的内燃机噪声标准包括内燃机噪声测量方法标准和内燃机噪声限值标准。 我国现行的内燃机噪声测量方法的标准为g b t1 8 5 9 2 0 0 0 往复式内燃机辐射的 空气噪声测量工程法及简易法( i s 0 6 7 9 8 ：1 9 9 5 ) 以及g b t1 6 4 0 4 - 1 9 9 6 声强法测 定噪声源的声功率级( i s 09 6 1 4 ：1 9 9 3 ) 规定了在包络内燃机的测量表面上测量声压 3 中北大学学位论文 级、声强级以计算内燃机声功率级的方法“”。同时给出了测量环境和测量仪器要求，以 及表面声压级、声强级、i 1 、1 3 倍频带、a 计权声功率级和频带声功率级的计算方法。 而我国现行的内燃机噪声限值标准主要有g b1 4 0 9 7 - 1 9 9 9 中小功率柴油机噪声限 值如表1 1 所示，以及g b1 5 7 3 9 - 1 9 9 5 小型汽油机噪声限值。在此列出g b1 4 0 9 7 - 1 9 9 9 的部分内容以作参考“”。 表1 1g b1 4 0 9 7 1 9 9 9 中小功率柴油机噪声限值( 部分) d b ( a ) 标定功率标定转速r m i n k 冒 1 5 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 3 5 0 0 1 0 0 1 2 51 1 31 1 41 1 51 1 61 1 71 1 8 1 2 5 1 6 01 1 41 1 51 1 61 1 71 1 81 1 9 1 6 0 2 0 01 1 51 1 61 1 71 1 81 1 91 2 0 2 0 0 2 5 01 1 61 1 71 1 81 1 91 2 01 2 1 2 5 0 3 1 51 1 7 1 1 81 1 91 2 01 2 1 1 2 2 3 1 5 4 0 01 1 8 1 1 91 2 01 2 11 2 21 2 3 国内一些研究人员也进行了一些研究工作，取得了不少成绩。他们主要进行了一些 声源探究、内燃机动力学分析、噪声预测等方面的研究工作。 袁兆成等利用复声强法分析了某内燃机的表面噪声源，绘制了该机上表面、左右侧 表面和前端面的噪声三维分布图，并结合测点的声压频谱图对各表面产生振动和噪声的 根源进行了分析。吉林工业大学在1 9 9 2 年完成的利用有限元技术估算内燃机机体 表面辐射噪声方法研究的文章，是国内内燃机行业首次讨论了内燃机结构噪声的计算 方法。此后，天津大学、吉林工业大学、七0 所等科研机构也相继发表了一系列内燃机 结构辐射噪声计算方法研究的文章。 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牡1 “锄。张宗杰、张标标等进行了机体模态分析和噪 声控制的研究洲捌洲。葛蕴珊等利用复式声强测量系统进行了某柴油机辐射噪声源分 析，此外还进行了边界元法预测发动机辐射噪声的研究恤1 。 随着计算机技术的迅速发展，各种分析软件和数值分析方法得以普及，有限元法在 工程中成为最有力的计算方法，在发动机结构分析中成功应用，近年来边界元和雷利积 4 中北大学学位论文 分法研究结构辐射噪声也得到了广泛应用。目前的研究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，这样的设计过程可以大大缩短开发周期、提高产 品性能、降低开发的风险。 噪声与振动这门古老的学科在这个时代焕发了新的青春，又成为- - f - j 技术含量很高 的科学。随着控制的发展和成本的降低、新材料的应用、测试技术不断完善、计算机软 件的开发，发动机噪声的分析和控制技术将会得到更迅速的发展。 1 3 本课题工作的思路及研究内容 柴油机嗓声在整车噪声中是最重要的组成部分，因此如何降低整机噪声、提高柴油 机产品质量、改善整车噪声品质是发动机设计工作者急待解决的问题，所以柴油机噪声 分析这一课题也具有重要的研究价值。本课题的工作思路就是研究和分析柴浦发动机噪 声产生机理，并通过声学试验识别出发动机的主嗓声源，从而找到降低发动机噪声的有 效办法。所以本文研究的主要内容包括： 1 ) 系统的介绍噪声的基本原理和概念。 2 ) 分析和研究柴油发动机的噪声的产生机理。理解柴油机的结构特点、工作原理，并 且重点针对各类噪声源的产生原因和影响因素以及控制措施进行详细的探讨 3 ) 分析和研究声强测试的基本理论及方法，特别是对声强测试的频域分析方法和声强测 试中的误差分析与标定进行较为深入的分析。 4 ) 针对某柴油发动机，根据依据g b t1 6 4 0 4 1 9 9 6 标准制定整机表面辐射噪声的声强 测试识别实验方案，对研究对象进行噪声测量。 5 ) 依据实验结果对该发动机的表面噪声辐射情况进行分析，用声强云图和声功率排序 法锝到整机的噪声分布情况，识别主要噪声部件，结合噪声源的产生原因提出控制建议。 5 中北大学学位论文 2 噪声的基本性质 噪声一般有的两种含义： 1 ) 在物理上指不规刚的、闻歇的或随机的声振动； 2 ) 在心理上指任何难听的、不和谐的声或干扰，这种噪声干扰不仅是由声音的物 理性质决定，还与人们的心理状态有关汹1 。 工程上的噪声则是狭义的，具有如下共同特征：其时域信号是杂乱无章的，波形是 无规则的非周期性曲线；噪声频域信号往往包含一定的连续宽带谱；在具体的场合下噪 声的幅值超过了规定值。 噪声的基本特性就是声波的产生和传播特性。所以必须对声音有所了解。声音是客 观存在的物理现象，它的存在必须具备两个基本条件：有作为声源的振动物体，以及有 能够传播振动的介质。所以声音可简述为声源的机械振动在周围介质中的传播现象，这 种传播现象以波的形式出现，称之为声波。所以振动是声波产生的根源，而声波是振动 的传播过程。声波的频率范围十分宽广，人听觉系统所能感受到的声音的频率范围，经 实验得出约为2 0 h z 2 0 0 0 0 l i z ，称之为音频声，频率高于2 0 0 0 0 h z 的称之为超声，低于 2 0 h z 的称之为次声。人耳对于3 0 0 0h z 左右的声音感觉最灵敏；对低于6 3h z 和高于 1 6 0 0 0h z 的声，即使勉强听得见，反应也很不灵敏。所以在噪声控制领域内，主要对 6 3 1 6 0 0 0h z 的声感兴趣。 声波传播能量的方式是靠动量的传播而不是靠物体的移动，弹性介质质点的振动靠 质点之间的相互作用影响相邻质点，这样振动就以恒定的速度向四周传播形成声波。因 此声是弹性介质传播的机械振动和波。弹性介质包括固体、液体和气体，因而在相应介 质中传播的噪声有空气噪声a b n ( a i rb o r n en o i s e ) 、流体噪声f b n ( f l u i db o r n en o i s e ) 和固体噪声s b n ( s t r u c t u r eb o r n en o i s e ，也称结构噪声) 。发生声音的振动系统称为声 源，如机器的振动系统就是机械噪声的声源。 研究噪声就必须研究声的基本性质。我们所进行的噪声测试和分析都是建立在基础 声学的基础之上，所以本章将详细讨论声的特性参数、声波方程以及声场的基本特性。 6 中北大学学位论文 2 1 声的特性参数及线性声波方程 当声源在媒质中振动时，依靠媒质的弹性和惯性，使这种振动形式被传播出去，形 成一种机械性质的波动，称为声波。声波所及的空间称为声场，声场特征可以通过媒质 中的声压尸、质点振动速度v 和密度的变化量来表征。上述三个物理量在声场中都是 空间位置和时间的函数，描述它们随空间位置变化和随时间变化两者之间关系的数学方 程称为声波的波动方程，简称为声波方程。在此仅讨论理想流体媒质中小振幅声波的情 况，它是符合噪声控制研究实际的。相应的波动方程为线性声波方程。 2 1 i 声的特性参数 1 频率、波长及声速 每秒钟声振动的次数称为声的频率，记作，单位为h z 。在一个声振动周期t 内， 声波传播的距离叫做波长，记作五，单位为用。声速是声波在媒质中传播的速度，记作 c ，单位为m l s 。根据初等热力学，声在气体媒质中的传播速度为 c = 扫盯 ( 2 1 ) 式中，为比热容比，即比定压热容c ，与比定热容印之比；r 为气体常数；t 为热力学 温度，单位为x 。对于空气，y = 1 4 ，r = 2 8 7 j l ( k g k ) ，代入式( 2 i ) 得 c ；2 0 0 5 f( 2 2 ) 而频率，、波长a 与声速c 之间有如下的关系式： 、 c ；统( 2 3 ) 2 质点振动速度 媒质分子在声传播过程中作往复运动的速度叫做质点振动速度，记作v 或“，单位 为掰，s 。质点振动速度有别于声速。声传播过程中，质点在平衡位置附近振动。这种振 动被传播开去，而质点振动的平衡位置却保持原地不动。 3 声压 7 中北大学学位论文 声压是由于声扰动产生的逾量压强，它是空间位置和时间的函数。由于声压的测量 比较易于实现，而且通过声压的测量也可以间接求得质点振速等其它声学参量，所以声 压已成为人们最为普遍采用的描述声波特性的物理量。 对于空气等流体媒质，设体积元内媒质处于平衡状态时的净压力为晶，在声波作用 下的压力为p ，则压力增量叫做声压，单位为只。 p = p 一只 ( 2 4 ) 声压瞬时值记作p ( ，) 。假定探讨是纯音，则 p ( f ) = 风c o s ( 耐+ d ( 2 5 ) 式中，磊为幅值，即最大值；口为圆频率，a ) = 2 ：t f 。 声压的平均值为 儿= 1 r p ( t ) d t ( 2 6 ) 声音的强弱是由声音的有效值的大小决定的，有效值即一定时间间隔内，瞬时声压 对时间取均方根值，得到的有效声压值，记作见，对周期函数有 豉= 辱r p 2 ( o a t 汜， 媒质质点速度是另一个重要的声学参量，它是求声能量所必需的，质点速度是一个 矢量，其方向表示质点的振动方向。已知声压，由运动方程可以求出质点速度，即 ：一上g r a d p d t ( 2 8 ) 风 在x 方向，有 瓦1 謦 缇9 ， 4 声强 ( 1 ) 声能量与声能量密度 声波传到原先静止的媒质中，一方面使媒质质点在平衡位置附近来回振动从而使媒 8 中北大学学位论文 质具有振动动能，同时在媒质中产生了压缩和膨胀而使媒质具有形变势能，硬部分之和 就是由于声扰动使媒质得到的声能量。假设在声场中取一足够小的体积元，其体积、压 强和密度分别记为、昂、岛，则体积元内的声能量可以表示为 a e = 蝇+ 峨= - p o ( 去内 ( 2 1 0 ) 式中的第一项和第二项分别为体积元内的声动能和声势能。单位体积内的声能则 称为声能量密度，其表达式为 占= 等= 丢彬+ 去力 ( 2 1 1 ) 以上方程对所有形式的声波都成立，具有普遍意义。声能量密度的平均值为平均声 能密度。对于平面波，平均声能密度的表达式十分简洁，有 ；：竺；l ：乓 ( 2 1 2 ) 2 p 0 4 风 ( 2 ) 声功率与声强 单位时间内通过垂直于声传播方向面积为s 的平面的平均声能量为平均声功率或平 均声能量流，它与平均声能密度的关系是 矿= 玉o s ( 2 1 3 ) 单位面积上的平均声功率称为声强，有 。：堡：盈(214)1 = 一= 日 、o 声强的单位为w 砌：，它实际上是单位时间内、单位面积的声波向前进方向毗邻媒质所 作的功，因此它的另一种表示方法是 ，= 吾r 鼬( p ) r e ( u ) d t ( 2 1 5 ) 需要特别注意的是，声强是一个矢量，它的方向表示声能流传播的方向。声强不能 完全反映一类声波的能量关系，例如，在声源附近或有界声场中，即使声强为零，也并 不意味着声场中没有能量，只能说明声能量在一定区域内来回震荡，没有向外界辐射 9 中北大学学位论文 由上可见声压是就声场中某一点而论的。声强是就声场中某一点和某一方向而论的。而 声功率是就某一声源而论的。 2 1 2 线性声波方程 1 理想流体媒质中的三个基本方程 所谓理想流体媒质，指的是媒质中不存在牯滞性，声波在这种媒质中传播时没有能 量的损耗。另外，假设没有声扰动时，媒质在宏观上是均匀的，静止的，同时假设声波 在媒质中的传播过程中的传播过程为绝热过程。 声波动作为一种宏观的物理现象。必然要满足三个基本物理定律：牛顿第二定律、 质量守恒定律和热力学状态方程。在上述假设条件下，由这三定律可以推导出理想流体 媒质中的三个基本方程：运动方程、连续性方程和物态方程。在一维空间，沿石方向， 它们分别表示为 d 生：一塑 ( 2 1 6 )d 雌三一1 d 露撖 一旦逊：丝 ( 2 1 7 ) 础西 卯；c 2 咖 ( 2 1 8 ) 其中p = p o + p ，户= 岛+ ，忍和岛为静态压强和静态媒质密度，而p ，甜，分 别为声场中某一点的由于声扰动引起的声压、质点振速和媒质密度增量。c 2 = ( d e 商p ) ， 下标s 表示，声扰动引起的声压和密度变化在绝热过程中进行。 2 小振幅声波一维波动方程 对于小振幅声波，也就是在， b ，“岛，质点振速远小于声速，质点位移远 小于声波波长的情况下，上述三个方程可以进一步简化为如下形式。 塑：一塑(z19)po 石2 一言 u 一丝：型(220)po 一瓦2 争 忆+ p = 露 ( 2 2 1 ) 1 0 中北大学学位论文 头甲岛为户凝传描逐发。捐云以上：式甲嗣仕葸伪个燹重( 霉质点振运捌媒质酱度 增量) ，综合整理可以得到 窘= 虿1 可c a ：p 仫z z ) 这就是一维声场中的声波方程。 3 三维波动方程 在三维空间中，声场在x ，y ，z 方向都不均匀，式( 2 1 9 ) 式( 2 2 1 ) 可以推广 表示为如下形式 成坐；一砌 ( 2 2 3 ) 岛百2 叩卿 2 2 3 一d i v ( p o 炉警 ( 2 2 4 ) p = 吒2 p t ( 2 2 5 ) 其中g r a d 和d i v 分别表示对空间变量取梯度和散度，在直角坐标系中，有 “ 删咖= 宴f + 挈，+ 孚意 o xo p也 d i v ( 刺：旦掣+ 翟掣+ _ o ( p o ：_ u , ) 僦卵化 由式( 2 2 3 ) 式( 2 2 5 ) 可以导出理想流媒质中，小振幅声波的三维波动方程为 俨p = 专窘 汜z 6 ， 其中俨= 等+ 等+ 参。 2 2 平面声波与球面声波 1 平面声波 平面声波指的是声波沿莱一方向( 如x 方向) 传播，在其余方向所有质点的振幅和 相位均相同的声波。利用某些特殊的声学装置( 如驻波管) 可以产生平面波，但实际生 中北大学学位论文 活中很少存在这种声波形式。虽然如此。由于平面波的物理概念清晰，可以形象和直观 地用来说明许多声学现象，而且其数学表达式简洁明了。因此成为人们研究的重要对象。 平面波的波动方程可以用一维声波方程( 式2 2 1 ) 表示。稳定简谐声源所产生的稳 态声场中，如果没有反射波存在，则方程的解可简化为 p ( x ) = p a e j ( 删 ( 2 2 7 ) 这就是以速度为c o 正向传播的平面波的声压表达式，其中k = 国岛为波数；儿为声 压振幅。对平面波而言，它是一个常数。 2 球面声波 声波在传播过程中，相位相同的质点构成的曲面称为波阵面。如果声波的波阵面为 一系列同心球面，这样的声波就是球面声波。如果球形波阵面上声扰动的振幅相等，则 该球面声波为各向均匀球面波。 对予球面波，声场的计算和分析应该在球坐标系中进行。如果声源为沿径向脉动的 球体，通过求解球坐标系中的声波方程，则可得到各向均匀球面波的声压表达式为 p ；兰g j ( “一 + 旦口，( “+ 目) ( 2 2 8 ) ，r 其中a 和b 为待定常数。式中第一项代表声源向外辐射的球面波；第二项代表向声 源会聚( 反射) 的球面波。如果空间没有边界，其中也没有障碍物，因而不存在反射波， 于是b = 0 。因此，无界空间中各向均匀球面波的声压表达式为 p = 2 p ( ”一打) ( 2 2 9 ) r 式中a 一般情况下是复数，由球源半径、球面振动幅度和声波频率决定。”。 2 3 晌度级和等晌曲线 人的听觉系统比精密的噪声测量系统要复杂。前面提到人的听觉频率范围是2 0 2 0 0 0 h z ，人在这些不同的频率下对声音的强弱感受是不同的。人耳一般对高频声音敏感， 对低频声音感觉迟钝。为了反应人的耳朵对所有频率的声音听起来响亮程度相同，就引 入了响度级上响度级，单位为”方”( p h o n ) ，图2 1 表示响度曲线 1 2 中北大学学位论文 2 0h z1 0 01k h z f r e q u e n c y 图2 1 响度曲线 图中的每根曲线都是相同的响度，即听起来同样响亮。这条曲线是以1 0 0 0 h z 声音 的声压级为参考的，即在这个频率时，响度级等于声压级。但是在其他频率下，这两者 是不等的。响度级与主观评价没有直接关系。这样就引入一个线性量，即响度n ，单位 为宋( s o n e ) 。取4 0 方( 或4 0 d b 的l l f l i z 纯音) 所产生的响度为标准，令其为l 宋，如 果被听者判断为l 宋响度的几倍，则这个声音的响度就是几宋。 比如响度为2 宋的声 音听起来比响度为1 宋的声音响一倍。 2 4 本章小结 本章重点研究了噪声的基本性质。噪声的基本性质就是声波的产生和传播特性。文 中详细论述了声的特性参数、线性声波方程、平面声波与球面声波以及与人的听觉相关 的响度级和等响曲线，为下面章节作了基础性铺垫。 1 3 为竹。 黧訾 中北大学学位论文 3 柴油机噪声的机理分析 我们为了降低柴油机的噪声，首先要充分了解其产生机理。噪声是由振动产生的， 振动取决于激振力特性和激振系统的结构响应特性。绝大部分柴油机使用的是曲柄连杆 机构。其工作特点是间歇性的循环作功，这使得内燃机中的零部件承受着周期性的交变 力作用。同时周期性的更换气缸中的气体的过程，使得内燃机的进排气气流具有很大的 波动性，这就是内燃机在运转中引起振动和噪声的激励来源。一般来说柴油机噪声产生 的基本机理如下图所示。 网 匹到 图3 1 柴油机噪声产生的机理基本框图 即柴油机的噪声的产生按发生机理大致可分为内部激振力、振动传递系统和外部辐 射三部分。内部激振力有燃烧激振力和机械激振力两种。前者是由于气缸内周期性变化 的气体压力引起的，它主要由燃烧过程的燃烧压力所决定；后者是由于运动件之间及运 动件与固定件之间周期性交化的机械作用力产生的，如活塞撞击气缸、进排气门落座、 齿轮的相互冲击等删。 内燃机结构复杂，零件众多，多数零件又是用螺栓刚性地连接在一起，它们受到冲 击载荷激振时，都以各自的固有频率和振型或者独立或者相互影响地进行复杂的瞬态振 动，再沿着各种途径传播到内燃机表面。这些途径有： 1 ) 燃烧引起的气体力，使缸盖产生振动，进而传播到气缸盖罩和进、排气歧管等零件。 2 ) 作用在活塞上的燃烧气体力和惯性力使活塞产生垂向振动并沿连杆、曲轴、主轴承、 曲轴箱、油底壳等零件传播。 3 ) 与此同时，这些作用力又引起活塞横向敲击，激发起缸套和气缸体的振动，进而导 致推杆室盖、正时齿轮室盖、机油冷却器等零件的振动。所有这些振动最终的，最有影 响的后果，就是引起内燃机表面的高频振动，进而诱发出空气辐射噪声。图3 2 给出了 内燃机结构振动和辐射噪声的产生机理与传播途径。 1 4 中北大学学位论文 袭讴辐射臻声 图3 2 内燃机噪声传播路线图 3 1 柴油机的工作原理及其噪声源分类 3 1 。1 柴油机构造及工作原理 ( 1 ) 柴油机的基本构造 柴油机与汽油机的基本结构是相似的，其总体构造包括： 1 机体组：由气缸盖、气缸体、汽缸垫及油底壳等组成。其作用是作为发动机各机构、 各系统的装配基体，而且其本身的许多部分又分别是曲柄连杆机构、配气机构、冷却系 等系统的组成部分。 2 曲柄连杆机构：主要由活塞连杆组和曲轴飞轮组等构成。其作用是将燃料燃烧时产生 的热量转变为活塞的直线往复运动的机械能，再通过连杆将活塞往复运动变为曲轴的旋 转运动而对外输出动力。 1 5 中北大学学位论文 3 配气机构；由进气门、排气门、挺抨、推杆、摇臂、凸轮轴、正时齿轮等组成。其作 用是使可燃混合气体及时充入气缸并及时从气缸中排出废气。 4 供给系：柴油机和汽油机有所不同，柴油机供给系主要由柴油箱、输油泵、油滤器、 喷油泵、喷油器、低、高压油管、空气滤清器和进气管道等组成，作用是把柴油和空气 分别供入气缸，在燃烧室内形成可燃混合气并燃烧。 5 冷却系：其作用是把受热零件的热量散到大气中去，以保证发动机正常工作。柴油机 有风冷和水冷之分，水冷有冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成，风冷系主要 依靠散热片、气缸体和气缸盖来散热，一般还配有大功率的轴流式风扇以加强冷却效果。 6 润滑系：由机油泵、机油集滤器、滤清器、限压阀、润滑油道、机油滤清器等组成。 其作用是将润滑油供给作相对运动的零件，以减少它们之间的摩擦阻力，减少枫件的磨 损，并部分地冷却摩擦装置，清洗摩擦表面。 7 点火系：特指能够按时在火花塞电极间产生电火花，点燃混合气体的全部设备，主要 由蓄电池、点火开关、点火线圈、分电器、火花塞等组成。 7 起动系；由起动机及附属装置组成。用外力推动发动机使其由静止状态过渡到工作状 态。一般的电机起动是用电动机作为机械动力，当电机轴上的齿轮与发动机飞轮周缘齿 圈啮合时，动力就传到飞轮和曲轴，使之旋转。 ( 2 ) 柴油机的工作过程和工作状态 四冲程发动机工作循环的四个活塞行程中，只有一个行程是做功的，其余三个行程 则是做功韵准备行程。因此，在单缸发动机内，龌轴每转两周中只有半周是由于膨胀气 体的作用使曲轴旋转，其余一周半则依靠飞轮惯性维持转动。显然，做功行程时，曲轴 的转速比其他三个行程内曲轴转速要大，所以曲轴转速是不平均的，因而发动机运转就 不平稳。为了解决这个问题，飞轮必须做成具有更大的转动惯量，而这样做，将是整个 发动机质量和尺寸增加。显然，单缸发动机工作振动大。采用多缸发动机可以弥补上述 缺点。在多缸四冲程发动机的每一个气缸内，所有的工作过程是相同的，并按上述同样 的次序进行，但所有气缸的做功行程并不同时发生。例如在四汽缸发动机内，曲轴每转 半周便有一个汽缸在做功，在八缸发动机内。曲轴每转四分之一周便有一个做功行程。 汽缸数愈多，发动机的工作便愈平稳。但发动机缸数增多时，一般将使结构复杂，尺寸 及质量增加。 1 6 中北大学学位论文 四冲程柴油机使用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸发，而其自然温度却较 汽油低，故可燃混合气的形成及点火方式都与汽油及不同。柴油机在进气行程吸入的是 纯空气。在压缩行程接近终了时，柴油经喷油泵将油压提高到i o m p a 以上，通过喷油器 喷入汽缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。由于柴油机压缩 比高( 一般为1 6 2 2 ) ，所以压缩终了时气缸内空气压力可达3 5 4 5 1 4 p a ，同时温度 高达7 5 0 1 0 0 0 k ，大大超过柴油的自燃温度。故柴油喷入气缸后，在很短时间内与空气 混合后便立即自行发火燃烧。气缸内气压急速上升到6 9 m p a ，温度上升到2 0 0 0 2 5 0 0 k 。 在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转做功，废气同样经排气管排入大气中 5 1 - t 1 3 1 2 柴油机噪声源及其分类 由上节内容我们知道柴油发动机是多种零部件组成的复杂动力机械系统。在发动机 工作工程中相关的各零部件噪声的产生是十分复杂的。从图3 3 中我们可以直观的看到 发动机不同位置的各个子系统和部件都受到不同激励，产生着噪声辐射。发动机整机噪 声就是和发动机运转过程密切相关的多种声源发出的零部件噪声组合而成的。 图3 3 发动机噪声辐射源示意图 根据发动机的工作原理及有关的声学理论，把这些柴油机的主要噪声源进行归纳， 可以得到如图3 4 的分类。 1 7 中北大学学位论文 图3 4 发动机噪声的分类 其中，气体( 空气) 动力噪声是发动机直接向大气辐射的噪声，是由气流振动产生 的。迸气、排气及风扇工作时，由于气流的振动而产生的气体动力噪声，并直接向大气 辐射的。虽然增压器、气泵及风扇的嗓声中也有机械噪声成分，但主要是气体动力噪声， 因此，一般都列在气体动力噪声中。 结构表面振动噪声也称表面辐射噪声，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。其中内燃机液体嗓声可忽略。所以主要包括燃烧噪声和机 械噪声。 燃烧噪声是由于内燃机气缸中的瞬间剧烈燃烧而形成的，就其性质而言，是由于燃 烧的突发阶段以及火焰的传播特性而产生剧烈的冲击波在气缸内来回冲击，多次反射而 形成的一种空气振荡，因此具有气体振动的特性，但其最终是由气缸振动，而传播到内 燃机的表面而发射出来，所以也归入结构噪声之列，成为结构表面噪声源的重要组成部 分。 内燃机在运转时，由于力作用的周期性特点和间隙的存在，将产