两种声源识别技术在发动机噪声测试中的应用.pdf

第4 3 卷第1 期 2 0 1 4 年2 月 小型内燃机与摩托车 S M A L LI N T E R N A LC O M B U S T I O NE N G I N EA N DM O T O R C Y C L E V o l 4 3N o 1 F e b 2 0 1 4 振动 噪声 两种声源识别技术在发动机噪声测试中的应用 高辉李洪亮顾灿松陈达亮 中国汽车技术研究中心天津3 0 0 3 0 0 摘要 分别通过声强法和声阵列法对同一发动机进行怠速工况噪声源识别测试 确定发动机进气侧 排气侧和皮带轮侧的主要噪声源 对两种方法测试得到的噪声源及其频谱特性进行对比 发现测试结果 基本一致 证明利用声阵列技术进行发动机噪声源识别测试比声强法更加简单易行 关键词 声强声阵列发动机噪声源识别 中图分类号 T K 4 1 1 6文献标识码 A文章编号 1 6 7 1 0 6 3 0 2 0 1 4 O l一0 0 7 3 一0 6 A p p lica t io no fT w oM e t h o d so fN o is eS o u r ce I d e n t if ica t io no nE n g in eN o is eT e s t in g G H I li L iH o n g H a n g G uC 锄舯n g C h e nD a li柚g C h in aA u t o m o t iv eT e ch n o lo g y R e s e a r chC e n t e r T ia n j in 3 0 0 3 0 0 C h in a A b s t r a ct B a s e do ns o u n din t e n s it ya n da co u s t ica m ym e t h o d s n o is es o u r ceid e n t if ica t io no fa ne n g in eis m e a s u r e dinid leco n d it io n T h em a inn o is es o u r ceo fin t a k es u r f h ce e x h a u s ts u I f a cea n db e lt s u d a cea r ed e t e 珊in e d a ls ot h e irs p e ct r u ma n a ly s is T h et w ok in d so fm e t h o dt e s t in gr e s u lt sf u n d a m e n t a llya g r e ew e ll a n d it V e r if ie dt h a ta co u s t ic a r r a ym e t h o diss im p le ra n de a s ie rt h a ns o u n din t e n s it ym e t h o d K e y w o I s S o u n din t e n s it y A co u s t ica 眦y E n 百n e N o is es o u r ceid e n t if ica t io n 引言 发动机作为汽车的最主要噪声源 对其进行减振 降噪显得尤为重要 而发动机降噪的首要工作便是噪 声源识别 传统的发动机噪声源识别技术有铅皮包裹 法 表面振动法 分部运行法等 铅皮包裹法具有隔声 性能好精度高等优点 但仅适用于测量辐射中 高频的 噪声源 且测试时间较长 某些紧凑机型在台架上可包 裹性较差 表面振动法更适用于结构振动引起的辐射 噪声源 旋转附件或高温部件则无法进行测试 且 由于材料辐射系数以及测量精度等问题此法工程应用 有限 分部运行法用于少数可分别运转的附件对整机 噪声的贡献量比较方便 但拆掉某些部件后 比如正 时链条 因发动机不能点火运行 仅适用于发动机机 械噪声的研究 近几年新发展的声学测量方法有声强 法和声阵列法等旧J 声强法对声学环境没有特殊要 求 测试较为方便 但由于声强是近场测试 因此危险 性较大 另外声强法只能进行稳态工况测试 声阵列 法是近几年发展起来的一种新的噪声源定位测试方 法 已广泛应用于工业中的各个领域 声阵列法用于 发动机噪声源识别测试具有操作简单 数据处理迅速 精度高且测试环境安全等优点 分别用声强法和声阵列法对某汽油机怠速工况进 行噪声源识别测试 测量面为进气侧 排气侧和皮带轮 侧 确定每个测量面的主要噪声源 由于声阵列法不能 作者简介 高辉 1 9 8 3 一 男 硕士 主要研究方向为发动机振动噪声测试评价技术 7 4 小型内燃机与摩托车第4 3 卷 进行声功率分析 故仅就各测量面主要噪声源及其频 谱特性进行分析 并对两种方法的测量结果进行比对 验证了声阵列法是发动机噪声源识别测试中比声强法 更加简单易行的有效方法 1 基本原理 1 1 声强法测试原理 声强是在垂直于声波传播方向的单位面积上及单 位时间内通过的声能量 用符号 表示 单位为w m 声强是矢量 大小等于测点声压与质点振速的 乘积 测量声强有两种方法 一种是传声器和直接测 质点速度的传感器相结合 称为p u 法 另一种是双 传声器法 也称为p p 法 由于质点振速的测量较为 复杂且精度易受环境影响 因此工程中p p 法的应用 更加广泛 该方法采用对置式双传声器的声强探头 具有较好的频谱特性 灵敏度和方向特性 原理如 下 3 两传声器安装相距一小段距离 假设两传声器 声学中心的连线方向为戈 当声波沿戈向传播时测得 的两个声压p 及p t 之间存在着梯度 根据欧 拉方程塞 一p 0 詈有 t 去J 警d t 设d 为两传 声器声学中心之间的距离 当d 远小于波长A 时 譬可 近似改写为旦坐L 掣 因此上式可改写为u f 一土J p 一p 出 两传声器之间中点的声 0 o 压可认为是p 和p 的平均值p f 丛生I 堕盟 则z 方向上的瞬时声强为 L t 2 p f M f 2 赤 p p e 取其时间平均即可得到戈方向上的有功声强 1 2 声阵列法测试原理 声阵列法由一组在空间固定位置分布的传声器组 成的阵列对空间声场进行测量 通过对每个固定位置 的传声器测量的声压脉动信号进行相应的处理 就可 得到有关声场的详细声源信息 这种对传声器阵列信 号的处理算法称为 波束成形 B e a 南m in g 而传声 器阵列的聚焦方向称为 波束 波束成形是基于传 声器阵列测得的阵列信号处理方法 可以使传声器阵 列形成预定方向上的指向性 实现定向接收 从而实现 对信号进行空间滤波 提取所需的信号源和信号的属 性等信息 如对物体表面的声源分布进行测量 找出主 要声源的位置 在声源识别过程中 对传声器阵列接 收的信号进行适当的波束成形处理 就可以得到我们 希望得到的信息 例如声源的位置以及声源的频谱特 性等 声阵列技术利用声波波束成形原理处理声源信 号 在测得噪声信号的声压级同时 通过 延迟累加 算法得到信号源的空间位置或指向 进而能够得到整 个辐射表面的不同发声信号源位置 图1 表示了声阵 列技术的基本原理 设在空间存在一个强度为八戈 的噪声源和一个由多个传声器组成的阵列 由声源至 每个传声器的距离为八戈 t 则声信号自声源传至各 r 个传声器所需时间为r i 其中c为声速 声信号 C 传至各传声器的相对时间差为 i 丁i m in r i 则由 传声器阵列所确定的噪声源的信号强度为 1 八戈 t 吉芝 似 戈 f 一 2 H i 1 式中埘i为各个传声器的特征系数 是由传声器的个 数 距离和布置方式等决定的 舶 j x 图1波束成形原理 根据信号强度公式 则空间某点一定时间内的有 效声压值为 厅 i 一 如 戈 如 2 亡乏严 刈t 3 上述方法决定了所采用的波束成形技术对于测量 信号有非常强的指向性 从而可以实现对物体辐射噪 声的全场测量和空间位置的分辨 指向性特征是由归 一化衰减因子所表征的 在不同声波入射角度下 指向 性灵敏度 r 2 咖 淼粼 4 式中 d 为传声器之间的当量距离 咖为声波入射角 即空间相位角 A 为所测信号的波长 为阵列系统 中传声器的个数 4 5 2 发动机噪声源识别测试 本次试验在发动机半消声室内进行 试验间为 第1 期高辉等 两种声源识别技术在发动机噪声测试中的应用 7 5 房中房 隔振结构 地面为平整水泥地面 屋顶及墙 壁采用金属尖劈吸声结构 试验台架采用机械弹簧支 撑 试验间截止频率为8 0 H z 背景噪声为1 6 d B A 试验以一台4 缸汽油机为例 发动机运转工况为怠速 采取脱轴方式 发动机与测功机分离 以避免连接轴 异响给测试带来干扰 测试过程中屏蔽进排气噪声 进气管路 台架支撑腿等用吸音材料包裹 关闭试验间 通风系统 开启排烟风机 2 1 声强法测试 测试设备采用的是丹麦B K 公司的3 5 9 9 型号双 传声器声强探头和3 5 6 0 型号测试前端 配套的测试软 件为P u L s E l0 1 版本 网格框架的密度均布为5 cm 5 cm 测试网格密度均布为1 0 cm 1 0 cm 以测试网 格为准 排气侧测量面尺寸为7 行5 列 距离发动机 主要辐射面为3 0 cm 进气侧测量面尺寸为7 行5 列 距离发动机主要辐射面为2 0 cm 皮带轮侧测量面尺寸 为7 行6 列 距离发动机主要辐射面为3 0 cm 频率覆 盖范围1 0 0 1 0 k H z 测试过程中声强探头垂直于各发 动机主要辐射面逐点扫描 图2 和图3 为排气侧声强云图分布以及对应1 3 倍频程声强谱 主要声源为排气歧管隔热罩 对应主要 峰值为1 2 5 0 H z 中心频带和4 0 0 H z 中心频带 图2 排气侧声强云图分布 频率 H z 图3 排气侧1 3 倍频程声强谱 图4 和图5 为进气侧声强云图分布以及对应1 3 倍频程声强谱 主要声源为空气压缩机后端 下缸体和 油底壳部位 对应主要峰值为5 0 0 H z 中心频带和 1 2 5 0 H z 中心频带 图4 进气侧卢强云图分伟 频率 H z 图5 进气侧l 3 倍频程声强谱 图6 和图7 为皮带轮侧声强云图分布以及对应 l 3 倍频程声强谱 主要声源为曲轴皮带轮偏向空压 机一侧 对应主要峰值为1 2 5 0 H z 中心频带和6 3 0 H z 中心频带 频率 H z 图7 皮带轮侧l 3 倍频程声强谱 7 6 小型内燃机与摩托车第4 3 卷 2 2 声阵列法测试 测试设备采用德国G F A I 公司型号为R in 9 4 8 7 5 的声阵列系统 声学照相机 和型号为M cd R e c7 2 l的 测试前端 配套的测试软件为N o is e I m a g e 4 4 1 版本 声学照相机距离各测量面的距离均为1m 频谱覆盖范 围1 0 0 2 0 k H z 图8 和图9 为排气侧噪声源分布情况以及对应频 谱 主要噪声源为排气歧管隔热罩 对应主要峰值为 1 2 5 0 H z 中心频带和4 0 0 H z 中心频带 J 麟 t姓i 勰转 她醇ll 嘲擎黼 j 毒 建 l舭 撑 州 j 一F 一 譬 j 冀0 F o I j j r 卜 L 蓼舞F r i一 图9 排气侧频谱 图1 0 和图1 1 为进气侧噪声源分布情况以及对应 频谱 主要噪声源为下缸体 油底壳和4 缸进气歧管部 位 对应主要峰值为1 6 0 0 H z 中心频带和5 0 0 H z 中心 频带 图lO 进气侧声源分布 图1 2 和图1 3 为皮带轮侧噪声源分布情况以及对 应频谱 主要噪声源为曲轴皮带轮偏向空压机一侧 对 应主要峰值为1 2 5 0 H z 中心频带和6 3 0 H z 中心频带 图1 3 皮带轮侧频谱 3 测试结果对比分析 从3 个测量面的频谱来看 发动机辐射噪声整体 体现为中低频的宽频带噪声 3 1 排气侧 由于排气歧管隔热罩为薄壁件且面积较大 排气 侧的主要声源来自排气歧管隔热罩的辐射噪声 声阵 列测试的结果声源位置偏向于2 缸缸盖部位 而声强 测试结果中排气侧声源区域的最大能量位置靠近缸 盖 这与声阵列的测试结果较为吻合 从频谱分析来 看 排气侧的频谱特性高度一致 两种测试方法的最大 峰值均为1 2 5 0 H z 中心频带 第二峰值均为4 0 0 H z 中 心频带 图1 4 和图1 5 分别为声阵列测试1 2 5 0 H z 中心频 带和4 0 0 H z 中心频带对应噪声源分布 1 2 5 0 H z 中心频 带对应声源为1 缸和2 缸缸盖上方部位 4 0 0 H z 中心 频带对应声源为油底壳 图1 6 和图1 7 分别为声强测 试1 2 5 0 H z 中心频带和4 0 0 H z 中心频带对应噪声源分 第l期高辉等 两种声源识别技术在发动机噪声测试中的应用 7 7 布 1 2 5 0 H z 中心频带对应声源为排气歧管隔热罩 4 0 0 H z 中心频带对应声源为油底壳 图1 6 声强测试1 2 5 0 H z 中心频带对应声源 3 2 进气侧 油底壳是发动机的主要噪声源 下缸体较之机体 本身强度和刚度较小 二者是进气侧的主要噪声来源 进气歧管属于薄壁塑料件 在声阵列测试结果中4 缸 进气歧管部位的辐射噪声也较为明显 频谱分析显 示 声阵列测试频谱第一峰值为1 6 0 0 H z 中心频带 能 量为5 8 4 d B A 第二峰值为5 0 0 H z 中心频带 能量 为5 6 5 5 d B A 此外 1 2 5 0 中心频带和4 0 0 H z 中心频 图1 7 声强测试4 0 0 H z 中心频带对应声源 带峰值能量也较高 分别为5 6 1d B A 和5 4 5 9d B A 整体体现为宽频带特征 声强测试频谱第一峰值 为5 0 0 H z 中心频带 第二峰值为1 2 5 0 H z 中心频带 分 别处于声阵列测试噪声源的两个宽频带范围内 图1 8 和图1 9 分别为声阵列测试1 6 0 0 H z 中心频 带和5 0 0 H z 中心频带对应噪声源分布 1 6 0 0 H z 中心频 带对应声源为空压机和下缸体区域 5 0 0 H z 中心频带 对应声源为下缸体和油底壳部位 图2 0 和图2 1 分别 为声强测试5 0 0 H z 中心频带和1 2 5 0 H z 中心频带对应 噪声源分布 5 0 0 H z 中心频带对应声源为下缸体油底 壳部位 1 2 5 0 H z 中心频带对应声源为空压机和下缸体 区域 图1 8 声阵列测试1 6 0 0 H z 中心频带对应声源 3 3 皮带轮侧 皮带轮侧的主要噪声源一般为曲轴皮带轮 张紧 轮 和齿轮室罩辐射 本机的噪声源为曲轴皮带轮 两 种方法测试的声源和频谱均高度一致 通过频谱分 析 最大峰值均为1 2 5 0 H z 中心频带 第二峰值均为 6 3 0 H z 中心频带 图2 2 和图2 3 分别为声阵列测试1 2 5 0 H z 中心频 带和6 3 0 H z 中心频带对应噪声源分布 1 2 5 0 H z 中心频 带对应声源为转向助力泵 6 3 0 H z 中心频带对应声源 7 8小型内燃机与摩托车第4 3 卷 幽1 9 卢l蜂列测试5 0 0 H z 中心频带刈应卢源 虱2 0 声强测试5 0 0 H z 中心频带对应声源 图2 1 阵列测酞1 2 5 z 中心频带对应声源 声强测试1 2 5 0 H z D 频带对应声源 二3j 叫珀 列洲试6 3 I 中心频带对应声源 为曲轴皮带轮 图2 4 和图2 5 分别为声强测试1 2 5 0 H z 中心频带和6 3 0 H z 中心频带对应噪声源分布 1 2 5 0 H z 中心频带对应声源为转向助力泵 6 3 0 H z 中心频带对 应声源为曲轴皮带轮 4 结论 1 由于两种测量方法均对设备与测量面距离有 严格要求 但发动机主要辐射表面由于带有各种附件 并不十分平整 以及怠速工况的发动机转速波动导致 的状态