孟浩東，高矚，徐毅，陳勇將，張鳳嬌，羅福強(qiáng)

(1.常州工學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，江蘇常州213002;2.常柴股份有限公司，江蘇常州213002; 3.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

V型雙缸柴油機(jī)噪聲源識(shí)別試驗(yàn)研究

孟浩東1，3，高矚1，徐毅2，陳勇將1，張鳳嬌1，羅福強(qiáng)3

(1.常州工學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，江蘇常州213002;2.常柴股份有限公司，江蘇常州213002; 3.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

以某V型雙缸柴油機(jī)為研究對(duì)象，結(jié)合單缸熄火法與近場(chǎng)聲壓掃描法對(duì)該柴油機(jī)噪聲源進(jìn)行識(shí)別試驗(yàn)研究。首先，在不同工況下采用單缸熄火法分離出燃燒噪聲和機(jī)械噪聲，量化內(nèi)部激勵(lì)噪聲源對(duì)整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)度，識(shí)別在工況下燃燒噪聲和機(jī)械噪聲的輻射頻譜特性;然后，利用近場(chǎng)聲壓掃描快速定位工況下主要輻射表面的主要輻射部件，識(shí)別燃燒噪聲和機(jī)械噪聲的主要傳遞路徑;最后，根據(jù)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行隔聲降噪試驗(yàn)驗(yàn)證。該識(shí)別方法可為明確柴油機(jī)降噪方向與降噪具體目標(biāo)提供參考。

柴油機(jī);單缸熄火;聲壓掃描;噪聲源;降噪

0 引言

有效降低柴油機(jī)噪聲，首先必須對(duì)柴油機(jī)的主要噪聲源進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，了解其產(chǎn)生噪聲的機(jī)理，確定噪聲源部位，分析噪聲源的特性，然后才能為下一步有針對(duì)性地采取控制措施提供理論指導(dǎo)。

基于試驗(yàn)的柴油機(jī)表面輻射噪聲源識(shí)別方法主要有聲壓測(cè)量法、聲強(qiáng)測(cè)量法、表面振動(dòng)速度測(cè)量法、聲全息法、聲陣列技術(shù)等［1－4］。相較于其他方法，聲壓法最簡(jiǎn)單易行且無需復(fù)雜的專業(yè)設(shè)備，而且隨著傳聲器技術(shù)的日趨完善，聲學(xué)測(cè)試環(huán)境的日益改善，將不斷提高表面聲壓的測(cè)量精度，在噪聲源識(shí)別方法中，也將進(jìn)一步加強(qiáng)近場(chǎng)聲壓掃描法的作用。柴油機(jī)內(nèi)部激勵(lì)噪聲源包括燃燒噪聲和機(jī)械噪聲，基于試驗(yàn)的內(nèi)部激勵(lì)噪聲源識(shí)別方法主要有倒拖法、單缸熄火法、改變噴油提前角法、傳遞函數(shù)法等［5－8］。其中，單缸熄火法較倒拖法考慮了燃燒對(duì)機(jī)械噪聲的影響，結(jié)果更加準(zhǔn)確，且無須為柴油機(jī)額外提供動(dòng)力進(jìn)行倒拖，在工程實(shí)際中應(yīng)用較廣。柴油機(jī)噪聲源識(shí)別方法眾多，而且每一種識(shí)別方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，而對(duì)于柴油機(jī)不同特性的噪聲源，要全面系統(tǒng)地對(duì)其進(jìn)行識(shí)別研究，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，融合不同的識(shí)別方法進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，以提高對(duì)柴油機(jī)噪聲源識(shí)別的準(zhǔn)確性。

本文以單缸熄火法與近場(chǎng)聲壓掃描法相結(jié)合的識(shí)別方法，按照從內(nèi)到外的識(shí)別流程，進(jìn)行某V型雙缸柴油機(jī)內(nèi)部激勵(lì)噪聲源以及表面輻射噪聲源的識(shí)別試驗(yàn)，分析燃燒噪聲和機(jī)械噪聲對(duì)整機(jī)噪聲的能量貢獻(xiàn)及其輻射特性，并在識(shí)別燃燒噪聲和機(jī)械噪聲主要傳遞路徑基礎(chǔ)上，定位噪聲源的主要輻射部件，以期為整機(jī)降噪方法的建立提供理論依據(jù)。

1 柴油機(jī)噪聲源識(shí)別方法的基本理論

1.1 單缸熄火法簡(jiǎn)介

單缸熄火法是采用斷油熄火的方式先排除單缸的燃燒噪聲，再通過與整機(jī)噪聲相比較，得到單缸的燃燒噪聲，依此原理將各個(gè)缸的燃燒噪聲再合成，得到整機(jī)的燃燒噪聲，進(jìn)而再識(shí)別出機(jī)械噪聲。其中熄火缸所產(chǎn)生的燃燒噪聲通過熄火前后整機(jī)噪聲能量的消減求得，第1缸燃燒噪聲聲功率級(jí)的計(jì)算式為

式中:LW——整機(jī)聲功率級(jí);

L'W1——第1缸斷油熄火后整機(jī)聲功率級(jí);

LPi——第i個(gè)測(cè)點(diǎn)處A計(jì)權(quán)或1/3倍頻帶聲壓級(jí);

K——測(cè)量表面平均環(huán)境修正值;

ΔLW——5點(diǎn)法聲功率級(jí)修正值，為0.7～1.8 dB;

S1——測(cè)量表面面積(基準(zhǔn)值:S0=1 m2)。

1.2 近場(chǎng)聲壓掃描法簡(jiǎn)介

對(duì)于一個(gè)各向輻射同性的聲源，在聲傳播方向上的某一面，其有效聲壓與聲強(qiáng)以及聲功率有如下關(guān)系:

式中:prms——有效聲壓;

S——輻射面積;

R=ρc——介質(zhì)的聲阻抗;

I——聲強(qiáng);

W——聲功率。

綜上所述，單缸熄火法與近場(chǎng)聲壓掃描法相結(jié)合，克服了單缸熄火法無法識(shí)別噪聲源傳遞路徑導(dǎo)致降噪目標(biāo)盲目性的缺點(diǎn)，克服了近場(chǎng)聲壓法難以確定噪聲源輻射能量絕對(duì)大小的缺點(diǎn)。將兩種識(shí)別方法有機(jī)聯(lián)系起來，能簡(jiǎn)便又準(zhǔn)確識(shí)別柴油機(jī)主要噪聲源。

2 雙缸柴油機(jī)噪聲源識(shí)別試驗(yàn)分析

2.1 內(nèi)部激勵(lì)噪聲源識(shí)別試驗(yàn)分析

本文所用V型雙缸四沖程、自然吸氣渦流水冷柴油機(jī)，缸徑為80 mm，兩氣缸夾角為80°，具有電子調(diào)速(ECU控制)、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，標(biāo)定工況下轉(zhuǎn)速為3600 r/min，功率為14 kW。

整機(jī)聲功率試驗(yàn)在柴油機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室墻面裝有微穿孔板吸聲，頂面也設(shè)有吸聲材料，靜態(tài)背景噪聲聲壓級(jí)為55.4 dB(A)，實(shí)驗(yàn)室聲學(xué)環(huán)境滿足工程測(cè)試要求。為排除排氣噪聲對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，排氣管用石棉材料包裹并引至室外;房間通風(fēng)扇在噪聲測(cè)試時(shí)及時(shí)關(guān)閉。整機(jī)噪聲試驗(yàn)按照GB/T1859——2000《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)輻射的空氣噪聲測(cè)量》中的有關(guān)測(cè)試規(guī)定，采用5點(diǎn)法進(jìn)行整機(jī)聲功率測(cè)試，其中1測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)飛輪側(cè)，2測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)第1缸側(cè)，3測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)軸側(cè)，4測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)第2缸側(cè)，5測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)頂面?zhèn)?，如圖1所示。

圖1 整機(jī)噪聲試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位置

考慮到柴油機(jī)實(shí)際工作的機(jī)械效率，為保證單缸熄火時(shí)柴油機(jī)工況穩(wěn)定(轉(zhuǎn)速穩(wěn)定)，選擇轉(zhuǎn)速工況間隔為600 r/min，轉(zhuǎn)速為1 200～3 600 r/min，負(fù)荷工況間隔為25%，在每個(gè)轉(zhuǎn)速下相應(yīng)負(fù)荷為50%～100%。在上述工況條件下，基于單缸熄火法進(jìn)行V型雙缸柴油機(jī)的機(jī)械噪聲和燃燒噪聲的分離試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 燃燒噪聲和機(jī)械噪聲的分離結(jié)果

從圖中分析可知，在50%～100%不同負(fù)荷條件下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，V型雙缸柴油機(jī)整機(jī)噪聲聲功率級(jí)也相應(yīng)增加，但轉(zhuǎn)速升至2 400 r/min開始，在中高轉(zhuǎn)速各個(gè)負(fù)荷工況下，整機(jī)聲功率級(jí)增加相對(duì)平緩。分析在不同負(fù)荷條件下各個(gè)轉(zhuǎn)速下的燃燒噪聲和機(jī)械噪聲對(duì)整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)度可知，在負(fù)荷工況為50%時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速從1 200 r/min上升到3 000 r/min，間隔600 r/min，整機(jī)的主要噪聲源為燃燒噪聲，轉(zhuǎn)速1800 r/min時(shí)燃燒噪聲所占整機(jī)噪聲達(dá)到最大，為87%，其聲功率級(jí)值為101.57 dB(A)，而在相同負(fù)荷工況下，轉(zhuǎn)速為3 600 r/min時(shí)燃燒噪聲與機(jī)械噪聲各占整機(jī)噪聲一半左右;在負(fù)荷工況為75%和100%時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速從1 200 r/min增加至3 600 r/min，其相應(yīng)工況下整機(jī)噪聲中仍以燃燒噪聲為主，在100%負(fù)荷工況下，轉(zhuǎn)速為3 600 r/min時(shí)燃燒噪聲所占整機(jī)噪聲比重相對(duì)最小，為53%，但燃燒噪聲仍對(duì)整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)占主要地位。

選取V型雙缸柴油機(jī)，在轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，負(fù)荷為12 kW常用工況下，進(jìn)行燃燒噪聲和機(jī)械噪聲的輻射頻譜特性分析。在此工況下，柴油機(jī)主要噪聲源燃燒噪聲聲功率級(jí)為103.8 dB(A)，占整機(jī)噪聲的68%，同時(shí)根據(jù)兩缸熄火前(原機(jī)狀態(tài))、第1缸和第2缸熄火后所得整機(jī)噪聲聲功率級(jí)譜(如圖3(a)所示)，基于單缸熄火法分離燃燒噪聲和機(jī)械噪聲，通過對(duì)各中心頻率處聲功率級(jí)按照噪聲能量合成與消減的方法可以得到整機(jī)燃燒噪聲和機(jī)械噪聲的聲功率級(jí)譜;其中，將0～707 Hz劃分為第1個(gè)頻帶，在聲功率級(jí)譜圖上以頻率707 Hz表示，其余分析頻帶按照1/3倍頻程依次劃分，在聲功率級(jí)譜圖上分別以各頻帶中心頻率表示，具體分離結(jié)果如圖3(b)所示。

從圖中分析可知，在中心頻率2 500 Hz以下的頻帶范圍內(nèi)集中了整機(jī)內(nèi)部激勵(lì)源噪聲的主要能量，其中燃燒噪聲能量約占整機(jī)噪聲總能量的95%，機(jī)械噪聲約占94%;燃燒噪聲分別在以1 600 Hz(1 403～1 796 Hz)、2000 Hz(1796～2245 Hz)為中心的頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)噪聲峰值，其中最大值為97.8 dB(A)，說明降低燃燒噪聲的關(guān)鍵是降低此頻帶范圍內(nèi)的噪聲能量;機(jī)械噪聲則分別在0～707Hz、以800Hz(707～898 Hz)為中心的頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)噪聲峰值，其中最大值為98.5 dB(A)，同樣降低此頻帶范圍內(nèi)的噪聲能量是控制機(jī)械噪聲的關(guān)鍵。

圖3 整機(jī)噪聲的1/3倍頻程聲功率級(jí)譜

綜上分析可知，V型雙缸柴油機(jī)在常用轉(zhuǎn)速負(fù)荷工況下，整機(jī)噪聲中主要還是以中高頻的燃燒噪聲為主，說明雙缸柴油機(jī)整機(jī)降噪的重點(diǎn)是降低燃燒噪聲。

2.2 結(jié)構(gòu)表面噪聲源識(shí)別試驗(yàn)分析

柴油機(jī)表面輻射噪聲是由結(jié)構(gòu)部件受燃燒和機(jī)械沖擊力激振引起表面振動(dòng)而產(chǎn)生［9］，從燃燒噪聲和機(jī)械噪聲的傳遞路徑入手，要有效地降低V型雙缸柴油機(jī)的整機(jī)噪聲，首要工作是進(jìn)行柴油機(jī)表面輻射噪聲源識(shí)別，然后才能有針對(duì)性地采取噪聲控制措施。

在前述聲學(xué)環(huán)境下，在相同的常用工況條件下，為提高測(cè)試精度，持聲學(xué)傳感器盡可能靠近測(cè)量表面，分別對(duì)V型雙缸柴油機(jī)第1缸側(cè)面、飛輪側(cè)面等主要輻射表面進(jìn)行近場(chǎng)聲壓陣面的掃描測(cè)試。在距第1缸表面為8 cm的平面上布置5×8個(gè)測(cè)點(diǎn)，距飛輪8 cm的平面上布置6×8個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試網(wǎng)格邊長(zhǎng)為8 cm。將聲傳感器從下至上，從左至右逐點(diǎn)拾取各表面各測(cè)點(diǎn)噪聲信號(hào)。利用Matlab軟件繪制各個(gè)陣面的聲壓云圖，其中第1缸側(cè)面、飛輪側(cè)面的網(wǎng)格測(cè)點(diǎn)以及A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)分布云圖如圖4和圖5所示。在聲壓云圖中，不同的顏色變化表示不同的聲壓級(jí)值，紅色越深的區(qū)域，其聲壓級(jí)值越大。

圖4 第1缸側(cè)面輻射噪聲源分布

圖5 飛輪側(cè)面輻射噪聲源分布

由圖4分析可知，第1缸側(cè)面噪聲較大的部位主要出現(xiàn)在缸蓋與缸蓋罩位置，而機(jī)體下側(cè)裙部也有較明顯的噪聲輻射，其中第1缸缸蓋罩中間位置最大聲壓級(jí)達(dá)到106 dB(A)左右。缸蓋系統(tǒng)與氣缸體由于輻射面積相對(duì)較大，受柴油機(jī)燃燒激勵(lì)、氣門落座沖擊以及活塞敲擊的傳遞激勵(lì)，使其剛度相對(duì)薄弱區(qū)產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)輻射出較大噪聲;氣缸蓋罩屬于薄壁件，易受柴油機(jī)燃燒和機(jī)械寬頻帶激勵(lì)力和氣門沖擊噪聲的作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)傳遞和透射出較大噪聲。

由圖5分析可知，飛輪側(cè)輻射噪聲最大的部位出現(xiàn)在飛輪位置，其中飛輪中間部位噪聲級(jí)達(dá)到105 dB(A)左右。由于柴油機(jī)的燃燒激勵(lì)和機(jī)械激勵(lì)通過不同傳遞路徑傳至曲軸系統(tǒng)激發(fā)旋轉(zhuǎn)部件振動(dòng)響應(yīng)，最終通過氣缸體表面及飛輪向外輻射;另外，大平面的飛輪在柴油機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)帶來的空氣動(dòng)力噪聲也有一定影響，因此飛輪部位表面輻射噪聲最大。

從圖中進(jìn)一步分析可知，V型雙缸柴油表面輻射噪聲主要由飛輪、氣缸蓋、缸蓋罩、氣缸體側(cè)面等部位傳出，相應(yīng)的燃燒激勵(lì)源和機(jī)械激勵(lì)源主要通過缸蓋系統(tǒng)的傳遞路徑傳至缸蓋罩表面、通過從活塞至連桿再到曲軸的傳遞路徑傳遞至氣缸體表面以及飛輪、同時(shí)通過氣缸壁傳至氣缸體外表面而激勵(lì)相應(yīng)表面的振動(dòng)響應(yīng)而形成表面輻射噪聲。因此，根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果可知，表面輻射噪聲源的主要輻射部件包括缸蓋、缸蓋罩、飛輪以及機(jī)體裙部，其中缸蓋系統(tǒng)、飛輪近場(chǎng)聲壓級(jí)較大，是需要重點(diǎn)控制的對(duì)象。

3 雙缸柴油機(jī)降噪試驗(yàn)驗(yàn)證

在常用工作工況下，根據(jù)識(shí)別結(jié)果，從傳播途徑上采取相應(yīng)降噪措施，以增加結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒噪聲的衰減［10］。實(shí)踐證明，采取隔聲措施能有效控制結(jié)構(gòu)的中高頻輻射噪聲［11］。因此，為控制V型雙缸柴油機(jī)的燃燒噪聲，通過設(shè)計(jì)頂面隔聲罩來抑制其中高頻噪聲能量輻射。

隔聲罩的實(shí)際隔聲量不僅和隔聲材料的平均隔聲量有關(guān)，而且與隔聲罩內(nèi)襯吸聲材料的吸聲系數(shù)有關(guān)［12］。為了提高頂面隔聲罩的隔聲效果，采用具有較高結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)的復(fù)合阻尼鋼板作為隔聲罩材料，采用具有高吸聲系數(shù)的阻燃性吸音棉作為內(nèi)襯吸聲層。隔聲罩包括基層、吸聲層以及防止基層2次噪聲輻射的護(hù)面層。

在各轉(zhuǎn)速全負(fù)荷工況下，采用5點(diǎn)法進(jìn)行隔聲前、后的整機(jī)噪聲對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。從表中分析可知，采用頂面隔聲罩后，雙缸柴油機(jī)整機(jī)噪聲在各工況下都有顯著降低，尤其在1 800 r/min全負(fù)荷工況下，整機(jī)聲功率級(jí)下降了1.7 dB(A)，降噪效果最明顯。

表1 隔聲前、后的整機(jī)噪聲對(duì)比

在轉(zhuǎn)速為3000 r/min的工況下，對(duì)比隔聲前、后的整機(jī)1/3倍頻程聲功率級(jí)譜，如圖6所示。從圖中分析可知，加隔聲罩后的整機(jī)噪聲在各個(gè)頻帶范圍內(nèi)的聲功率級(jí)值都比原機(jī)有所降低，其中在0～898 Hz頻帶范圍內(nèi)，以機(jī)械噪聲為主的總能量下降了1 dB(A);在以1 600 Hz(1 403～1 796 Hz)及2 000 Hz(1 796～2 245 Hz)為中心頻率的頻帶范圍內(nèi)，以燃燒噪聲為主的總能量下降了1.4 dB(A)，試驗(yàn)結(jié)果說明采取隔聲措施對(duì)降低燃燒噪聲效果更明顯。

圖6 隔聲前后整機(jī)噪聲聲功率級(jí)譜的對(duì)比

4 結(jié)束語

1)在常用轉(zhuǎn)速，各個(gè)負(fù)荷條件下，燃燒噪聲是V型雙缸柴油機(jī)主要噪聲源;其中，在中、低轉(zhuǎn)速負(fù)荷條件下，燃燒噪聲所占比重較高;在常用工況下，燃燒噪聲能量集中在中高頻帶，機(jī)械噪聲能量集中在中低頻帶。

2)燃燒噪聲和機(jī)械噪聲主要通過缸蓋系統(tǒng)的傳遞路徑、通過活塞至連桿再到曲軸的傳遞路徑以及通過氣缸壁至氣缸體外表面共3條關(guān)鍵路徑傳遞至柴油機(jī)表面形成輻射噪聲源，其中缸蓋系統(tǒng)、飛輪是V型雙缸柴油機(jī)主要輻射表面的主要輻射噪聲源。

3)本文采取隔聲措施設(shè)計(jì)了具有高隔聲量的頂面隔聲罩，從傳播路徑方面對(duì)燃燒噪聲和機(jī)械噪聲都進(jìn)行了衰減從而降低了整機(jī)表面輻射噪聲，其中對(duì)中高頻的燃燒噪聲抑制效果更好。

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(編輯:莫婕)

Experimental study of noise source identification for V－cylinder diesel engine

MENG Haodong1，3，GAO Zhu1，XU Yi2，CHEN Yongjiang1，ZHANG Fengjiao1，LUO Fuqiang3
(1.School of Mechanical＆Vehicle Engineering，Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002，China; 2.Changchai Co.，Ltd.，Changzhou 213002，China; 3.School of Automobile and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

In this paper，an experimental study of noise source identification for the V－cylinder diesel engine by the method of single cylinder misfire combined with near field scan method was carried out.Firstly，single cylinder misfire method was adopted to separate combustion noise and mechanical noise in different running speeds and loads，the contribution of internal excitation noise source contributing to engine noise was quantified，and the radiation spectrum characteristics of combustion noise and mechanical noise were studied under working conditions.Secondly，main radiating components of main radiating surface were identified quickly by near field scan method under engine working conditions.The major transfer paths of combustion noise and mechanical noise were identified.Lastly，according to recognition results，the noise reduction experiment of sound insulation was carried out.This identification method can provide guidance for defining direction and specific goals of the diesel engine noise reduction.

diesel engine;single cylinder misfire;near field scan;noise source;noise reduction

A

1674－5124(2016)11－0135－05

10.11857/j.issn.1674－5124.2016.11.027

2016－03－05;

2016－04－10

江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目資助(15KJB 580001，15KJB460001)江蘇省博士后科研資助計(jì)劃資助項(xiàng)目(1601064C)常州市應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助(CJ20159011)

孟浩東(1979—)，男，江蘇無錫市人，講師，博士后，主要從事車輛NVH測(cè)試與控制研究。