（动力机械及工程专业论文）柴油机表面辐射噪声源小波识别及心理声学参数评价研究.pdf

中文摘要 汽车工业经过一百多年的发展己经成为一个庞大的产业，是全球经济的重要 支柱，由此带来的交通噪声问题也越来越受到人们的关注。内燃机作为汽车最主 要的振动激励源以及噪声辐射源之一，其噪声控制问题已经成为了动力机械领域 研究的重点。同时，随着国际排放标准的提高，以及顾客需求的提升，声质量问 题逐渐占据了动力机械领域的重要地位。人们不仅要求一个低噪声能量的声环 境，而且希望有一个高声质量的环境。 本文采用独立分量分析理论对柴油机噪声信号进行盲源分离，运用傅里叶变 换与小波变换分析方法对柴油机主要噪声源进行信号特征提取，利用心理声学理 论对噪声源信号进行客观分析，借助主观评价方法对客观分析结果进行验证，提 出基于入主观听觉的柴油机噪声控制策略。本文主要研究内容如下： 首先，以某六缸柴油机为研究对象，进行多工况噪声信号采集，选择某一典 型工况下的噪声信号开展研究。运用高斯理论分析并验证该噪声信号是否满足于 高斯性分布，如满足非高斯性分布规律则应用独立分量理论对噪声信号进行盲源 分离，并采用傅里叶变换和小波变换方法进行噪声源识别。最终识别出3 个主要 的独立的声源信号，分别是燃烧噪声、空压机噪声和活塞敲击噪声。然后进行近 场噪声实验，通过对噪声信号的频谱分析与时频分析，验证了噪声源识别结果的 正确性。最后采用基于快速傅里叶变换和最大相关准则分析的方法实现噪声源信 号波形的恢复。 其次，应用心理声学理论和z w i c k e r 满意度模型，分析并计算分离得到的独 立噪声源信号的心理声学特征及其满意度系数，得出结论为燃烧噪声的满意度值 远远高于空压机及活塞敲击噪声。同时研究了各独立声源信号对整机声质量的影 响规律，通过对频率成分丰富的噪声信号进行滤波处理，得到了8 种不同的噪声 样本，分析并计算8 种不同声音样本的心理声学特征参数和满意度系数，得到了 各独立声源信号对整机声质量的影响规律以及心理声学变量对整机声质量的影 响规律。然后针对上述分析，对试验用柴油机提出噪声优化措施。 最后，针对专业听审人群，采用成对比较法对8 种不同的噪声样本进行了主 观评价测试，并应用统计学方法验证了数据的有效性，样本噪声的主观评价测试 结果与z w i c k e r 满意度模型计算结果吻合较好，进一步证实了基于心理声学特征 的柴油机声质量优化策略的正确性。 关键词：柴油机独立分量分析噪声源识别心理声学主观评价 a b s t r a c t a u t 0i n d u s t qh 弱b e c o m eah u g e i n d u s n yt h r o u 曲t h eh u n d r e dy e a r so f d e v e l o p m e n t ，w h i c hi s 柚i m p o r t 卸tp i l l 盯o fg l o b a le c o n o m y t l l l u s ，m o r c 柚dm o m a t t e n t i o n sh a v eb e e np a i dt 0t h et r a 币cn o i t h e1 1 1 t e m a lc o m b u s t i o ne n g i n ei so n e o ft h ev e h i c l e sm a i ns o u r c e so fv i b r a t i o ne x c i t a t i o n 锄dn o i s e 均d i 砒i o n t h ei s s u eo f n o i s ec o n 仃0 lh a sb e c o m et h ef o c u so ft h er e s e a r c ha r e ao fp o w c rm a c h i n e r y m e 加w h i l e ，w i t ht h ei r n p r o v e m e n to fi n t e m a t i o n a le m i s s i o n 鼬蛐d a r d s 觚dt h e i n c r c a l s eo ft l l ec u s t o m e rd e m a n d s ，t h ei s s u eo ft h es o u n dq u a l i 够h a so c c u p i e dt h e i m p o r t a n tp o s i t i o no fp o w e rm a c h i n e r y i tn o to n l yr e q u i r e sal o wn o i p o w e ro ft h e a c o u s t i ce n v i r o n m e n t ，b u ta l s 0w 柚t sa h i 曲q u a l 时e n v i r o n m e n t i n t h i sp a p e r t h ei n d e p e n d e n tc o m p o n e n t a n a l y s i st h e o 呵w 觞u s e dt 0s e p a r a t e t h en o i s es o u r c eo ft h ed i e s e le n g i n e t h em e t h o do ff 0 u r i e rt m n s f o n n 锄dw a v e l c t 讯m s f o mw e r eu s e dt oe x 仇魄t l l e 佗a t u r eo ft h en o i s es o u r c es i 鲷a lo fd i e le n g i n e t h eo b j e c t i v e柚a l y s i so ft h en o i s es o u r c e s i g n a lw a sc o m p e l e t e db yt h e p s y c h o a c o u s t i c sm e t h o d ，w h i c hw 骶v e r i f i e db yt h es u b j e c t i v ee v a l u a t i o nl a t e r t h e n 廿l en o i s ec o n 臼o l 蛐g yo fd i e s e le n g i n ew 部p r o p o s e d ，、v h i c hw a s m e t t i l ep e o p l e s s u b j e c t i v eh e a r i n g t h ec o n t e n t so f t h i sp a p e ra r e 舔f o l l o w s ： f i r 踮m u l t i c o n d i t i o nn o i s es i g n a l so fas i x - c y l i n d e rd i e s e le n g i n e 、e r ea c q u i r e d n l r o u g he x p 硎m e n t a lm e t h o d ，0 n eo fw h i c hw 鼬u s e dt ot h er e s e a r c h a n a l y s i n ga n d v e r i f i n gw h e t h e rt h en o i s i g n a l ss a t i s f i e dt h eg a u s sd i s t r i b u t i o nb yu s i n gg a u s s t h e o r y i ft h er c s u l tm e e tt h en o n g 踟s sd i s t r i b u t i o n ，t h eb l i n ds o u r c es e p a r a t i o no f n o i s i 印a lw o u l du s et h e1 1 1 d 印e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s ，锄dt h en o i s es 0 u r c e 、o u l db ei d e n t i f i e db yt h ef o u r i e rt r a i l s f o 咖锄dw a v e l e tt 啪s f 0 加e v e n t u a l l vt h r e c i n d e p e n d e n tn o i s o u r c es i g n a l sw e r ei d e n t i f i e d ，、h i c hw e r ec o m b u s t i o nn o i s c a i r c o m p r e s s o rn o i 卸dp i s t o nk n o c kn o i t 1 l 锄l ev a l i d i t ) ，o ft h er e s u ho ft i l en o i s c s o u r c ei d e n t i f i c a t i o nw 器v 硎f i e db yt h e s p e c 饥l m 柚a l y s i s 锄dt i m e 舶q u 锄c y a n a l y s i so f 廿l en o i s es i g n a l 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o nm o d e l ，w h i c hf h r t h e rc o n f i 册e d l ev a l i d i t yo fd i e s e ls o u n d q u a l i 哆o p t i m i z e ds t r a t e g ) ，b 2 l s 酣o np s y c h o a c o u s t i c s k e yw o r d s ： d i e s e le n g i n e ；i n d e p e n d e n tc o m p o n e n t 粕a l y s i s ；n o i s es o u r c e i d e n t i f i c a t i o n ； p s y c h o a c o u s t i c s ；s u b j e c t i v ee v a l u a t i o n 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 内燃机是动力、交通、舰船、石化等国民经济重要领域的关键设备，在给人 类社会带来巨大便利的同时也消耗了大量的能源，导致全球能源日益枯竭。同时， 人们的环保意识也在不断增强。早在1 9 9 9 年，世界卫生组织就对全球噪声污染 情况做了调查分析，指出噪声污染已成为影响人类身心健康与生活质量的严重问 题。汽车噪声是城市噪声的主要来源，有研究表明6 0 以上的车辆噪声来源于内 燃机。噪声污染不仅会影响人们的听力，而且会导致注意力不集中、高血压、记 忆力衰退以及其它精神类综合症，世界各国都应采取积极有效的措施来控制噪声 污染。目前内燃机噪声问题受到越来越多的关注。“能源和环境”问题已经成为内 燃机与汽车工业在二十一世纪所面临的两个最重大的问题与挑战。 汽车工业经过一百多年的发展己经成为一个庞大的产业，是全球经济的重要 支柱。2 0 0 2 年汽车全球总销量为6 3 0 0 万辆，由汽车的市场保有量不断增加而引 发的交通噪声问题日益突出。为此，世界各国都制定了相应的车辆噪声法规，并 且噪声法规随着时间的推移也逐渐严格。中国的汽车保有量在近几年也是迅速的 增加。截止到2 0 0 0 年，中国汽车保有量为1 5 7 2 万辆；到2 0 0 5 年保有量为3 1 8 0 万辆，因此我国的交通噪声问题也十分突出。我国在2 0 0 2 年颁布了新的噪声法 规一汽车加速行驶噪声车外噪声限值及测量方法，新法规对车辆加速噪声限 值做了更为严格的规定。由于法规加强了对汽车噪声水平的限制，而内燃机噪声 又是汽车噪声的主要声源，越来越多的学者开始重视内燃机的噪声问题。 自上个世纪八十年代以来，我国政府加大了汽车工业领域资金与技术上的投 入。同时宏观经济政策上对汽车工业的倾斜也极大地提升了中国汽车行业的生产 能力和技术水平。随着我国经济实力和技术实力不断增强，中国己经成为全球最 重要的汽车市场和生产地区。全球的汽车生产重心也正在从欧洲、美国等传统成 熟的汽车市场逐渐转向以中国为代表的亚太地区。全球各大汽车企业为争夺中国 汽车市场展开了激烈的竞争，国产汽车企业也面临着日趋严峻的生存压力。中国 汽车行业的整体技术水平与先进国家存在着明显的差距，以九座以下乘用车为 例，我国在2 0 0 2 年颁布的加速噪声标准仅仅相当于欧洲1 9 9 6 年的标准。这一方 面反映出我国对车辆噪声问题的重视程度不够，另一方面也反映了中国汽车和内 第一章绪论 燃机行业在噪声控制水平上与发达国家之间存在不小的差距，内燃机的降噪问题 已刻不容缓。 在内燃机降噪的研究中，识别噪声源是首要条件。为了合理控制内燃机噪声， 首先需要了解内燃机噪声产生的原因，即对噪声源产生的部位和噪声源特性等进 行准确的测量和分析，然后依据噪声贡献度的大小，结合内燃机的结构特点，采 取相应的措施，降低主要声源的噪声，进而有效地优化整机的噪声。通过测量得 到的噪声是由多个声源相互交错、耦合而得到的，并存在多种干扰信息，很难将 其分解成多个独立的声源，由此使得运用传统信号分析理论及方法难以进行对一 些有用信息的捕捉和深入分析，因而相关的研究和应用也受到了很大的限制。同 时，随着国际排放标准的提高，声质量问题也日益占据了重要的地位，人们不仅 要求一个低噪声能量的声环境，而且希望有一个高声质量的环境。本研究采用小 波变化分析方法对内燃机主要噪声源进行信号特征提取，分离出声源信息。结合 心理声学参数及主观评价对噪声进行分析，得到基于人主观感受的不同声音的声 品质评价，提出满足于人主观听觉的相关控制策略。 1 2 国内外研究现状 近些年来，很多学者在内燃机主要噪声源识别方面进行了积极的开拓。 国外学者g e e p i i l l lj 锄e st 0 0 等采用类似源法描述一个平面上的声压，通过 功率谱分析和声全息分析在信号处理过程中进行噪声源位置的识别【1 】。q l e c l 色r e 等提出了应用多通道光谱的方法分析柴油机在怠速过程中噪声源调幅现象【2 1 。l p 1 1 j v o s t 采用一种改进的滤波器，分析柴油机运转信号的随机部分，成功的对柴 油机的燃烧噪声和机械噪声进行了分离，同时还得出结论，高速运行和负载情况 对发动机的传递函数有不可忽视的影响【3 1 。a d b a l l 等全面介绍了独立成分分 析技术，结合连续小波变换的方法，论证其应用于柴油机噪声源识别的合理性【4 1 。 ys k l m 等通过对活塞和气门运动与进气噪声的数值分析，阐述了进气噪声的 产生机理、传播和辐射过程1 5 】。 国内学者浙江大学的郝志勇等利用小波分析方法分析内燃机噪声信号的时 频特性，该方法克服了f o u r i e r 变换窗口形状固定，时频分辨率不能调节的缺陷， 具有较好的时频分辨率和时频定位能力，同时还提出了s 变换、e m d 与h h t 相结 合的方法等分析内燃机噪声信号的特性【乳】。天津大学舒歌群等采用表面振动法 进行了柴油机表面辐射噪声的诊断，并对附加自由和复合阻尼的薄壁件进行了声 辐射效率试验研究和整机试验，同时分析了活塞拍击表面振动、缸内压力等与燃 烧噪声的关系【1 2 以5 1 。毕凤荣等针对内燃机辐射噪声信号的特点，研究利用噪声测 第一章绪论 试技术、独立分量分析、小波变换技术及盲分离不确定性消除等现代测试技术与 信号分析方法，从复杂的噪声信号中分离和识别内燃机的主要噪声源及其对整机 噪声的贡献度【1 6 1 。刘月辉等采用独立分量分析的方法对内燃机噪声信号进行了研 究，成功分离出燃烧噪声、活塞敲击噪声和喷油噪声的信号特征【l 刀。上海交通大 学的华宏星等把声强测量技术应用到内燃机燃烧噪声与机械噪声实验中，推导出 内燃机燃烧噪声与机械噪声分离计算公式，提出了一个测试内燃机燃烧噪声和机 械噪声的新方法，文中实验结果与理论分析相吻合【1 8 】。目前国内无论是企业还是 科研单位都己经充分认识到了和国外先进水平的差距，许多高校如天津大学、清 华大学、吉林工业大学、合肥工大等和一些科研单位、企业如上海内燃机研究所、 一汽等都投巨资建设了内燃机消声实验室，许多新的实验手段和技术都被应用于 噪声的分析研究。 目前对内燃机噪声信号特征的分析虽然日渐成熟，但是噪声信号分析的自相 似性及对噪声信号的主观评价仍然需要进一步的研究。一直以来，以a 计权声 压级作为内燃机噪声评价标准以识别噪声源并采取控制策略，而忽略了人对声音 的主观判断，于是就会出现某个噪声a 声压级符合要求但却让人感觉十分烦躁、 难以忍受的现象，还有可能出现用a 声压级测量大的噪声感觉上比小的听起来 更容易被人接受的情况。因此心理声学越来越多的被应用于发动机噪声方面，国 内外也进行了大量的研究。国外学者也已将心理声学方法应用在车辆及发动机 上，a v l 李斯特公司利用心理声学参数对发动机样本噪声进行了标定，从而确 立客观参数和主观值之间的关系【6 】。德国f e v 发动机技术公司通过心理声学参 数建立了主观判定与客观特征之间的关系，从而找到了发动机的噪声源，确定了 它们的传播途径1 7 】。日本y a m a h a 公司利用心理声学参数描述发动机怠速噪声 的主观特性，建立起主观评估值与参量的线性组合之间的关系【引。国内学者在心 理声学方法应用上进行了初探，郭荣等学者已将心理声学方法应用在燃料电池轿 车车内噪声评价及噪声源识别研究上，找出了多成员主观感觉影响较大的频率的 声振部件【l 碉。石岩等学者已将心理声学方法应用在车辆排气噪声的预测研究上， 为排气噪声的控制提供了新的控制思路【2 0 1 。张俊红等学者已将心理声学方法应用 在车用柴油机风扇噪声的研究之中，为风扇优化设计提供了理论指导【2 。 1 3 本文主要研究内容与组织结构 在内燃机噪声控制的研究工作中，首要条件是识别噪声源。为了合理控制内 燃机噪声，首先需要了解内燃机噪声产生的原因，即对噪声源产生的部位和噪声 源特性等信息进行准确的测量和分析，然后依据各噪声贡献度的大小，结合内燃 第一章绪论 机的结构特点采取相应的措施，优化主要声源的噪声，进而有效地降低整机的噪 声。本研究拟采用独立分量分析对噪声源进行盲源分离，运用傅里叶变换与小波 变换分析方法对内燃机主要噪声源进行信号特征提取，识别出声源信息。结合心 理声学参数及主观评价对噪声源进行分析，得到基于人主观感受的不同声音的声 品质评价，提出满足于入主观听觉的相关控制策略。本文主要内容安排如下： 第一章，论述内燃机噪声控制的意义，介绍国内外内燃机噪声源识别的研究 现状，同时介绍心理声学理论应用于噪声评价方面的进展，揭示内燃机噪声源识 别与控制的重要意义。 第二章，介绍内燃机噪声源的分类及产生机理，同时总结内燃机噪声信号的 特点与目前分析内燃机噪声信号的方法和国家关于噪声测量及噪声限值方面的 标准。 第三章，介绍独立分量分析及小波变换理论。以某六缸柴油机为研究对象， 进行多工况噪声信号采集，并进行高斯性分析验证其能否应用独立分量分析。然 后应用独立分量分析对噪声信号进行盲源分离，运用傅里叶变换和小波变换进行 源的识别。为验证噪声源识别结果的正确性，进行近场噪声实验，采集该柴油机 关键部件处声信号，进行频谱分析与时频分析。最后采用基于快速傅里叶变换和 最大相关准则分析的方法进行估计源的自适应校正，实现噪声源信号波形的恢 复。 第四章，计算分离得到的噪声源的心理声学参数及其满意度系数，得到各噪 声源的满意度情况。同时对频率成分丰富的部分噪声信号进行滤波处理，将代表 各噪声源主要频率成分单独滤去与组合滤去，得到了8 个声音样本，计算这些声 音样本的心理声学参数和满意度系数，由此可更为直观地观察到各声源的满意度 情况。最后针对上述分析，对试验用柴油机提出噪声优化措施。 第五章，运用成对比较法，对第四章得到的8 个声音样本文件进行主观评价。 用主观评价结果验证心理声学参数及满意度模型用于评价内燃机噪声的正确性。 第六章，对全文进行了总结，并对今后的进一步研究进行了展望。 第二章车用柴油机表面辐射噪声机理及识别研究 第二章车用柴油机表面辐射噪声机理及识别研究 2 1 引言 内燃机是一种工作循环间歇完成的动力机械，这使得其工作具有周期性的特 点。这类周期性包括发出动力的力作用周期性以及空气工质运动周期性，这就形 成了机械部件的振动以及空气运动激励源，这些激励将通过不同的路径传递到机 体表面而形成内燃机的噪声辐射。根据噪声产生机理和辐射方式，内燃机噪声可 分为气体动力噪声与表面辐射噪声两大类。内燃机噪声的构成如图2 1 所示。正 确认识内燃机的噪声辐射机理是噪声源识别研究的重要前提。 圈r 图2 1 内燃机噪声的分类 2 2 内燃机主要噪声及其机理 内燃机具有结构复杂且零件众多的特点，而大多数零件又是通过螺栓刚性连 接在一起，当它们受到冲击载荷的激振时，将以各自的固有频率与振型或者相互 影响或者独立地进行较为复杂的瞬态振动，这些振动会沿多种途径传播到机体表 面。这些途径有： l 、缸内燃烧所引发的气体力将导致气缸盖与缸套等产生振动，这些振动将 圈 一一一一一 ll_-lll-_ 詈圈 第二章车用柴油机表面辐射噪声机理及识别研究 传播到缸盖罩与进、排气歧管等零件处。 2 、作用在活塞上的惯性力和燃烧气体力使活塞产生垂向振动，这些振动沿 连杆、曲轴、主轴承、曲轴箱、油底壳等零部件传播。 3 、燃烧气体力和惯性力又使得活塞横向敲击，导致气缸体和缸套振动，进 而导致正时齿轮室盖、推杆室盖、机油冷却器等零部件振动。这些振动最终将导 致内燃机表面产生高频振动，进而诱发噪声。 内燃机所产生的噪声，按辐射方式可以分为直接向大气辐射与由于部件各种 振动通过外表面向外辐射这两类。其中气体动力性噪声直接向大气辐射；而燃烧 噪声与机械噪声则是通过内燃机外表面向外辐射。 2 2 1 空气动力性噪声 空气动力噪声主要是由气流振动引起的，包括进、排气噪声与风扇噪声。在 未安装迸排气消声器时，最大的噪声源是排气噪声，进气噪声次之。 l 、进排气噪声 内燃机的进气噪声与排气噪声包括：缸内进、排气管中的流动气流压力脉动 产生的低、中频噪声；当气流高速流过气门进气截面时，形成涡流而产生的高频 噪声；气体在气缸内产生振动的过程中，进排气系统在气门迅速关闭时，也会产 生气体的振动，并通过表面辐射噪声。在本试验中，将进排气噪声引出实验室。 排气噪声主要是由排气压力波在排气管和消声器内部激发的振动与排气歧 管的机械振动引起的，频率范围在0 0 5 k h z 至5 k h z 之间。对于非增压内燃机来说， 其排气噪声可高达1 1 0d b 至1 2 0 d b ( 距排气口l 米处) 。排气噪声随内燃机排量、 有效扭矩、有效功率以及平均有效压力和排气口面积的乘积增大而增大【2 2 1 。 进气噪声主要是进气管道内的压力波动而产生的基频噪声与其各阶次谐波 噪声，其次便是气流在高速流经气阀的通道截面时而产生的涡流噪声。它的频率 范围在o 0 5k h z 至0 5 l ( h z 之间，主要是低频噪声。 2 、风扇噪声 风扇噪声主要是由旋转噪声( 叶片噪声) 与涡流噪声组成。 旋转噪声是由内燃机风扇旋转的叶片通过周期性地拍击空气质点，由此引起 空气压力脉动而激发的噪声，其基频就是叶片每秒打击空气质点的次数，可由下 式求得： 厂= 斋 ( 2 1 ) 式中 刀一风扇转速( 转分) z 一风扇叶片数。 第二章车用柴油机表面辐射噪声机理及识别研究 涡流噪声是由于风扇在旋转时，引起周围的空气产生涡流，而这些涡流在粘 滞力的作用下又会分解成一系列的小涡流。这些涡流与涡流的分裂会使空气产生 扰动而形成压力波动，进而激发出噪声。 2 2 2 机械噪声 内燃机的机械噪声来源于其内部机械部件之间相互作用的交变力。这些交变 力在传递中有三种情况：第一种是由原来部件间的不接触到接触而产生撞击现 象，这将产生撞击噪声；第二种情况是部件之间本就处于相互接触的状况，但部 件之间存在相对运动，由此产生摩擦力进而形成摩擦噪声；第三种情况是机械部 件间处于接触状态，而交变力使各个部件产生周期性和随机性振动，并伴有强迫 振动与自由振动，但机械部件中的固有振动系是按固有频率振动的，一个机械振 动系统存在一个或者多个固有频率，该固有频率值与其振动系统的结构特性有 关，故一般称这种噪声为结构性噪声。当交变力的某些阶次分量和固有频率相近 时，就会形成结构模态共振，这将激发起比较大的噪声。 这三种情况在实际的机械部件中往往是共同存在的，即同时存在撞击、摩擦 与结构振动。在某一时间和情况下，机械部件将以其中某一种情况所产生的噪声 为主。 内燃机的机械噪声主要包括活塞敲击噪声、气阀机构噪声、齿轮机构噪声、 高压油泵噪声、轴承噪声、不平衡惯性力引起的机体振动而辐射出来的噪声等。 l 、活塞敲击噪声 活塞敲击汽缸壁的噪声通常是内燃机机械噪声中最大的。活塞周期性的敲击 除了产生敲击噪声外，敲击使缸套和机体发生共振，经过传递到达内燃机外表面 后，由外表面的振动而辐射出噪声。活塞和与缸套间的间隙是敲击噪声大小的主 要因素，同时还受其他因素的影响，例如活塞环的数量，活塞头部与裙部的重量 分配比例、活塞的长度、气缸润滑的条件、缸套的刚度等。 2 、气阀机构噪声 内燃机机械噪声另一个重要的噪声源是气阀机构噪声。其强度与频率特性主 要和气阀机构的结构模式、气阀的落座速度、气阀间隙及互相撞击的零件的结构 与材料等有关。合理的设计凸轮型线，使作用于气阀机构的落座速度尽量减小， 以及改变作用于气阀机构的激励力特性，合理的设计气阀机构振动系统，以避免 气阀机构的不规则运动等将有效的减小噪声的发生量级。而减小气阀机构间隙也 是一项重要的措施。 3 、齿轮噪声 轮齿间的互相交替啮合是齿轮传动的特点。在啮合处，齿与齿之间将会发生 第二章车用柴油机表面辐射噪声机理及识别研究 连续冲击及齿面间的摩擦，进而使齿轮产生强迫振动和自由振动并发出噪声。齿 轮噪声一般在啮合频率及与它成倍数的频率处出现峰值。而在有些情况下也会在 固有频率处出现峰值，其特点是与齿轮转速有关，是由于摩擦等因素形成的自由 振动所致。当齿轮系由于安装或加工质量等具有较大不平衡偏心质量时，还会出 现低频的与齿轮转速一致的噪声。 4 、喷油泵噪声 在非高压共轨柴油机中，喷油泵噪声是其主要机械噪声之一。对于直喷式的 高速柴油机，用整体柱塞泵时，其整机最大噪声声压级可在l o o d b 以上。根据 一些柴油机噪声分析结果，在某些频率范围内，柴油机的总声压级几乎完全由喷 油泵的噪声所构成。 5 、部件振动噪声 在内燃机中除以上所述的一些机械噪声源外，部件振动所辐射的噪声也是机 械噪声的重要噪声源。部件振动噪声主要由强迫振动引起，而其振动频谱与内燃 机的工作转速有密切关系，是与工作转速有关的基频与各谐次倍频所组成，可以 方便的予以辨别。 2 2 3 燃烧噪声 内燃机燃烧噪声产生的根源是气缸内的气体压力剧变，产生的原因主要有以 下三个方面。 1 、缸内的压力剧变使气缸与其连接的相关部件受到非常强烈的冲击动力载 荷，并形成瞬间激励，使得缸盖、缸套、活塞连杆机构、曲轴及其支撑以及内燃 机的整机都发生部件的结构振动。由于冲击载荷是瞬间的，因此产生的结构振动 为各个零件自身的自振，同时其振动频率为该零件的各模态频率的叠加。 2 、喷入燃烧室中的燃油在滞燃期内进行着物理与化学的准备，当燃烧条件 成熟时在燃烧室内首先会有若干点处着火，首先着火处的局部压力将急剧升高且 火焰会向邻近区域传播。在火焰传播的同时，具有冲击性的压力波也在传播。这 种冲击波在遇到燃烧室壁后将会反射，冲击波在缸内的多次反射将使得气体发生 高频振动，在做功冲程中这种高频振动会持续相当长的时间，因此会辐射出高频 噪声。 3 、缸内气体压力变化在较为稳定的情况下是周期变化的曲线。以每秒内燃 机的工作循环数为基频的内燃机频域压力幅值谱可通过傅里叶变换获得。内燃机 气体压力的振动激励，将使得内燃机气缸内部件发生强迫振动。气缸内的压力级 频谱曲线可运用气缸压力传感器和频谱分析仪对内燃机进行测定来获得。 燃烧噪声与内燃机的发火特性关系很大，缸内气体压力周期性变换、着火时 第二章车用柴油机表面辐射噪声机理及识别研究 压力的剧变及气体冲击波高频振动将形成内燃机气缸各部件的强迫振动和自振， 这将辐射出噪声。 由上面对内燃机燃烧噪声机理的分析可知，燃烧噪声是由气体压力剧变而引 起的，具有冲击性。但它却不是直接向大气辐射而形成噪声，它通过内燃机中与 之接处的部件受激励而发生振动，最后通过内燃机机体表面辐射出来，具有表面 辐射的特征，因此常将其归类为表面辐射噪声一类。由于它是通过使零部件受激 励产生振动响应，最终辐射出相应的噪声，因此它受传声零件本身的振动传递特 性影响很大，所辐射出的噪声有的受到制约而大大衰减。实际所辐射出的噪声， 其频谱特性与气缸内的气体压力级频谱有极大差异。 为了研究燃烧噪声向外传播的途径，例如主要是由气缸盖、气缸套等部位传 出噪声还是通过活塞连杆机构传出噪声，以确定降噪的对策。不少研究机构做了 大量的试验研究工作，运用专门设备如爆发器等，制造出模拟内燃机实际运转时 的汽缸压力，然后测定其噪声量。试验结果清楚的说明燃烧噪声极大部分是通过 曲柄连杆机构传播的，这对于如何降低燃烧噪声指明了方向。 2 3 内燃机振动噪声信号的特点 内燃机噪声的产生过程具有激励源众多、传递路径比较复杂与响应部件多等 特点，这使得内燃机的振动响应和噪声辐射的过程变得非常复杂。由于内燃机噪 声信号的频率成分有时变性的特点，这导致采用传统谱分析方法难以分析信号局 部特性，并且那些基于平稳振动理论的研究方法同样难以完全适用。所以，对于 内燃机等往复运动机械的动态分析理论与方法的研究，正逐渐成为国内外相关领 域的热点研究课趔2 3 3 0 】。总结起来内燃机振动与噪声信号主要有以下几个特征。 2 3 1激励的非平稳、周期性特征 激励源众多是内燃机振动噪声特性的一个重要影响因素，同时内燃机内部各 种激励都存在着比较明显的非平稳性与冲击的特征。内燃机缸内燃烧的过程是一 个非常复杂的物理和化学过程。缸内的工质在一个工作循环内不仅存在着充量的 更换过程，而且工质的压力与温度也发生着剧烈的变化。缸内气体的温度在压力 迅速升高的同时，温度与压力将会不均匀分布，这种情况将导致缸内气体的高频 振荡。于是，内燃机在周期性的缸内压力振荡与燃烧激励的共同作用下向外辐射 噪声。 在机械激励方面，在燃烧气体力与惯性力的作用下随着曲轴转动，活塞对缸 套的激励力也表现出非平稳周期性的特点，除了活塞曲柄连杆系统之外，气门机 第二章车用柴油机表面辐射噪声机理及识别研究 构、供油系统等对内燃机的激励同样表现出了非平稳的特点。内燃机的噪声信号 大体上表现为非平稳周期性的特征。 2 3 2 系统结构的时变性 除了内燃机内部各激励力具有非平稳性与周期性的特征之外，整个系统结构 也具有着时变性的特征。在内燃机工作过程中活塞连杆的位置在不断发生变化， 作用在活塞连杆上的力的大小和方向也在不断变化，与此同时曲柄连杆的位置同 样在不断变化，这使得各种激励力在内燃机内部的传递路径不断的变化，与传递 路径有关的振动响应特性和系统特性也发生着周期性的变化。 此外，内燃机在工作过程中存在热力过程与机械过程的相互耦合。内燃机在 受到机械负荷之外，还受到周期性的热负荷的作用。内燃机的结构特性由于这些 热负荷而具有时变特性。 2 3 - 3 结构动态响应的复杂性 内燃机零部件众多，而且各部件互相耦合在一起，其相互作用一般情况下也 是非线性的，各部件的动态响应特性也相差很大。这导致内燃机噪声信号的产生 过程十分复杂。其振动噪声信号不仅包含强迫振动的频率特征，各部件的固有频 率响应特征也非常突出，频率成分也很丰富，信号的能量主要集中在8 0 0 h z 至 3 0 0 0 h z 的较宽频率范围之间。 2 4 内燃机噪声源的分析方法 内燃机的振动与噪声信号非常复杂，因此在噪声控制的过程中只有采用针对 性强的措施才能起到较为明显的效果。内燃机噪声源的识别工作主要是为了找到 其最大辐射噪声的位置和导致内燃机噪声辐射的最大因素。由此，众多学者开发 出了多种内燃机噪声源的识别方法及技术。这些方法及技术主要分为两种：第一 种是表面噪声源识别技术，另一种是内部噪声源识别技术。 2 4 1内燃机表面噪声源识别技术 l 、近场测量方法 一般声学环境中，在声源附近测得的主要是直达声，距声源较远处测量得到 的主要是混响声。近场测量法就是以此作为依据，将内燃机表面与传声器保持较 近的恒定距离，并逐点测出内燃机表面各部位的声辐射情况，进而判断主要噪声 源的位置。近场测量法虽然对中、小型内燃机不太适用，但其在分析进排气噪声、 第二章车用柴油机表面辐射噪声机理及识别研究 风扇噪声和大型内燃机噪声时，却是一种简单可行的噪声源识别方法。 2 、铅覆盖法 该方法是将需要测量的内燃机辐射噪声表面的区域裸露出来，其余部分用包 着铅皮的吸声材料覆盖起来，以保证裸露出来的表面辐射噪声不会受到测试环境 噪声的影响。这是分离表面辐射噪声的传统方法，当覆盖效果较好时，其测量结 果会比较精确，其缺点是使用铅覆盖法所需要的测量周期比较长，成本较高。同 时，在低频范围内( 3 0 0 h z 以下) ，部分声能可能穿透覆盖层辐射出去。所以在 低频测量时误差会较大。另外当所测部位的噪声较小时，该方法得到的结果的误 差较大，且内燃机辐射噪声特性在经过铅覆盖后将有所改变，这也会对测量精度 造成影响。尽管如此，铅覆盖法仍然是一种传统的、比较精确的分离表面辐射噪 声的方法，经常作为验证新方法的对比方法。 3 、声通道法 声通道法是用声通道将被测表面的辐射噪声引出，传声器设置在管道的另一 端，并用隔板将其它的噪声隔开。t i e n 的试验结果【3 5 】表明声通道法和铅覆盖法具 有相同的精度。声通道法需要对内燃机不同的辐射表面设计不同的声通道，该方 法的难点还在于内燃机表面与声通道之间的密封问题，并且试验需要在消声室内 进行。 4 、平板理想化法【3 8 】 平板理想化方法就是把内燃机各主要噪声的辐射表面简化成一组平板，每个 理想化平板的辐射声功率可通过表面振动速度进行计算。 肠谢= 妒缈2 s ( 2 - 2 ) 式中：删为辐射声功率；p 为介质密度；c 为声传播速度；u 为表面振动 速度的时空平均值；s 为平板面积； 为声辐射效掣3 0 1 。 该方法对测试时的声学环境没有特殊的要求，计算精度受测点数目和测点分 布的影响。由于该方法是建立在固定周边约束的理想化平板的声辐射理论基础之 上，与内燃机的实际结构有着一定差异，所以其计算精度不高。 5 、声强测量法 声强测量是上个世纪七十年代末伴随现代信号处理技术的发展而发展起来 的声功率测量方法。声强是指单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积上 的平均声能。当前经常采用的声强测试技术有双传声器声强测量和单传声器声强 测量。 6 、振动测量法 振动测量法是通过测量内燃机各部位的表面振动情况，进而求得辐射噪声。 这种方法虽然目前还不够成熟，但该方法对声学环境没有特殊的要求，加之测试 第二章车用柴油机表面辐射噪声机理及识别研究 手段也在不断发展，因此受到了人们的普遍重视。 7 、频域和时频分析方法 在分析内燃机表面噪声信号过程中可同时使用频域和时频分析方法。与频域 分析方法相比，因内燃机表面噪声信号具有非平稳时变的特性【4 ，时域分析方法 更适合内燃机表面辐射噪声信号。 2 4 2内燃机内部噪声源分析技术 l 、频域分析法 频域分析一般指的是傅里叶分析。傅里叶分析适用于能量有限的平稳信号分 析，所反映的是整个信号在全部时间历程下的频域特征，但它无法提供局部时间 段上的频域信息。因此，傅里叶分析在频域的定位能力很强，而在时域内无任何 定位性。内燃机着火等周期性的噪声信号均可采用频域分析法进行分析。这种方 法的分析精度受带宽影响，通过频率细化技术能够提高分析精度。 2 、时频分析法 内燃机的振动与噪声信号是时变的非平稳信号，且具有局部冲击的特点。与 此同时，内燃机的工作循环是间歇性完成的，具有周期性的特点，所以内燃机的 振动与噪声信号也具备周期性。时频分析能够同时显示信号的时间与频率信息， 从这两方面同时揭示信号特征。因此对于非平稳的时变信号来说，该方法更能全 面揭示信号的特征。 由于工作过程中的内燃机的四个冲程是依次进行的，各过程中零部件的振动 与噪声信号都有各自的时间与频率特性，因此运用时频分析法是一种很好的分析 识别内燃机内部噪声源的方法。 目前处理振动与噪声等非平稳信号的方法主要有五种：短时傅里叶变换、小 波分析、w i 印e r - l l e 分布、自适应信号处理和h i l b e r t h u 锄g 变换。 3 、分别运转法( 倒拖法) 分别运转法( 倒拖法) 通常被用于分离内燃机的燃烧噪声与机械噪声，同时 也被运用于内燃机内部各机械噪声源的分离。该方法需要做两个假设：一是内燃 机机械噪声与倒拖时的噪声相等；二是内燃机的燃烧噪声与机械噪声相互重叠。 只有当燃烧噪声相对机械噪声来说较大时才能用这种方法分离燃烧噪声。由于倒 拖时不能再现内燃机实际着火工况的热力状态，其气缸压力与着火时有着较大的 差异，所以内燃机倒拖时的噪声与内燃机的正常运转时的机械噪声有时差异较 大。 4 、燃烧噪声模拟试验台 该方法的基本原理是固定内燃机各运动部件，向燃烧室中充入某种特殊的可 第二章车