熊飛，郝志勇，劉瑞駿，王連生，李一民，張煥宇

?

基于輻射噪聲響度的柴油機(jī)NVH性能優(yōu)化

熊飛，郝志勇，劉瑞駿，王連生，李一民，張煥宇

(浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，浙江 杭州，310027)

分析人耳對不同頻率純音的衰減特性，提出結(jié)合人耳的衰減特性和柴油機(jī)輻射噪聲的頻譜特性進(jìn)行響度優(yōu)化的方法。運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)法和邊界元法對柴油機(jī)進(jìn)行聲學(xué)分析，采用Moore響度模型對柴油機(jī)的輻射噪聲的響度進(jìn)行仿真分析。分析認(rèn)為柴油機(jī)1 300~2 000 Hz的輻射噪聲對柴油機(jī)響度貢獻(xiàn)最大，通過聲強(qiáng)法噪聲源識別試驗(yàn)得出柴油機(jī)輻射噪聲在該頻段的主要貢獻(xiàn)部件是油底殼、齒輪室罩、缸蓋罩以及機(jī)體。 對柴油機(jī)的齒輪室罩、缸蓋罩以及機(jī)體進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改進(jìn)后柴油機(jī)的聲功率級由76.4 dB下降至75.5 dB，降低0.9 dB；柴油機(jī)輻射噪聲響度由161.5 sone下降到144.7 sone，降低10.4%，柴油機(jī)的 NVH性能明顯改善。

柴油機(jī)；輻射噪聲響度；多體動(dòng)力學(xué)法；邊界元法；NVH性能

隨著社會(huì)的發(fā)展，汽車已經(jīng)成為代步工具之一。消費(fèi)者在購買汽車時(shí)，汽車的NVH(noise，vibration，harshness)性能也愈發(fā)關(guān)鍵[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲直接關(guān)系到汽車NVH性能，近些年來有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲控制的文獻(xiàn)不計(jì)其數(shù)，但幾乎都是以降低A計(jì)權(quán)聲功率級為研究內(nèi)容，發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)的研究則十分罕見。張磊等[2]應(yīng)用有限元及多體動(dòng)力學(xué)軟件對發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲進(jìn)行研究，通過改進(jìn)薄壁件結(jié)構(gòu)使整體的A計(jì)權(quán)噪聲下降 1 dB。李民等[3]采用拓?fù)鋬?yōu)化與形狀優(yōu)化方法對齒輪室罩進(jìn)行再設(shè)計(jì)，輻射噪聲的A計(jì)權(quán)聲功率級在 1 400~ 1 800 Hz內(nèi)有不同程度的下降。賈維新等[4]采用形貌優(yōu)化對油底殼進(jìn)行再設(shè)計(jì)，輻射噪聲的A計(jì)權(quán)總聲功率級降低3 dB。上述文獻(xiàn)均是以降低A計(jì)權(quán)聲功率為目的，A計(jì)權(quán)聲級是用40 phon的等響曲線來修正實(shí)際聲壓，僅代表人耳對低聲壓的感受，并不能反映主觀對實(shí)際聲音的真實(shí)感受[5]。由于人主觀因素的介入，用A計(jì)權(quán)測量的聲壓級小的聲音，但感覺上是聲音非常響；甚至A計(jì)權(quán)測量的聲壓級大的聲音，感覺上比聲壓級小的響度小[6?7]。因此，傳統(tǒng)的A計(jì)權(quán)聲級局限性日益突出，從聲品質(zhì)角度對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行NVH性能優(yōu)化也應(yīng)運(yùn)而生。本文作者對柴油機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析和聲學(xué)分析，再運(yùn)用Moore響度模型進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的響度仿真，Moore模型的響度分析結(jié)果是眾多響度模型中最準(zhǔn)確的[8]。結(jié)合人耳的衰減特性及柴油機(jī)輻射噪聲的頻譜特性對整機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低柴油機(jī)輻射噪聲的響度和改善其對人的舒適性。

1 響度理論

為響度，單位為sone，定義1 000 Hz，40 dB純音的響度為1 sone。響度是描述人耳對聲音感覺強(qiáng)度的心理學(xué)量，是聲品質(zhì)的重要特征。

聲源產(chǎn)生的聲音激勵(lì)0首先傳至外耳，然后經(jīng)過耳廓、外耳道、鼓膜、中耳腔及聽耳鏈衰減至激勵(lì)，該激勵(lì)刺激內(nèi)耳的耳蝸從而使聲音傳入大腦[9]。耳廓、外耳道、鼓膜、中耳腔及聽耳鏈的綜合衰減特性與聲音的頻率成分有關(guān)[8]，如圖1所示。人耳對750 Hz以下的純音激勵(lì)產(chǎn)生衰減作用，對頻率在750~3 150 Hz的純音激勵(lì)則會(huì)產(chǎn)生增益作用，增益作用的趨勢是隨頻率的增加而增強(qiáng)。

圖1 人耳衰減特性

Moore響度模型用等效矩形頻帶(equivalent rectangular bandwidth，ERB)代替臨界頻帶，考慮耳蝸對聲音的靈敏度，將可聽域劃分為約40個(gè)特征頻 帶[10]。等效矩形頻帶率與中心頻率之間的關(guān)系為

特征響度定義為單位等效矩形頻帶內(nèi)噪聲的響度，反映了響度的頻域分布特性，用符號′表示，單位是sone/ERB。在計(jì)算域內(nèi)對特征響度進(jìn)行積分則可獲得響度。

在關(guān)注頻段內(nèi)，若信號的耳蝸激勵(lì)小于人耳閾值對應(yīng)激勵(lì)TH，則特征響度′計(jì)算方法[11]為

若信號的耳蝸激勵(lì)大于激勵(lì)TH，但小于1010，則特征響度計(jì)算方法為

若信號的激勵(lì)耳蝸大于1010，則特征響度′計(jì)算方法為

閾值激勵(lì)TH并不是定值，其幅值是隨頻率變化，TH如表1所示[12]。 式(2)~(4)中：=0.046 87，為常數(shù)；為耳蝸放大器在特定頻率下的低能級增益，與TH的乘積是定值，故也隨著頻率變化。則是與相關(guān)的修正量，兩者的關(guān)系如圖2所示。

表1 單耳聽覺的閾值激勵(lì)

圖2 α-G 關(guān)系

響度是受聲源激勵(lì)與人耳綜合作用的，故降低響度必然要結(jié)合這2個(gè)方面。柴油機(jī)的輻射噪聲的關(guān)注頻率500~3 000 Hz，根據(jù)人耳衰減特性可知：降低柴油機(jī)750~3 000 Hz的輻射噪聲激勵(lì)E可以更有效地降低耳蝸激勵(lì)。式(2)~(4)中的特征響度′與耳蝸激勵(lì)為正相關(guān)關(guān)系，降低耳蝸激勵(lì)必然會(huì)使響度降低。因此，降低柴油機(jī)750~3 000 Hz的輻射噪聲激勵(lì)能有效的降低整機(jī)響度。

2 研究模型及模型驗(yàn)證

2.1 研究模型

本文研究對象為某水冷直列四沖程直噴柴油機(jī)，柴油機(jī)的標(biāo)定工況為55 kW/3 000 r/min，壓縮比為18。根據(jù)已有柴油機(jī)數(shù)模上進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立整機(jī)有限元模型，如圖3所示。柴油機(jī)有限元模型包括二階四面體單元、一階六面體單元以及二階的面單元，共計(jì)435 355個(gè)單元，766 688個(gè)節(jié)點(diǎn)。整機(jī)模型中主要包括以下部件：機(jī)體、缸蓋、缸蓋罩、齒輪室、齒輪室罩、飛輪殼、油底殼以及支架等。

圖3 整機(jī)有限元模型

2.2 模型驗(yàn)證

為確保后續(xù)仿真計(jì)算的可靠性，柴油機(jī)有限元模型準(zhǔn)確性得到驗(yàn)證后才能真實(shí)地反映柴油機(jī)的實(shí)際工作狀況。模態(tài)可以反映結(jié)構(gòu)本身傳遞函數(shù)特點(diǎn)，傳遞函數(shù)則是固有屬性。進(jìn)行NVH性能優(yōu)化時(shí)，通過比較實(shí)驗(yàn)和有限元計(jì)算的模態(tài)頻率，進(jìn)行模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證。對比結(jié)果相差較大，則可以依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對有限元模型進(jìn)行修正，最終建立準(zhǔn)確的有限元模型。

柴油機(jī)有限元模型模態(tài)計(jì)算量大，并且整機(jī)模態(tài)試驗(yàn)比較困難，此處對主要部件模態(tài)驗(yàn)證，包括：機(jī)體、缸蓋、缸蓋罩、齒輪室罩(正時(shí)罩)、油底殼、曲軸系，間接對柴油機(jī)模型進(jìn)行驗(yàn)證，有限元模型之間的連接的正確性則在下文中進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)數(shù)據(jù)采用多點(diǎn)激勵(lì)單點(diǎn)響應(yīng)的方法獲得，通過彈性細(xì)繩懸吊來模擬部件的自由邊界條件。將各部件的有限元模型賦予部件實(shí)際材料參數(shù)，如表2所示，通過有限元分析軟件計(jì)算以獲得其計(jì)算模態(tài)數(shù)據(jù)。柴油機(jī)各部件的前5階實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)與前5階計(jì)算模態(tài)對比如表3所示。

表2 各部件材料參數(shù)

經(jīng)對比，各部件計(jì)算自由模態(tài)與實(shí)驗(yàn)自由模態(tài)的最大誤差均在10% 左右，大部分階次的相對誤差在5%以內(nèi)，符合工程計(jì)算精度要求，則該有限元模型可以模擬實(shí)際柴油機(jī)各部件的物理特性。

3 整機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真分析

3.1 動(dòng)力學(xué)計(jì)算

整機(jī)動(dòng)力學(xué)計(jì)算的目的是模擬柴油機(jī)實(shí)際工作情況，獲取柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)[13]。柴油機(jī)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)采用彈性支承，由于無法獲得彈性支承的參數(shù)，動(dòng)力學(xué)模型中通過4個(gè)剛性支架來模擬柴油機(jī)的安裝方式，這樣會(huì)在低頻段產(chǎn)生一定的誤差。但柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)輻射噪聲重點(diǎn)關(guān)注頻段是500~3 000 Hz，后期經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，并且與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比，結(jié)果說明動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)基本一致。

選取標(biāo)定工況(55 kW/3 000 r/min)分析柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，該工況下柴油機(jī)具有最大的輸出功率。整機(jī)動(dòng)力學(xué)計(jì)算需要輸入某些參數(shù)：柴油機(jī)基本參數(shù)，如缸徑、行程、轉(zhuǎn)速、燃?xì)鈮毫η€；連桿和活塞質(zhì)量數(shù)據(jù)，曲軸系數(shù)據(jù)；柴油機(jī)有限元網(wǎng)格及縮減；其他邊界條件如活塞側(cè)向力、凸輪軸承力、氣門落座力以及搖臂座力。

燃?xì)鈮毫η€需通過實(shí)驗(yàn)獲取，在燃燒室上方開適當(dāng)?shù)男】撞⒉贾脡毫鞲衅鬟M(jìn)行數(shù)據(jù)采集?；钊麄?cè)向力包括活塞二階運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的敲擊力與活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起的準(zhǔn)靜態(tài)力，可以通過AVL piston ring模塊仿真計(jì)算得到。凸輪軸承力、氣門落座力以及搖臂座力則通過AVL time driver模塊仿真計(jì)算得到。其他輸入?yún)?shù)則是通過有三維數(shù)模中獲取，最后將上述數(shù)據(jù)輸入到整機(jī)EXCITE動(dòng)力學(xué)模型仿真分析，可以獲得柴油機(jī)表面振動(dòng)加速度。

3.2 動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證整機(jī)動(dòng)力學(xué)計(jì)算的準(zhǔn)確性，進(jìn)行柴油機(jī)臺架試驗(yàn)并測量標(biāo)定工況下機(jī)體表面的振動(dòng)響應(yīng)。試驗(yàn)過程中，柴油機(jī)工作在標(biāo)準(zhǔn)工況，并選取柴油機(jī)機(jī)體上一點(diǎn)和柴油機(jī)油底殼上一點(diǎn)做振動(dòng)響應(yīng)測點(diǎn)，并且需要保證測點(diǎn)有足夠大的振動(dòng)響應(yīng)，不能為結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)。采用振動(dòng)加速度級來評價(jià)機(jī)體表面的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，即：

式中：L為加速度級；為機(jī)體表面的振動(dòng)加速度；0為參考加速度，μm/s2。

圖4所示為機(jī)體上和油底殼上的測點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)仿真與臺架試驗(yàn)的振動(dòng)加速度級的對比結(jié)果。機(jī)體測點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)仿真與臺架試驗(yàn)的振動(dòng)加速度級曲線在幅值和趨勢上是基本一致的。油底殼測點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)仿真和臺架試驗(yàn)的振動(dòng)加速度級曲線在趨勢上是一致的，但在幅值上動(dòng)力學(xué)仿真值比試驗(yàn)值上下波動(dòng)稍大。動(dòng)力學(xué)仿真中沒有考慮油底殼中的機(jī)油，而機(jī)油有一定的阻尼作用，因此動(dòng)力學(xué)仿真幅值波動(dòng)稍大，但對整機(jī)的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果影響不大。綜上，通過臺架試驗(yàn)很好地驗(yàn)證機(jī)體的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果，從而驗(yàn)證仿真模型及計(jì)算結(jié)果用于后續(xù)聲學(xué)仿真的準(zhǔn)確性，同時(shí)也驗(yàn)證有限元模型之間連接的正確性。