大功率柴油機(jī)聲品質(zhì)研究

摘? 要：本文采用仿真人工頭記錄了大功率柴油機(jī)的聲音樣本，通過(guò)分析聲音樣本的客觀參數(shù)，建立了聲品質(zhì)主客觀評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)模型，分析了不同工況噪聲的聲品質(zhì)特性。分析結(jié)果顯示：在柴油機(jī)不同方位，響度隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加而增加;尖銳度隨著轉(zhuǎn)速的增加顯著提高，但與柴油機(jī)的負(fù)荷關(guān)系不大;粗糙度的變化與測(cè)量的位置有關(guān)。在9個(gè)代表性樣本中，聲品質(zhì)評(píng)價(jià)隨著柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加明顯降低。運(yùn)用多元線性回歸法得到了聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)模型，平均誤差為17.53%。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);聲品質(zhì);噪聲;噪聲測(cè)試.

一直以來(lái)，針對(duì)商用大功率柴油機(jī)的聲品質(zhì)特性的研究較少，但是隨著生活質(zhì)量的不斷提升，大功率柴油機(jī)的聲品質(zhì)越來(lái)越引起用戶的關(guān)注。針對(duì)大功率柴油機(jī)的聲品質(zhì)研究，目前能找到相關(guān)文獻(xiàn)有限。劉海等人使用新的遺傳優(yōu)化算法對(duì)變負(fù)荷和變轉(zhuǎn)速工況下的柴油機(jī)進(jìn)行了全面的聲品質(zhì)研究，建立了新的客觀參數(shù)與主觀滿意之間的非線性映射關(guān)系。文獻(xiàn)【2】中，尤險(xiǎn)峰等人研究了燃燒噪聲二級(jí)影響因素對(duì)柴油機(jī)的聲品質(zhì)影響，結(jié)果顯示控制節(jié)氣門開(kāi)度等可以適當(dāng)控制聲品質(zhì)。本文與天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作，利用HEAD Acoustic公司的仿真人工頭測(cè)試系統(tǒng)及ArtemiS分析軟件對(duì)某款大功率柴油機(jī)的聲品質(zhì)進(jìn)行了分析，為后續(xù)進(jìn)一步減振降噪指明了方向。

一、測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.測(cè)試對(duì)象

測(cè)試對(duì)象為某主機(jī)廠生產(chǎn)的大馬力柴油機(jī)，最大功率為331千瓦。

2.測(cè)試環(huán)境及設(shè)備

測(cè)試實(shí)驗(yàn)在天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)和噪聲實(shí)驗(yàn)室完成，試驗(yàn)選用的設(shè)備是 HEAD Acoustic公司的仿真人工頭測(cè)試系統(tǒng)（型號(hào)為HMS IV.1）及ArtemiS分析軟件（型號(hào)為Suite 8.0）。

3.測(cè)試工況

人工頭測(cè)試主要以穩(wěn)態(tài)工況下柴油機(jī)噪聲測(cè)試為主，柴油機(jī)穩(wěn)定在測(cè)試工況后開(kāi)始進(jìn)行噪聲測(cè)試，噪聲樣本采集記錄了36個(gè)不同工況點(diǎn)下，柴油機(jī)油泵側(cè)、排氣側(cè)和皮帶輪側(cè)1.8m處的雙耳穩(wěn)態(tài)噪聲信號(hào)。剔除收到干擾的不穩(wěn)定聲音樣本后，得到了108個(gè)長(zhǎng)度為30s的有效噪聲樣本。測(cè)試工況如表1所示。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1.技術(shù)路線

噪聲測(cè)試處理技術(shù)路線主要分為4步：采集108組柴油機(jī)在不同工況下的噪聲數(shù)據(jù)樣本;通過(guò)聚類分析選取出9個(gè)代表性樣本，使用語(yǔ)義細(xì)分法進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)，利用聲品質(zhì)分析軟件計(jì)算噪聲樣本的客觀參數(shù)（包括響度、尖銳度、粗糙度）;通過(guò)主客觀評(píng)價(jià)回歸分析，得到聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)的預(yù)測(cè)模型;分析對(duì)比108組噪聲數(shù)據(jù)的回歸預(yù)測(cè)結(jié)果。

采用Head Acoustic 設(shè)備能提供 “聲品質(zhì)”測(cè)試參數(shù)包括 Loudness（響度）、Roughness（粗糙度）、Sharpness（尖銳度），是國(guó)際上柴油機(jī)和汽車行業(yè)用來(lái)形容主觀噪聲的客觀測(cè)試參數(shù)。

指標(biāo) AI 跟心理聲學(xué)參數(shù)關(guān)系假定是：AI = a*Loudness + b*Roughness + c*Sharpness +d，確定 a、b、c、d四個(gè)常數(shù)，就能找到主觀噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.聲品質(zhì)的主觀評(píng)價(jià)

通過(guò)柴油機(jī)噪聲樣本的聚類分析，選擇柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取800rpm負(fù)荷0、50%、100%，1200rpm負(fù)荷50%，1400rpm負(fù)荷0、100%，1900rpm負(fù)荷0、50%、100%等9組作為代表性樣本，進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)打分，通過(guò)與客觀參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析后，得到主觀評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)模型。余下的99組樣本，通過(guò)預(yù)測(cè)模型得到最終的預(yù)測(cè)結(jié)果。

采用語(yǔ)義細(xì)分法來(lái)進(jìn)行噪聲的主觀評(píng)價(jià)步驟：選擇20名測(cè)試人員，進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià);9個(gè)代表性聲音樣本，隨機(jī)排列形成18個(gè)主觀評(píng)價(jià)的聲音樣本;各測(cè)試人員比較每對(duì)聲音數(shù)據(jù);最后完成對(duì)9個(gè)代表性樣本的主觀評(píng)價(jià)打分。最終得到10份噪聲聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)的有效問(wèn)卷，見(jiàn)表2。

2.3 響度、尖銳度和粗糙度計(jì)算

2.3.1 響度計(jì)算

根據(jù)主觀評(píng)價(jià)得分計(jì)算響度值如表3所示。從表3中的響度計(jì)算結(jié)果可以看出，柴油機(jī)噪聲在排氣側(cè)、皮帶輪側(cè)和油泵側(cè)的響度分布在60-160 sone 范圍內(nèi)，并隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的提高而增加。排氣側(cè)、皮帶輪側(cè)和油泵側(cè)在800轉(zhuǎn)低負(fù)荷時(shí)，響度最小值分別為75.8、64.2、80.5 sone;在1900轉(zhuǎn)滿負(fù)荷時(shí)，響度值最大為154、137、153 sone。

2.3.2 粗糙度計(jì)算

根據(jù)主觀評(píng)價(jià)得分計(jì)算粗糙度值如表4所示。從表4中的響度計(jì)算結(jié)果可以看出，在排氣側(cè)、皮帶輪側(cè)和油泵側(cè)，柴油機(jī)的噪聲粗糙度分布在0.05-0.18 asper 范圍內(nèi)。在柴油機(jī)不同方位，其變化規(guī)律也不一致。在排氣側(cè)，粗糙度隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。在皮帶輪側(cè)，粗糙度在1600轉(zhuǎn)低負(fù)荷取得最大值，而在1400轉(zhuǎn)以下變化不大。在油泵側(cè)，粗糙度在大轉(zhuǎn)速高負(fù)荷出取得最大值。

2.3.3 尖銳度計(jì)算

根據(jù)主觀評(píng)價(jià)得分計(jì)算尖銳度值如表5所示。從表5中的計(jì)算結(jié)果可以看出，柴油機(jī)噪聲在排氣側(cè)、皮帶輪側(cè)和油泵側(cè)的尖銳度分布在4-11 acum范圍內(nèi)。在柴油機(jī)不同方位，噪聲的尖銳度隨著轉(zhuǎn)速的增加而顯著提高，隨著負(fù)荷的增加變化不大。在1600轉(zhuǎn)到1900轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，尖銳度值明顯高于低轉(zhuǎn)速工況下的數(shù)值。

3 聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)模型

從主觀評(píng)價(jià)得分和客觀參數(shù)結(jié)果帶入公式：

AI=a×Loudness（響度）+ b×Roughness（粗糙度）+ c×Sharpness（尖銳度）+ d

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法和最小二乘法，求得a=0.0165，b=-16.48637，c=0.21818，d=3.61294。

帶入數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差計(jì)算，結(jié)果如下表6所示。

對(duì)該柴油機(jī)進(jìn)行主觀噪聲預(yù)測(cè)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下表7所示結(jié)果可以看出，在柴油機(jī)排氣側(cè)噪聲聲品質(zhì)評(píng)價(jià)中，隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加，其評(píng)價(jià)得分值降低，在高轉(zhuǎn)速下尤為明顯。在1400轉(zhuǎn)50%負(fù)荷處，聲品質(zhì)的主觀評(píng)價(jià)有一個(gè)極大值。在皮帶輪側(cè)，高負(fù)荷的聲品質(zhì)評(píng)價(jià)明顯低于低負(fù)荷工況，聲品質(zhì)在1600轉(zhuǎn)低負(fù)荷取得極大值。在油泵側(cè)，聲品質(zhì)隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低，隨著負(fù)荷的增加變化不大。

三、聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)模型

將主觀評(píng)價(jià)得分和客觀參數(shù)結(jié)果帶入上述AI公式：

=a×Loudness（響度）+ b×Roughness（粗糙度）+ c×Sharpness（尖銳度）+ d

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法和最小二乘法，求得a=0.0165，b=-16.48637，c=0.21818，d=3.61294。

帶入數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差計(jì)算，對(duì)該柴油機(jī)進(jìn)行主觀噪聲預(yù)測(cè)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表7可以看出，在柴油機(jī)排氣側(cè)噪聲聲品質(zhì)評(píng)價(jià)中，隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加，其評(píng)價(jià)得分值降低，在高轉(zhuǎn)速下尤為明顯。在1400rpm 50%負(fù)荷處，聲品質(zhì)的主觀評(píng)價(jià)有一個(gè)極大值。在皮帶輪側(cè)，高負(fù)荷的聲品質(zhì)評(píng)價(jià)明顯低于低負(fù)荷工況，聲品質(zhì)在1600 rpm低負(fù)荷取得極大值。在油泵側(cè)，聲品質(zhì)隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低，隨著負(fù)荷的增加變化不大。

結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)柴油機(jī)噪聲聲品質(zhì)測(cè)試分析，得出以下結(jié)論：

（1）本文采集了108組不同工況下的噪聲數(shù)據(jù)樣本，利用聲品質(zhì)分析軟件計(jì)算了噪聲樣本的客觀參數(shù)（響度、尖銳度、粗糙度）。結(jié)果顯示，響度隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加而增加;尖銳度隨著轉(zhuǎn)速的增加顯著提高，但與負(fù)荷關(guān)系不大;粗糙度與測(cè)試位置有關(guān)。

（2）通過(guò)20人的評(píng)議團(tuán)，利用語(yǔ)義細(xì)分法對(duì)選取的9個(gè)代表性樣本進(jìn)行了聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，聲品質(zhì)評(píng)價(jià)隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加明顯降低。

（3）運(yùn)用多元線性回歸法得到了聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)模型，計(jì)算出主觀評(píng)價(jià)模型的平均誤差為13.2%。分析柴油機(jī)不同工況下的主觀評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)結(jié)果，可以看出，隨著柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷增加，排氣側(cè)噪聲聲品質(zhì)的評(píng)價(jià)得分值降低;在皮帶輪側(cè)，高負(fù)荷工況下的聲品質(zhì)評(píng)價(jià)得分明顯低于低負(fù)荷工況下的評(píng)價(jià)得分，在油泵側(cè)，聲品質(zhì)隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低，隨著負(fù)荷的增加變化不大。

參考文獻(xiàn)

[1]? 劉海，張俊紅，倪廣健，等. 基于遺傳支持向量機(jī)的柴油機(jī)輻射噪聲品質(zhì)預(yù)測(cè)技術(shù). 振動(dòng)與沖擊，2013，32（2）：111-114.

[2]? 尤險(xiǎn)峰，等. 燃燒噪聲二級(jí)影響因素對(duì)柴油機(jī)聲品質(zhì)的影響【J】. 車用柴油機(jī)，2015，220（5）：75-79.

作者簡(jiǎn)介：劉世鋒，1984年生，男，漢族，安徽省阜陽(yáng)人，中級(jí)職稱，天津大學(xué)工程碩士，主要從事重型7商用車動(dòng)力研發(fā)。