柴油機表面輻射噪聲源識別與降噪研究*

劉 帥，王 忠，王 林，查 紅，趙 洋

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮江 212013； 2.南京依維柯汽車有限公司發動機分公司，南京 210012)

2016174

柴油機表面輻射噪聲源識別與降噪研究*

劉 帥1，王 忠1，王 林2，查 紅2，趙 洋1

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮江 212013； 2.南京依維柯汽車有限公司發動機分公司，南京 210012)

表面輻射噪聲是除空氣動力性噪聲外柴油機的主要噪聲源。采用近場聲壓法和表面振速法進行試驗，以識別柴油機的主要輻射噪聲源，探討了不同工況下，各輻射噪聲源對總噪聲的貢獻率。研究了兩種不同組合吸聲材料對柴油機輻射噪聲的影響規律，探討了正時齒形帶罩蓋和機體的結構改進的降噪效果。結果表明，噴油泵、油底殼和正時齒形帶罩蓋為柴油機的主要輻射噪聲源，對整機噪聲的貢獻率達70%左右；隨著柴油機轉速的降低，材料的吸聲性能下降，海綿在里層時對輻射噪聲的控制效果較好，吸聲材料主要吸收31.5～100Hz的低頻段噪聲的聲能量；正時齒形帶罩蓋和機體結構改進，降低了中、高頻率段的噪聲聲壓級和近場噪聲；綜合運用降噪措施，可使柴油機整機輻射噪聲，在標定工況、最大轉矩工況和怠速工況下分別降低1.2，1.4和1.3dB(A)。

柴油機；輻射噪聲；噪聲源識別；降噪效果

前言

柴油機噪聲激勵主要來自空氣動力學效應、燃燒壓力震蕩和零部件振動與沖擊產生的機械噪聲等。燃燒噪聲和機械噪聲主要以結構振動的形式向外傳遞，激發起空氣質點的振動而形成聲波向外輻射。表面輻射噪聲是除空氣動力性噪聲外柴油機的主要噪聲源[1-3]。

國內外學者已經圍繞柴油機表面輻射噪聲源識別與降噪問題，開展了相關研究。文獻[4]中采用近場聲強法識別了柴油機的主要噪聲源，結果表明，當柴油機在2 100r/min全負荷運轉時，油底殼輻射噪聲聲強級達到108.8dB(A)，對整機噪聲貢獻率為47%，是柴油機最主要的噪聲源，柴油機前端面對整機噪聲貢獻率為20%，是柴油機另一個主要噪聲源。文獻[5]中采用小波變換的方法分析了直噴柴油機工作過程中的輻射噪聲，結果表明，機械振動和缸內壓力影響噪聲產生，機械振動對噪聲的貢獻率隨轉速的提高而增大，減少噴油量可以減小機械振動對噪聲的貢獻率。文獻[6]中采用有限元與聲學邊界元仿真相結合的方法，對柴油機油底殼進行了低噪聲改進設計，結果表明，油底殼改進后，最大聲壓增加，輻射面積大幅減小，在3 000Hz以內，油底殼的總輻射噪聲聲功率級從改進前的101.0降低到改進后的97.8dB(A)。文獻[7]中對附加自由阻尼和復合阻尼的柴油機薄壁件進行了聲輻射效率的試驗研究，結果表明，自由阻尼材料不能很好地起到阻尼減振作用，在中低速運轉時，復合阻尼減振鋼板對降低柴油機薄壁件表面噪聲輻射影響大。

本文中采用近場聲壓法和表面振速法進行試驗，識別了柴油機的主要噪聲源，分析了不同零部件的噪聲貢獻率。探討了不同吸聲材料對柴油機噪聲的降低效果，對正時齒形帶罩蓋和機體進行了結構改進，分析了改進前后噪聲的變化規律。

1 噪聲源識別

1.1 識別設備

用于噪聲源識別的是一臺直列四缸增壓中冷柴油機，其主要技術參數見表1。試驗采用丹麥B&K公司生產的聲學采集處理系統，如圖1所示。

試驗在半消聲噪聲實驗室進行。柴油機安裝在彈性地基上，通過彈性聯軸器與電力測功器相連，排氣管包裹吸聲材料，拆除柴油機冷卻風扇，試驗現場如圖2所示。

表1 柴油機主要技術參數

圖1 聲學測量儀器

圖2 柴油機試驗臺架

1.2 識別方案

根據柴油機的運行狀態，結合文獻[8]～文獻[12]中的研究，確定了14個零部件作為研究對象，柴油機在標定工況、最大轉矩工況和怠速工況運行，測量了各零部件的近場噪聲聲壓級，根據能量疊加法則得到對整機噪聲的貢獻率。傳聲器探頭離被測物表面的距離為50mm。

14個近場測點位置為：1-氣缸罩左端，2-氣缸罩中端，3-氣缸罩蓋右端，4-氣缸罩側端，5-燃油泵，6-附件箱，7-油底殼側面，8-正時齒形帶罩蓋上端，9-正時齒形帶罩蓋中端，10-正時齒形帶罩蓋下端，11-機體，12-增壓器，13-起動電機，14-空氣濾清器外壁。

在柴油機氣缸罩蓋、正時齒形帶罩蓋、油底殼和機體表面布置振動測點[13]，如圖3所示。振動測試分析系統主要包括加速度傳感器、電荷放大器、采集儀和頻譜分析軟件，表面振動測量采用壓電晶體加速度計。柴油機在標定工況、最大轉矩工況和怠速工況運行時，采集各測點表面振動速率，結合近場聲壓識別出柴油機主要輻射噪聲源。

圖3 表面振動測點

1.3 主要噪聲源確定

圖4為柴油機在不同工況運行時，各個測點的噪聲聲壓級測量值。由圖可見，柴油機在標定工況運行時，燃油泵、附件箱、油底殼、正時齒形帶罩蓋下端和起動電機的噪聲聲壓級高于其他測點，其中，燃油泵的噪聲聲壓級最大，達到109.9dB(A)，噪聲最低的為空氣濾清器外壁；最大轉矩工況下，燃油泵和正時齒形帶罩蓋下端噪聲值最大，達到101.7dB(A)；柴油機在怠速工況運行時，氣缸罩側端、燃油泵、正時齒形帶罩蓋中端與下端和柴油機機體的噪聲聲壓級高于其他測點，附件箱、油底殼、正時齒形帶罩蓋上端和增壓器為次要噪聲源。

圖4 不同工況近場測點噪聲聲壓級

圖5 不同部件近場振動速度

圖5為柴油機在不同工況運行時，不同部件的近場振動速度。由圖可見，隨著柴油機轉速的降低，各部件表面振動速度下降，降幅達13～16mm/s；各部件中，氣缸罩蓋的振動速度最大，在標定工況，達到35.8mm/s，油底殼振動速度最小；比較各部件在不同工況的差值可以看出，隨著柴油機轉速的提高，氣缸罩蓋和機體表面振動速度的差值最大，達到8mm/s左右，原因主要是隨著柴油機轉速的提高，最大爆發壓力升高，燃燒壓力波對氣缸罩和機體的敲擊壓力增大，表面的振動速度加大。

綜合比較近場聲壓法和表面振速法的識別結果可見，燃油泵、氣缸罩蓋、正時齒形帶罩蓋、機體和油底殼為柴油機的主要噪聲源，結合客觀條件，本文中將圍繞氣缸罩蓋、正時齒形帶罩蓋和機體的噪聲控制展開研究。

1.4 噪聲貢獻率

聲壓級作為對數單位，須按能量相加原則進行疊加。假設存在噪聲源A和B，A點聲壓級大于B點聲壓級，A點和B點的噪聲值相互疊加后得到的合成聲壓級應為

(1)

式中：Lp∑為疊加后總聲壓級；LpA為A點噪聲聲壓級；pA和pB為A點和B點的聲壓值；p0為聽閾聲壓。

將式(1)變形可以得到

Lp∑=LpA+10lg[1+10-(LpA-LpB)/10]

(2)

由式(2)可見，聲壓級不同的兩個噪聲源，合成后的噪聲聲壓級應是較大的噪聲源聲壓級加一個增加值，增加值是兩個噪聲源噪聲分貝值差數的函數。根據式(1)和式(2)，結合近場聲壓的測量結果，分析了標定工況、最大轉矩工況和怠速工況時，各零部件對柴油機的噪聲貢獻率。

圖6 各零部件對柴油機噪聲貢獻率

圖6為柴油機按不同工況運行時，主要零部件噪聲對整機噪聲的貢獻率。由圖可見，柴油機在標定工況運行時，噪聲聲壓級最大的燃油泵對整機噪聲聲壓級的貢獻率達到36%，附件箱產生的噪聲占整機噪聲的貢獻率達到22%；柴油機在最大轉矩工況下運行時，油底殼輻射噪聲和曲軸旋轉產生的噪聲對整機噪聲的貢獻率皆為30%；柴油機在怠速工況運行時，曲軸旋轉產生的噪聲對整機噪聲的貢獻率達36%，機體輻射噪聲的貢獻率為21%。

2 降噪措施研究

2.1 覆蓋吸聲材料

試驗選用兩種不同組合方式的復合吸聲材料，第一種組合方式外層和中間層為阻尼橡膠，里層為吸聲海綿，第二種組合方式外層和里層為阻尼橡膠，中間層為吸聲海綿，如圖7所示。

圖7 不同組合方式的吸聲材料

將復合材料壓制成形，安裝在柴油機氣缸罩蓋上端。柴油機從標定工況開始按照外特性運行。近場測點為柴油機氣缸罩蓋上端左側測點。

圖8為柴油機按照外特性運行時，氣缸罩蓋覆蓋不同復合吸聲材料后，罩蓋上端和側端4個測點噪聲聲壓級比較圖。由圖可見，覆蓋復合吸聲材料可使氣缸罩蓋輻射噪聲聲壓級降低2～4dB(A)；使用里層為吸聲綿的材料對氣缸罩蓋輻射噪聲的抑制效果更好，噪聲可多降低0.5dB(A)；柴油機在標定轉速運行時，復合材料的吸聲效果最明顯，但隨著柴油機轉速的降低，復合吸聲材料的吸聲效果下降。

圖8 不同工況材料的吸聲效果

圖9為柴油機在標定工況運行時，氣缸罩蓋上端覆蓋不同吸聲材料測點1的1/3倍頻程圖。由圖可見，柴油機在標定工況運行時，在各個頻率段，使用復合材料都可以降低噪聲聲壓級；在31.5～100Hz的低頻率段復合材料的吸聲效果更明顯，噪聲聲壓級最大降低了19dB(A)左右；兩種復合材料在各個頻率段的吸聲效果基本一致，主要由于兩種復合材料的性質沒有變化，只是組合方式發生了變化；第一種材料在各個頻率段的降噪效果略好于第二種材料，在頻率為500～1 000Hz的中頻率段第一種組合方式的復合材料降噪效果明顯比第二種組合方式好，最大達到6dB(A)左右。

圖9 氣缸罩蓋覆蓋吸聲材料頻譜圖

2.2 正時齒形帶罩蓋結構改進

正時齒形帶罩蓋面積大，厚度薄，在柴油機工作時，它劇烈振動并向外輻射噪聲，是柴油機的主要噪聲源[14]。安裝改進后的正時齒形帶罩蓋，柴油機在標定工況、最大轉矩工況和怠速工況運行，測量罩蓋近場的噪聲聲壓級，比較結構改進對柴油機噪聲的影響。

對正時齒形帶罩蓋進行結構改進，主要是在罩蓋內表面加網狀加強筋，增加罩蓋厚度，提高罩蓋強度和剛度以減小表面振動。

圖10為柴油機安裝不同正時齒形帶罩蓋，在標定工況、最大轉矩工況和怠速工況下近場測點的噪聲聲壓級。由圖可見，柴油機在不同工況時，安裝改進的正時齒形帶罩蓋近場聲壓級降低1dB(A)左右，說明結構的修改提高了正時齒形帶罩蓋表面的剛度和強度，使罩蓋表面的振動幅度減小，降低了表面輻射噪聲。

圖10 正時齒形帶罩蓋結構改進對近場噪聲的影響

圖11為柴油機安裝不同的正時齒形帶罩蓋，標定工況運行時，近場噪聲的1/3倍頻程頻譜圖。由圖可見，柴油機在標定工況運行時，各個頻率段輻射噪聲基本一致；在中、高頻率段改進型罩蓋的聲壓級低于原罩蓋的輻射噪聲，頻率越高對總聲壓級的貢獻率越大，改進的罩蓋主要降低了高頻率段噪聲。

圖11 罩蓋改進對噪聲頻譜的影響

2.3 機體結構改進

對原機體結構進行了兩處修改，一是將機體排氣側中部的加強筋布置方向由斜向改為垂直方向，并增加了加強筋的厚度，二是封閉機體后端主軸承孔上方圓孔。

圖12為柴油機分別按照標定工況、最大轉矩工況和怠速工況運行時，機體改進前后近場測點噪聲聲壓級的比較。由圖可見，柴油機在標定工況運行時，結構改進機體近場測點的噪聲聲壓級降低了2.3dB(A)，在最大轉矩工況下，機體結構的改進可以降低2dB(A)的輻射噪聲，柴油機在怠速工況運行時，改進結構的機體噪聲僅降低0.9dB(A)。可見，隨著轉速的降低，改進結構對柴油機機體近場噪聲的影響減弱。

圖12 近場測點聲壓級比較

圖13為柴油機分別按照標定工況和怠速工況運行，機體結構改進前后近場測點噪聲1/3倍頻程頻譜圖。由圖可見，中、高頻率段的噪聲占主要部分，通過機體的結構改進降低了中、高頻率段的噪聲聲壓級；柴油機按照怠速工況運行時，在各個頻率段，機體改進的降噪效果不明顯，與近場噪聲測量結果一致。

圖13 不同工況機體近場的噪聲頻譜

2.4 綜合措施對整機噪聲的影響

圖14 改進前后整機噪聲聲功率級比較

使用復合吸聲材料覆蓋柴油機氣缸罩蓋，對正時齒形帶罩蓋和機體進行結構改進，測量了柴油機整機噪聲聲功率級，與改進前柴油機進行了比較，如圖14所示。由圖可見，柴油機實施綜合降噪措施后，在各個工況，整機噪聲聲功率級有明顯下降，在標定工況降低了1.2dB(A)，最大轉矩工況和怠速工況分別降低了1.4和1.3dB(A)，噪聲降低的最大值出現在2 000r/min，達到1.5dB(A)，整機噪聲降低明顯，達到了降低柴油機整機噪聲的目的。

3 結論

(1)本文中研究的柴油機，在標定工況運行時，燃油泵、附件箱和油底殼為主要噪聲源，燃油泵的輻射噪聲占整機噪聲的貢獻率達到36%；最大轉矩工況時，燃油泵和附件箱的聲能分別占整機聲能的30%；怠速工況時，主要噪聲源為正時齒形帶罩蓋和氣缸罩蓋。

(2)使用復合吸聲材料能夠有效控制柴油機表面輻射噪聲；里層吸聲海綿對噪聲的控制效果好；吸聲材料主要吸收了31.5～100Hz的低頻率段噪聲的聲能量，在中、高頻率段，里層為吸聲海綿的效果較好。

(3)正時齒形帶罩蓋結構的改進降低了中、高頻率段的噪聲，該柴油機的輻射噪聲下降了0.3dB(A)；隨著轉速的降低，改進結構的機體抑制了中、高頻率段的噪聲，近場噪聲下降。

(4)柴油機氣缸罩蓋覆蓋吸聲材料，并改進正時齒形帶罩蓋和機體，可以明顯降低所研究柴油機的整機噪聲，降幅達1～1.5dB(A)。

[1] 梁興雨，舒歌群，等. 柴油機噪聲源的識別及降噪研究[J]. 兵工學報，2006，27(4)：587-591.

[2] 褚志剛，蔡鵬飛，蔣忠翰，等. 基于聲陣列技術的柴油機噪聲源識別[J]. 農業工程學報，2014，30(2)：23-30.

[3] 葛蘊珊，李慧明，黃三元，等. 柴油機中薄板部件的輻射噪聲控制[J]. 內燃機工程，2004，25(1)：71-75.

[4] BRANDL F K, AFFENZELLER J,et al. Some strategies to meet future noise regulations for truck engines[C]. SAE Paper 870950.

[5] DESANTES J M, TORREGROSA A J, BROATCH A. Wavelet transform applied to combustion noise analysis in high-speed di diesel engines[C]. SAE Paper 2001-01-1545.

[6] 王玉興，郝志勇，陳馨蕊，等. 虛擬預測-形貌優化方法在油底殼低噪聲設計中的應用研究[J]. 內燃機工程，2010，31(3)：80-84.

[7] 舒歌群，馬維忍，梁興雨，等. 柴油機薄壁件表面輻射噪聲的研究[J]. 內燃機工程，2009，30(2)：25-28，33.

[8] 岳東鵬，郝志勇，劉月輝，等. 柴油機表面輻射噪聲源識別的研究[J]. 汽車工程，2004,26(5)：613-615,618.

[9] 岳東鵬，郝志勇，等. 柴油機表面噪聲源識別的試驗研究[J]. 機械工程學報, 2004,40(6):192-195.

[10] 楊陳，郝志勇，等. 柴油機機體輻射噪聲預測及低噪聲改進設計[J]. 江蘇大學學報，2008,29(4)：301-303,321.

[11] 郝志勇，韓軍，等. 車用發動機主要噪聲源的聲強測試方法研究[J].內燃機工程， 2004,25(2):15-17,22.

[12] 郝志勇，劉月輝，畢鳳榮，等. 乘用車柴油機噪聲源識別方法的試驗研究[J]. 內燃機學報，2004,22(2)：150-154.

[13] 袁兆成，方華，等. 降低車用柴油機振動噪聲的設計方法[J]. 農業機械學報，2004,35(6)：26-29.

[14] 汪樹玉，劉國華，包志仁，等. 結構優化設計的現狀與進展[J]. 基建優化，1999，20(4)：3-12.

A Study on Surface Radiation Noise Source Identification and Noise Reduction for Diesel Engine

Liu Shuai1, Wang Zhong1, Wang Lin2, Zha Hong2& Zhao Yang1

1.SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013;2.EnginePlantofNavecoCorporation,Nanjing210012

Surface radiation noise is the main noise source of diesel engine, besides aerodynamic noise. In this paper, tests are conducted with near-field sound pressure method and surface vibration velocity method, to identify the main radiation noise sources of diesel engine. The contribution rates of each noise source to overall noise in the different conditions are investigated. The influences of two different combinations of sound-absorbing materials on the radiation noise of diesel engine are studied and the noise reduction effects of the structural modification of toothed timing belt cover and cylinder block are explored. The results show that the fuel injection pump, oil pan and toothed timing belt cover are the main radiation noise sources of diesel engine, with the sum of contribution rates of their noises to the overall noise of engine reaching about 70%. With the lowering of engine speed, the sound absorbing performance of materials declines, the material with sponge in its inner layer has better control effects of radiation noise, and the sound absorbing material mainly absorbs the sound energy of noises at a low-frequency band of 31.5～100Hz. The structural modification of toothed timing belt cover and cylinder block lower the sound pressure level of noises at medium and high frequency bands and near-field noises. Concurrently adopting various noise reduction measures can lower the total radiation noise of diesel engine by 1.2, 1.4 and 1.3dB(A) in rated condition, maximum torque condition and idling condition respectively.

diesel engine; radiation noise; noise source identification; noise reduction effects

*國家自然科學基金(51376083)、江蘇省高校自然科學基金(10KJA470009和13KJA470001)、江蘇省2013年度普通高校研究生科研創新計劃項目(CXZZ13-0672)、江蘇省2014年度普通高校研究生科研創新計劃項目(KYLX-10635)和2011年江蘇高校優勢學科建設工程項目(PAPD)資助。

原稿收到日期為2015年3月18日，修改稿收到日期為2015年9月1日。