内燃机噪声研究的现状与发展

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噪声识别的方法 " !# 近场 声 压 法 % 在 近 场 测 量 振 动 表 面 的 声 压 级 $ 从
而近似估算振动表面的噪声级 ! " "# 封闭 法 % 内 燃 机 噪 声 源 识 别 的 传 统 方 法 $ 要 求 在 消声室中进行测量 $ 用铅等隔声性能好的金属材料对内 燃机的发声部件进行封闭 $ 只露出待测部件表面 $ 从而进 行噪声级的测量 ! " ## 振动测量法 % 根据发动机的表面振动速度来估计 表面辐射声功率 ! " $# 声 强 测 量 法 % 目 前 已 经 出 现 的 表 面 声 强 法 有 两 种 $ 一 种 是 互 谱 表 面 声 强 法 $ 另一 种 是 自 谱 表 面 声 强 法 ! 互谱方法由于对测量仪器通道相位差比较敏感 $ 因此在 实用中受到了限制 ! 自谱方法的明显优点在于消除了互 谱方法对仪器的苛刻要求 ! 因此表面声强方法在实验室 的理论研究以及实际测量的应用研究步入了进一步完善 和发展阶段 ! 复式声强法是在普通声强测量基础上 $ 增加了无功 声强的成份 ! 有功声强是单位面积通过的声功率 $ 它是向 声场外传播的能量 ! 无功声强则为声源附近并不向外传 播的能量 ! 与受声场影响较大的有功声强相比 $ 无功声强 更加依赖于声源 $ 能反映声源的特性 $ 因此有助于对声源 进行有效辨别 ! 有功声强和无功声强在等值线上的极大 值均表示了声场中声源的方位 ! 例如 $ 在应用复式声强技 术进行噪声测量时 $ 在消除了进排气噪声后 $ 正时齿轮盖 板为最大噪声源 $ 显然其有功声强和无功声强均为第一 位的 ! 该方法可为声场分析和声源识别提供更多的声场 信息 ! " %# 模态分析与振动传递函数法 ! " &# 分别运转法 ! " ’# 声通 道 法 % 用 截 面 积 渐 变 的 声 通 道 $ 截 面 小 的 一 头置于传声器边 $ 大的一头置于柴油机边 $ 一次测定对象 部件噪声的方法 ! " (# 神经网络法 神经 网 络 具 有 大 规 模 并 行 处 理 & 自 组 织 & 自 适 应 & 容 错性 & 高度非线性映射及很强的泛化能力 $ 在分析非线 性问题方面有着独特的优势 ! 利用神经网络对柴油机在 不同转速 & 负荷及气缸压力下的试验数据反复学习 $ 对
分 ! 噪声测量和数据处理是实现噪声识别的技术手段 ! 能 反映 噪 声 物 理 特 性 的 参 数 有 声 压 & 声 强 & 声 功 率 等 $ 如 前 所述 $ 不同的测试内容和方法就代表了不同的噪声识别 方法 ! " !# 噪声的测量 噪声的测量是测试技术中一个很重要的方面 ! 实际 测试中 $ 多用传声器和声级计及频谱分析仪等 ! 传声器的 布置根据上述不同识别方法而定 $ 声级计与频谱分析仪 则视识别方法的要求相配 ! 从测试角度看 $ 应用于噪声测 量的传感器是声压式的 $ 其原理是将传来的声压信号转 变为电信号 ! 因此 $ 象测试技术中其他关键传感器一样 $ 更可靠准确的声压传感器是传感器研究开发领域的一个 重要课题 ! " "# 噪声数据处理技术 对测量所得噪声数据的处理一般指对所测信号数字 化后进行的技术分析 ! 数据处理是一个发展速度非常快 的技术领域 $ 它在不同专业方向的应用目的都是尽最大 可能地 & 真实地反映各类原始信号所代表的信息 ! 对噪声 而言 $ 就是利用在噪声测量中所测录的声源信号时域值 $ 使用某种信号处理方法 $ 从看似毫无规律可循的一连串 数字中找出表现噪声本质的一些参量 $ 使人们对噪声的 认识更加清楚 $ 从而找到产生噪声的不同根源 ! 传统的数据处理方法是傅立叶变换方法 $ 通过 ++, 对噪声信号进行频谱分析 ! 一般地无论是传声器还是振 动传感器的信号都要进行频谱分析 ! 根据识别方法要求 $ 有的还要进行倒频谱分析 ! 目前 $ 在数据处理研究方面的热点之一’ ’’ 小波变 换法已有取代传统的傅立叶变换的趋势 ! 小波变换具有良好的时频局部化特性 $ 对于处理时 变信号具有独特的优越性 $ 它能将信号分解成交织在一 起的多种尺度成分 $ 并对于大小不同的尺度成分采用相 应的时域取样步长 $ 从而能够不断地聚焦到对象的任意 微小细节 ! 小波分析方法可以通过对原信号的多重分解 ( 放 大 )$ 并 在 时 域 上 准 确 把 原 信 号 中 的 异 常信 号 提 取 并 定位 - 也可以用来进行信号分离 $ 把具有某种特征的信 号 单独分离出来 $ 从而独立地分析其特性 !
一般认为燃烧噪声经由两条路径传播并辐射出来 ( 一 是 经过气缸盖及气缸套经由气缸体上部向外辐射 ) 另 一 条 路 径 是 经 过 曲 柄 连 杆 机 构 " 即 活 塞 $ 连杆 $ 曲 轴 和 主 轴 承 经由气缸体下部向外辐射 % & $# 空气动力噪声 空气动力噪声主要包括进 $ 排气噪声和风扇噪声 % 进气 噪 声 是 发 动 机 的 主 要 空 气 动 力 噪 声 源 之 一 " 它 是由进气门周期性开 $ 闭而产生的压力变化起伏所形成 的周期性进气噪声 " 它包含有进气管内压力脉冲形成的 噪声 " 一般频率在 $""" *+ 以下的低频噪声和部分 高 次 谐波噪声以及气流在气门流通截面形成涡流 "产生 !""" *+ 以上频率的涡流噪声 % 对于增压发动机由于增压器转速 较高 " 一般进气噪声明显高于非增压发动机 " 其主要能量 分布在 %"",!""" *+ 范围 % 发动机的空气滤清器对进气 噪声有大幅度的衰减 % 排气噪声主要是由于发动机做功冲程结束 " 排气门 打开时排出废气的压力脉动引起的能量很高 $ 宽频的周 期性噪声 % 从声源特性来看 " 在排气总管处它接近于单 源 $ 周期性的压力脉动引起周围媒质的周期性变化 " 从 而产生噪声 % 在发动机噪声源中 " 排气噪声占有相当大的 比例 "也是内燃机降噪控制的首要目标 % 风扇噪声在水冷式发动机的噪声中并不占突出地 位 "而风冷发动机的风扇噪声往往是主要噪声源 % 从产生 机理来看 "风扇噪声包括旋转噪声和涡流噪声 % & -# 机械噪声 发动 机 工 作 时 " 运 动 件 产 生 的 撞 击 $ 构 件 的 振 动 $ 传 动齿轮啮合及附件运转等因素均造成强烈的噪声 " 称为
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内燃机噪声识别技术 内燃 机 噪 声 研 究 的 一 个 重 要 方 面 是 噪 声 源 的 识 别 $
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噪声测量与数据处理 应该说噪声测量和数据处理分析是噪声识别一部
只有知道了实际内燃机噪声的来源及频谱组成 $ 才能采 取有效措施去控制和降低内燃机的噪声 ! 噪声识别的基 础是噪声的测试 $ 利用噪声测试仪器获取内燃机噪声信 号 $ 再通过后续的数据处理和分析 $ 将构成内燃机噪声的 各部分分离开来 $ 进而达到识别噪声源的目的 !
关键词 ’ 内燃机 ( 噪声 ( 现状 ( 发展 中图分类号 ’!"!"! 文献标识码 ’# ! &%%)) %#’%%$%’%& 文章编号 ’$%%&’&(((
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专题论坛
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内燃机噪声研究的现状与发展
张 晶! 韩 树! 索文超 ! 装甲兵工程学院 机械系动力研究中心 " 北京 !"""#$ #
摘
要 ’ 内燃机工作时产生强烈的噪声 " 无论其应用于何种场合 " 降噪都是一个很重要的问题 % 很长时间以来 " 内燃机工
作者在分析内燃机噪声的机理 $ 进行噪声测试和声源识别 $ 研制降噪产品等方面作了大量研究工作 % 文中将近年来内燃 机噪声研究的发展及成果作了简略综述 %
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机械工程师
&%%) 年第 # 期
!"#$% "& ’()*+,- ."(&#声 " 主要是排气噪声# 得到有效 控制后 $ 高速运转时的机械噪声常常是最主要的噪声源 $ 这 些噪 声 通 常 包 括 % 活 塞 敲 击 噪 声 & 门 升 落座 冲 击 噪 声 & 结构件振动噪声 !
发动机噪声源进行识别 ! 据报道 $ 采用多层前馈神经网络 对 "!#% 柴 油 机 的 动 态 下 的 噪 声 级 频 谱 进 行 识 别 $ 最 大 误差为 #)(* !%"$ 精度 较 高 $ 且 满 足 工程 设 计 的 要 求 ! 因 此 $ 在进行发动机噪声分析 研 究 中 $ 可 大 量 减 少 试 验 的 工作量 $ 同时也为发动机动态噪声环境的仿真提供了一 种有效的方法 !
! 内燃机的噪声机理的研究
根据不同的研究角度 " 发动机噪声源有多种分类方 法 " 如从传播途径上分为直接向空气辐射噪声和表面辐 射噪 声 " 从 激 励 源 上 分 为 燃 烧 噪 声 $ 机 械噪 声 $ 空 气 动 力 噪声 % 后一种分类更为内燃机噪声研究者所广泛采用 % 三种内燃机噪声不仅其发声的原理不同 " 而且各有 各的传播途径 " 但又互相作用 $ 不可分割 % & !# 燃烧噪声 通常在内燃机工作时 " 气缸内压力急剧上升产生的 动载荷和冲击波引起高频振动 " 高频振动经气缸盖 $ 气缸 套 $ 活 塞 $ 连 杆 $ 曲 轴 及 主 轴 承 传 至 机 体 以及 通 过 气 缸 盖 等引起内燃机结构表面振动而辐射出来的这部分噪声被 称为燃烧噪声 % 柴油机的燃烧噪声在总噪声中占有很大 比例 "远比汽油机的高 % 气缸内气体压力的剧变是内燃机产生燃烧噪声的根 源 % 压力剧变使得气缸及其连接的所有部件受到强烈的 冲击性载荷 " 传到内燃机的整体 " 导致各部件的结构振 动 % 首先着火点处的局部压力急剧升高 "火焰向邻近区域 传播 " 在火焰传播的同时 " 也传播着具有冲击性质的压力 波 % 这种冲击波在燃烧室内来回反射 "形成气体的高频振 动 "辐射出高频噪声 % 对直喷式柴油机不同曲轴转角下燃烧室空腔进行声 模态的有限元计算和测试分析 " 发现缸内压力的高频振 荡是由燃烧室空腔共鸣引起的 " 使得在燃烧压力高频振 荡的共振频率处辐射的燃烧噪声能量较大 " 成为燃烧噪 声的主要成分 % 占燃烧压力总能量 %& 左右的缸内压力高 频振荡 " 激励的燃烧噪声能量占燃烧噪声总能量的 ’"&%