商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙隔音墊的降噪效果研究

武智方，夏均忠，劉曉凱，桓洪強(qiáng)，汪治安

(1．軍事交通學(xué)院 軍用車(chē)輛系，天津 300161； 2．陜西重型汽車(chē)有限公司汽車(chē)工程研究院，西安 710200； 3．69083部隊(duì)，烏魯木齊 830002)

● 車(chē)輛工程 Vehicle Engineering

商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙隔音墊的降噪效果研究

武智方1，2，夏均忠1，劉曉凱2，桓洪強(qiáng)3，汪治安1

(1．軍事交通學(xué)院 軍用車(chē)輛系，天津 300161； 2．陜西重型汽車(chē)有限公司汽車(chē)工程研究院，西安 710200； 3．69083部隊(duì)，烏魯木齊 830002)

為降低商用車(chē)駕駛?cè)硕栽肼暎O(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙隔音墊，并通過(guò)試驗(yàn)研究其降噪性能。首先，對(duì)吸聲材料進(jìn)行選型，將所選吸聲性能較好的材料與不同的隔聲材料匹配制作成隔音墊，用能量法測(cè)試其隔音性能；然后，將吸隔聲性能較好的樣件(隔音墊)裝配到駕駛室底部(發(fā)動(dòng)機(jī)艙上方)；最后，進(jìn)行駕駛?cè)硕栽肼暅y(cè)試，對(duì)比驗(yàn)證其降噪效果。試驗(yàn)表明，車(chē)輛裝配內(nèi)表層為黑色阻燃性無(wú)紡布，外表層為打孔鋁箔，中間填充半固化氈、玻璃棉和0.1 mm鋁箔的發(fā)動(dòng)機(jī)艙隔音墊，在怠速工況下，駕駛?cè)硕栽肼暯档土?.45 dB(A)。

商用車(chē)；發(fā)動(dòng)機(jī)艙；隔音墊；吸聲系數(shù)；噪聲控制

重型車(chē)輛配備的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率較大，行駛速度較低(最高車(chē)速90 km/h)，駕駛?cè)硕栽肼曋饕獊?lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)[1]。商用車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)通常置于駕駛室正下方，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置與車(chē)架相連[2]，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)駕駛室底部裝配隔音墊，在一定頻率范圍內(nèi)能阻止發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲向駕駛室輻射[3]。

發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)安裝隔音墊，阻隔了噪聲傳遞路徑，是一種有效的降噪方法[4]。一方面，通過(guò)吸音作用直接降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲；另一方面，通過(guò)隔音作用增大從發(fā)動(dòng)機(jī)艙到駕駛室的聲阻抗，從而降低駕駛?cè)硕栽肼?。吸聲和隔聲功能?duì)其材料的要求是矛盾的，在吸聲要求方面，結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)沿厚度方向最大消耗聲能；而在隔聲要求方面，結(jié)構(gòu)外表面則要求最大程度地反射聲波。在設(shè)計(jì)匹配發(fā)動(dòng)機(jī)艙隔音墊時(shí)，應(yīng)主要考慮其隔聲功能，同時(shí)兼顧其吸聲功能。本文采用吸聲系數(shù)臺(tái)架試驗(yàn)、半消聲室隔聲量試驗(yàn)以及駕駛?cè)硕栽肼曉囼?yàn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙隔音墊吸聲材料進(jìn)行選型、匹配、性能測(cè)試和降噪效果驗(yàn)證等。

1 吸聲材料選型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

隔音墊的吸聲材料通常為多孔結(jié)構(gòu)，如毛氈、玻璃綿、離心棉和固化氈等。根據(jù)駕駛室隔音墊的安裝工藝要求，卡扣的極限安裝厚度為22 mm，隔音材料為PVC板(厚度為2 mm)，所以吸聲材料的極限設(shè)計(jì)厚度為20 mm。因?yàn)橄嗤暡牧系奈曄禂?shù)與面密度成正比，厚度越大，吸音效果也就越好[5]。表1為用不同的吸聲材料制作的5套試驗(yàn)樣品(厚度為 20 mm)，裁剪形狀如圖1所示。

表1 吸聲材料(制作隔音墊)試驗(yàn)樣品

圖1 吸聲材料試驗(yàn)樣品

1.2 吸聲系數(shù)測(cè)試

吸聲系數(shù)測(cè)試設(shè)備為阻抗管，其頻率測(cè)量范圍為50～6 300 Hz。通過(guò)測(cè)量樣品在兩個(gè)位置上的聲壓，然后計(jì)算兩個(gè)傳聲器聲壓的復(fù)傳遞函數(shù)，確定法向入射聲的反射因數(shù)，最后計(jì)算得到測(cè)試樣品材料的法向入射吸聲系數(shù)[6-7]。

聲波在入射到介質(zhì)界面時(shí)，一部分聲能會(huì)被吸收，一部分聲能會(huì)反射回來(lái)。吸收聲功率與入射聲功率的比值為吸聲系數(shù)α：

(1)

式中：wr為入射聲功率；wi為反射聲功率；r為法向入射聲壓反射因數(shù)，即法向入射平面波在基準(zhǔn)面上反射波振幅與入射波振幅的復(fù)數(shù)比值。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

吸聲材料試驗(yàn)樣品的吸聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖2所示。對(duì)于1 500 Hz以下的聲音，試驗(yàn)樣品3的吸聲性能要優(yōu)于其他材料，但對(duì)于高頻噪聲，其吸聲性能迅速下降。在1 000～6 000 Hz頻率范圍內(nèi)，試驗(yàn)樣品4的吸聲系數(shù)最高；在2 050～5 500 Hz頻率范圍內(nèi)，其吸聲系數(shù)大于0.9；在3 800 Hz時(shí)，其吸聲系數(shù)等于1。

圖2 吸聲材料的吸聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果

2 隔音墊隔音性能測(cè)試

2.1 試驗(yàn)樣品

以離心棉、玻璃棉和半固化氈為吸聲材料，鋁箔及PVC板為隔聲材料制作3套厚度為22 mm的發(fā)動(dòng)機(jī)艙吸隔音墊(如圖3所示)。隔音墊的制作材料組成見(jiàn)表2。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)艙隔音墊

隔音墊樣品編號(hào)材料組成12mmPVC板+離心棉+半固化氈20．2mm兩側(cè)打孔鋁箔+玻璃棉+半固化氈30．2mm外打孔鋁箔+玻璃棉+半固化氈+內(nèi)無(wú)紡布+中間夾1層0．1mm鋁箔

2.2 隔聲量測(cè)試

某物體的隔聲量PBNR為點(diǎn)聲源聲功率與測(cè)量點(diǎn)聲壓的平方的比值，它是1/3倍頻程頻率的函數(shù)[8]。

(2)

式中|p/Qa|為聲傳遞函數(shù)幅值，即響應(yīng)點(diǎn)的聲壓與點(diǎn)聲源中心處體積加速度的比值。

將表2中的3種隔音墊樣品分別裝配到發(fā)動(dòng)機(jī)艙上部、駕駛室底部，然后進(jìn)行隔聲量測(cè)試。試驗(yàn)在半消聲室內(nèi)進(jìn)行。點(diǎn)聲源布置在駕駛?cè)俗握戏?，高度與人耳平齊(如圖4所示)；傳聲器布置在發(fā)動(dòng)機(jī)上表面，距離駕駛室底板約10 cm處(如圖5所示)。聲傳遞損失測(cè)試時(shí)，將中高頻點(diǎn)聲源置于駕駛?cè)俗挝恢?，使其發(fā)出中高頻的白噪聲激勵(lì)，測(cè)取駕駛室底部測(cè)點(diǎn)的聲響應(yīng)值。

2.3 測(cè)試結(jié)果分析

將測(cè)量得到的窄帶譜|p/Qa|轉(zhuǎn)換成1/3倍頻程譜，得到3種隔音墊樣品的隔聲量(如圖6所示)。頻率測(cè)試范圍為300～10 000 Hz。隨著頻率的增加，3種隔音墊樣品的隔聲量也遞增。隔音墊樣品3的隔聲量在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都大于其他2種樣品。

圖4 點(diǎn)聲源布置

圖5 傳聲器布置

圖6 隔音墊隔聲量測(cè)試結(jié)果

3 整車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)車(chē)輛

以一輛大功率(316 kW)牽引車(chē)為試驗(yàn)對(duì)象，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)車(chē)輛技術(shù)參數(shù)

3.2 駕駛?cè)硕栽肼暅y(cè)試

在完成隔音墊樣品隔聲量測(cè)試后，進(jìn)行駕駛?cè)硕栽肼暅y(cè)試。車(chē)輛靜止(離合器結(jié)合、變速器置空擋)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度為正常工作溫度(80 ℃)。在駕駛?cè)硕圆贾?個(gè)聲學(xué)傳感器，門(mén)窗關(guān)閉。采樣時(shí)間為20 s，對(duì)采集的時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換，得到100～20 000 Hz范圍內(nèi)聲壓的均方根值，作為駕駛?cè)硕栽肼曋?，其結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 駕駛?cè)硕栽肼暅y(cè)試結(jié)果

車(chē)輛在怠速工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲向駕駛室內(nèi)輻射有兩種形式：一種為空氣傳播噪聲，另一種為結(jié)構(gòu)傳播噪聲。該車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速是600 r/min，所以點(diǎn)火頻率為30 Hz，其2倍的振動(dòng)頻率為60 Hz、3倍的振動(dòng)頻率為90 Hz，是發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)主要的傳遞頻率。由此得出，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)駕駛室的結(jié)構(gòu)傳播噪聲不超過(guò)100 Hz，又因人耳能聽(tīng)到的最大頻率的噪聲是20 000 Hz，所以分析帶寬選取100～20 000 Hz。

通過(guò)頻譜分析，3種隔音墊樣品的降噪性能如圖7所示。從圖中可知，在頻率大于300 Hz時(shí)，車(chē)輛裝配隔音墊樣品3時(shí)，駕駛?cè)硕栽肼暤穆晧杭?jí)最小。隔音墊采用雙層無(wú)紡布和半固化氈、中間有鋁箔夾層為最佳降噪隔音墊。

圖7 3種隔音墊樣品的降噪性能

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用傳遞函數(shù)法對(duì)吸聲材料的吸聲系數(shù)進(jìn)行測(cè)試并選型，將吸聲性能較好的材料與不同的隔聲材料匹配制作成隔音墊(樣件)，并應(yīng)用能量法對(duì)其隔聲量進(jìn)行測(cè)試，將樣件裝車(chē)匹配，進(jìn)行駕駛?cè)硕栽肼暅y(cè)試，對(duì)比其吸隔音性能的優(yōu)劣。

(1)傳遞函數(shù)法是測(cè)量材料吸聲系數(shù)及其隔聲量的一種精確有效方法。

(2)重型載貨汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙隔音墊對(duì)于抑制發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣傳播噪聲有一定的效果。在300～20 000 Hz頻率范圍內(nèi)，不同的吸隔音材料對(duì)于駕駛室耳旁噪聲的影響差異為1～2 dB(A)。

(3)內(nèi)表層為黑色阻燃性無(wú)紡布，外表層為打孔鋁箔，中間填充半固化氈、玻璃棉和0.1 mm鋁箔的隔音墊，其吸隔聲效果最佳。

[1] 李俊慧,姚成,李東來(lái).客車(chē)降噪材料應(yīng)用研究[J].機(jī)電技術(shù),2014(1):27-29．

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[3] 楊洋,褚志剛,袁苗達(dá),等.汽車(chē)前圍板隔聲量測(cè)定及改進(jìn)[J].噪聲與振動(dòng)控制,2014,34(2):212-215．

[4] 朱有劍,張勇,熊文波.基于傳遞函數(shù)法的阻抗管吸聲系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)研究[J].聲學(xué)與電子工程,2014(10):27-31．

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(編輯：張峰)

Noise Attenuation Effect of Sound Insulation Pad in Commercial Vehicle Engine Cabin

WU Zhifang1, 2, XIA Junzhong1, LIU Xiaokai2, HUAN Hongqiang3, WANG Zhian1

(1.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Automotive Engineering Research Institute, Shanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd., Xi’an 710200, China;3.Unit 69083, Urumqi 830002, China)

In order to reduce driver’s parotic noise of commercial vehicle, the paper designs sound insulation pad of engine cabin and studies its noise attenuation performance with experiments. Firstly, it makes sound insulation pad with sound absorption materials and different sound insulation materials and tests its noise insulation performance with energy method. Then, it assembles the sample (noise insulation pad) with better sound insulation performance to the bottom of the cab (above the engine cabin). Finally, it tests driver’s parotic noise and verifies the noise attenuation effect. The result shows that while assembling black flame-retardant non-woven fabrics in inner layer and perforated aluminum foil in outer layer, and filling semi-cured mat and glass wool and 0.1mm aluminum sound insulation pad in the middle, driver’s parotic noise reduces 2.45 dB (A) in idling condition.

commercial vehicle; engine cabin; sound insulation pad; sound absorption coefficient; noise controlling

2016-08-29；

武智方(1984—)，男，碩士研究生； 夏均忠(1967—)，男，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.02.012

U467.3

A

1674-2192(2017)02- 0048- 04

修回日期：2016-09-08．