正時(shí)鏈條噪聲源識(shí)別及嘯叫問(wèn)題分析

覃海峰　李露露　穆建華

摘 要：本文基于LMS公司的LMS Test. Lab平臺(tái)，對(duì)某汽油機(jī)進(jìn)行振動(dòng)噪聲測(cè)試。通過(guò)一米聲壓級(jí)測(cè)試及聲學(xué)相機(jī)測(cè)試，初步判斷噪聲源位置.通過(guò)振動(dòng)測(cè)試進(jìn)一步確認(rèn)噪聲源位置位于前端蓋正時(shí)鏈。階次分析確定優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。為設(shè)計(jì)提供支持依據(jù)。

關(guān)鍵詞：LMS Test.Lab;1m聲壓級(jí);近場(chǎng)聲全息;振動(dòng);優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著汽車(chē)的普及，汽車(chē)的NVH性能越來(lái)越受到人們的關(guān)注。整車(chē)的NVH好壞直接影響駕駛員及乘客的直觀感受，而發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲又是整車(chē)NVH的關(guān)鍵。一般來(lái)說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械噪聲對(duì)整車(chē)噪聲貢獻(xiàn)量較大，正時(shí)系統(tǒng)噪聲是機(jī)械噪聲的一種，具有固定的階次，一般為18～25階，所處的頻率段為2000～4000Hz，是人耳相對(duì)敏感的頻率段，當(dāng)正時(shí)系統(tǒng)的噪聲存在波動(dòng)時(shí)，將使人耳的主觀感受更加明顯[1]。本文以某汽油機(jī)存在的嘯叫問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，利用LMS Test.lab軟件對(duì)該汽油機(jī)進(jìn)行一米聲壓級(jí)測(cè)試及聲源定位測(cè)試，初步判斷噪聲源位置，通過(guò)振動(dòng)測(cè)試確定噪聲源位置。對(duì)造成嘯叫故障發(fā)生的可能原因進(jìn)行全面分析，找到問(wèn)題根源并制定相關(guān)改進(jìn)方案。這種對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的判斷方法步驟適用于其他部件的噪聲分析。

1 異響檢測(cè)流程

對(duì)于一個(gè)異響問(wèn)題，首先需要確定異響部位，即判斷噪聲源位置。除了主觀的人耳辨別之外，對(duì)于一些無(wú)法明顯判斷的聲源，則要求我們借助更專(zhuān)業(yè)的設(shè)備采集和分析聲音信號(hào)，通過(guò)客觀的數(shù)據(jù)去確定噪聲源位置。檢測(cè)的過(guò)程要先大后小，先確定大總成，后判斷機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，最后再定位相關(guān)具體零部件。確診之后按照由簡(jiǎn)入繁的次序，從零部件質(zhì)量，裝配質(zhì)量，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面一一排查，直到找到異響產(chǎn)生的根本原因[2]。在考慮成本的情況下，再進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

本案例問(wèn)題描述為：1800rpm-3000rpm整車(chē)存在一個(gè)嘯叫聲。本案例的判斷過(guò)程如下：首先通過(guò)整車(chē)離合器分離和嚙合，異響無(wú)變化，排除了變速箱嘯叫的可能。然后通過(guò)臺(tái)架發(fā)動(dòng)機(jī)1m聲壓級(jí)測(cè)試結(jié)果，判斷出前端面在2000-4000Hz頻率區(qū)域下聲壓值遠(yuǎn)超過(guò)其他面的噪聲。通過(guò)整車(chē)聲源定位相機(jī)拍下該頻率段下發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲云圖集中于發(fā)動(dòng)機(jī)前端蓋位置。主觀聽(tīng)診也初步判斷噪聲源為前端蓋正時(shí)鏈條位置。再對(duì)前端蓋正時(shí)鏈罩蓋位置進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果也證實(shí)異響來(lái)源為前端蓋正時(shí)鏈盒位置。

2 一米聲壓級(jí)測(cè)試

本文嚴(yán)格按照國(guó)家GB/T1859-2000（往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)輻射的空氣噪聲測(cè)量工程法及簡(jiǎn)易法）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。根據(jù)某發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸，采用5個(gè)傳聲器布置測(cè)量表面聲壓級(jí)，分別為進(jìn)氣側(cè)、排氣側(cè)、前端面、后端面及頂面。具體如圖2所示。

整機(jī)聲功率可以描述一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲水平。而通過(guò)對(duì)比各個(gè)面的噪聲聲壓值，可以判斷出對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噪聲貢獻(xiàn)最大的位置。

1m聲壓級(jí)測(cè)試結(jié)果如圖3所示，WOT工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)前端面的瞬時(shí)聲壓值明顯高于其他位置，在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)相差不大，高轉(zhuǎn)速范圍最高高出5dB左右。

WOT工況下發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲Colormap圖顯示為圖4，在高轉(zhuǎn)速工況下出現(xiàn)高分貝噪聲。而在其他測(cè)試位置沒(méi)有出現(xiàn)高峰值，表明發(fā)動(dòng)機(jī)前端面為發(fā)動(dòng)機(jī)主要噪聲源。

取不同位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行1/3倍頻程分析，在3150Hz的頻帶出現(xiàn)峰值，前端噪聲高于其他面噪聲，見(jiàn)圖5。

3 聲學(xué)相機(jī)測(cè)試

聲學(xué)相機(jī)即麥克風(fēng)陣列，它由多個(gè)麥克風(fēng)按照一定規(guī)律排列，通過(guò)陣列信號(hào)處理方法（如波束形成、beamforming）生成聲音在一個(gè)平面上的聲壓級(jí)分布，以彩色等高線圖的方式實(shí)現(xiàn)聲音的可視化，通過(guò)照片或視頻的方式顯示被測(cè)物的聲音分布。聲學(xué)相機(jī)可用于聲源定位，異音異響測(cè)試和軌跡追蹤定位等。

為進(jìn)一步確認(rèn)噪聲源位置，采用近場(chǎng)聲全息法對(duì)搭載在整車(chē)上的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。加速工況下，聲學(xué)相機(jī)定位云圖如圖6所示。高分貝噪聲主要集中在前端面上鏈傳動(dòng)系統(tǒng)蓋板位置。與1m聲壓級(jí)測(cè)試結(jié)果符合。表明鏈傳動(dòng)系統(tǒng)蓋板位置是噪聲源源頭，從而確定了該噪聲源具體位置。

4 振動(dòng)噪聲測(cè)試

為進(jìn)一步驗(yàn)證正時(shí)鏈罩蓋位置是主要的噪聲源，在正時(shí)罩蓋位置加速度傳感器做振動(dòng)試驗(yàn)。振動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果顯示，在3150Hz頻帶范圍正時(shí)罩蓋振動(dòng)測(cè)試結(jié)果也存在一個(gè)極高峰值。振動(dòng)測(cè)試的測(cè)試結(jié)果與1m聲壓測(cè)量數(shù)據(jù)得出結(jié)論一致。因此推斷正時(shí)鏈系統(tǒng)存在噪聲問(wèn)題，見(jiàn)圖7。

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)嘯叫聲采樣，嘯叫噪聲colormap如圖8所示，經(jīng)階次分析發(fā)現(xiàn)18，36，54，72階次噪聲明顯，并且在1800-3000rpm轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在由階次引發(fā)的寬頻噪聲。對(duì)寬頻濾波后嘯叫聲消失。

在整車(chē)的振動(dòng)測(cè)試中，前端蓋上測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)艙噪聲測(cè)試結(jié)果相接近，正時(shí)罩蓋鏈系統(tǒng)階次較明顯，且在800Hz及3000HZ附近存在共振帶，見(jiàn)圖9。

判定為18階及其諧次帶來(lái)的寬頻噪聲。正時(shí)鏈條的齒數(shù)與問(wèn)題階次相同，為18齒鏈條。因此處理此嘯叫問(wèn)題需要從正時(shí)鏈條著手。

現(xiàn)考慮兩種方案對(duì)正時(shí)鏈條進(jìn)行優(yōu)化。方案一：采用低剛度的張緊器去降低正時(shí)鏈條張緊力。方案二：用隨機(jī)鏈輪代替普通鏈輪，增大正時(shí)鏈條張緊力，見(jiàn)圖10，圖11。

兩種方案，都是通過(guò)改變張緊力的大小，可以改變整個(gè)正時(shí)鏈系統(tǒng)的固有頻率。從而使共振帶避開(kāi)階次線。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用LMS測(cè)試系統(tǒng)對(duì)某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)嘯叫問(wèn)題進(jìn)行振動(dòng)噪聲測(cè)試，初步判斷了主要噪聲源位于發(fā)動(dòng)機(jī)前端蓋位置，由大及小的將問(wèn)題源頭確定為正時(shí)鏈條位置，以某四缸機(jī)為試驗(yàn)樣本，建立發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噪聲源識(shí)別試驗(yàn)流程。該流程基于一米聲壓級(jí)噪聲測(cè)試，近場(chǎng)聲全息法和振動(dòng)試驗(yàn)法能準(zhǔn)確判斷發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源為發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈系統(tǒng)，能夠找到噪聲值突出頻段，為分析正時(shí)鏈條系統(tǒng)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生原因提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。證明了嘯叫是由18階及其諧次與共振帶耦合引起的。后制定兩種方案對(duì)該異響進(jìn)行優(yōu)化解決。具體效果需后續(xù)跟進(jìn)驗(yàn)證，本文旨在提出一種異響的解決方法，可適用于發(fā)動(dòng)機(jī)其他關(guān)鍵部件的異響診斷，可以快速、有效、準(zhǔn)確的分析出異響產(chǎn)生的原因。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭志強(qiáng)，周岳康，孔毅，彭煒琳.某小型汽油機(jī)正時(shí)鏈條異響的分析及改進(jìn)[J].內(nèi)燃機(jī)，2011（02）：39-42.

[2]奚佳欣.柴油發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈系統(tǒng)噪聲源識(shí)別及振動(dòng)噪聲特性研究[D].吉林大學(xué)，2015.