道路洗掃車車外噪聲源測試與診斷研究

吳智勇 鄭偉光

1. 湖北新楚風汽車股份有限公司 湖北隨州 4413002. 湖北省專用汽車研究院 湖北隨州 441300

1 前言

隨著我國公路里程與道路垃圾的不斷增加，洗掃車在城市治理道路整潔方面的作用也越來越突出[1]，但洗掃車在工作過程中產生的噪聲較大，已成為城市的主要噪聲污染源之一。本文以降低車外噪聲為目標，參照國家標準GB 1495-2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》以及GB/T 14365-2017《聲學 機動車輛定置噪聲聲壓級測量方法》，對某公司新研制的罐式洗掃車的噪聲進行測試與聲源診斷[2]。

罐式洗掃車是垃圾廂結構為罐式結構的一種新型洗掃車，罐式結構垃圾廂與傳統廂式結構垃圾廂相比具有成型簡單、強度高、垃圾易傾卸無殘留的優點。通過測試樣車在不同工況下的噪聲及振動情況，確定主發動機、副發動機、風機系統及洗掃機構等各部件噪聲對整車的能量貢獻及其主次順序，獲得該樣車的主要噪聲源，為科學地進行噪聲控制提供依據[3]。新型罐式洗掃車如圖1所示。

2 測試設備與方案

2.1 測試設備

圖1 某型罐式洗掃車

測試采用的設備有LMS前端及測試分析系統、常溫三軸加速度傳感器、高溫單軸加速度傳感器、麥克風傳感器（含電荷放大器、風罩），如表1所示。

2.2 測設方案

測試中各傳感器的布置如圖2所示。其中，矩形1、3、5、8、9、10、11、13為傳聲器，圓形2、4、6、7、12、14、15為加速度傳感器。

表1 測試的主要設備

圖2 傳聲器和傳感器的布置

測試工況如表2所示。

表2 測試工況表

3 罐式洗掃車噪聲識別及其頻譜分析

3.1 評價點的選取

對于每一種測試工況，為排除環境因素干擾，選取評級點總聲壓級的中位數為測試數據組進行分析。各工況下左、右評價點及背景噪聲聲壓級如表3所示。

表3 各工況下左右評價點及背景噪聲聲壓級（A）

由表3可知：

a. 當洗掃車處于工況1（僅開啟主發動機）時，評價點處的噪聲最小，此時比工況0（環境噪聲）高出20 dB以上。因此，測試結果滿足國標GB/T 14365-2017中高出背景噪聲10 dB的要求；

b.除開工況5（開蓋工況）外，工況4下洗掃車的總聲壓級最大。

因此，在進行近場聲源頻率特性分析時，以工況4的左右評價點噪聲頻率峰值作為目標頻率，并結合其他工況與近場數據進行綜合分析。工況4左右評價點倍頻程圖如圖3所示。

圖3 工況4的左右評價點倍頻程圖

根據圖3可知，左評價點的總聲壓級較大。通過計算可得：左評價點處各頻段噪聲能量占比如表4所示。

表4 工況4下洗掃車左評價點各頻段噪聲能量占比

工況4左評價點處的功率譜密度圖如圖4所示，主要噪聲頻率有32.5 Hz、48.25 Hz 、62.5 Hz、100.5 Hz與667.25 Hz。

圖4 工況4左評價點功率譜密度圖

3.2 基于分步運轉法的各部件主要噪聲源排序

洗掃車的分步運轉法噪聲診斷首先需測試得到所有裝置裝備同時運轉時（即洗掃車全洗掃——工況4）的評價點總聲壓級。關閉風機及洗掃系統，測試單獨運轉主副發動機時（工況2）左右評價點總聲壓級。然后，運用分步運轉法原理并結合洗掃工況下總聲壓級，采用式(1)的聲級減法公式得到風機及洗掃系統噪聲總聲壓級。再關閉副發動機，測試單獨運轉主發動機時（工況1）左右評價點總聲壓級，并結合主副發動機同時運轉下總聲壓級，采用式（1）聲級減法公式便可得到副發動機噪聲總聲壓級[4]。

運用分步運轉法得到的主發動機、副發動機、風機及洗掃機構三個噪聲源的噪聲排序如表5所示。

表5 基于分步運轉法噪聲源排序

3.3 基于相干分析法的傳遞路徑與能量貢獻

洗掃車各噪聲源之間的相關性明顯，所以在相干分析的基礎上，利用偏相干法可以獲取洗掃車外部評價點處空氣噪聲源的影響貢獻因子[5-6]。各主要測點在主要峰值頻率內的偏相干系數列于表6。

3.4 基于頻譜分析法的風機噪聲特性分析

基于表6分析可知：全洗掃工況（工況4）下，洗掃車的主要噪聲源是風機出口處。

表6 洗掃車左評價點處噪聲在峰值頻率下的貢獻系數

圖5 工況4下風機出口處自功率譜密度圖

由圖5可知：該工況下，風機出口處的主要噪聲峰值頻率為62.5 Hz、100.5 Hz以及667.25 Hz，對應頻段分別為63 Hz、100 Hz與630 Hz，總能量占比超過80%。結合風機噪聲特性可初步判斷62.5 Hz與100.5 Hz噪聲為渦流噪聲；667.25 Hz為風機旋轉噪聲。

3.5 頻率點噪聲分析

3.5.1 頻率點62.5Hz噪聲分析

擬通過改變風機出口氣流方向，來確定62.5Hz噪聲的具體來源。考慮風機出風口的結構，設計了出風口轉接頭來改變出口處的氣流方向，且轉接頭可另接橡膠水帶。

對原始測試數據、僅安裝轉接頭測試數據、安裝轉接頭和延長管測試數據，選取工況4（即全洗掃工況）左評價點1/3倍頻程譜圖、氣流出口功率譜密度圖進行三種安裝狀態的對比，如圖6、7所示。風機出口安裝轉接頭后，評價點處63 Hz頻段噪聲大幅降低了13.37 dB(A)，因此可知63 Hz頻段噪聲應為氣流沖擊風機出口附近其他機械結構而產生的再生渦流噪聲；在加裝橡膠延長管后，高速氣流被完全導出使得車內不存在氣流沖擊效應，左評價點63Hz頻段噪聲相較于僅安裝轉接頭時下降了7.85 dB(A) ，從而進一步驗證了結論的正確性。

圖6 左評價點1/3倍頻程譜圖

圖7 氣流出口功率譜密度圖

3.5.2 頻率點100.5 Hz噪聲分析

為驗證100.5 Hz噪聲是否為風機內部渦流噪聲，設計了薄壁金屬引流管將風機出口氣流引到車后方，將風機出口處麥克風布置在引流管出口處，并在引流管外壁布置單軸加速度傳感器，按照原測試方案測試安裝引流管后的振動噪聲信號。

洗掃車全洗掃工況時，左評價點處噪聲信號1/3倍頻程譜圖在安裝引流管前后對比如圖8所示。安裝延長管后，評價點處僅63 Hz頻段噪聲降低較多；100 Hz頻段噪聲同安裝轉接頭試驗結果的趨勢相近，進一步驗證了該頻段噪聲并非風機出口處氣流沖擊其他機械結構所產生。

圖8 左評價點處噪聲信號1/3倍頻程譜圖

由圖9、10可知，安裝延長引流管之后，引流管表面存在100 Hz的振動峰值，而風機殼體上振動沒有該頻率的峰值，表明延長引流管上100 Hz峰值是由風機氣流激勵而產生，而非由風機殼體振動傳遞而產生（非機械噪聲）。

圖9 金屬管表面加速度信號

圖10 風機進口、殼體Z方向加速度信號

圖11 加裝引流管后膠管口噪聲信號

布置于延長引流管表面的加速度傳感器的自功率譜密度圖如圖11所示：在管出口處僅存在103.75 Hz與678.75 Hz的噪聲峰值。綜上所述，可判斷100.5 Hz頻段為風機內部葉片處產生的渦流噪聲。

3.5.3 頻率點667.25Hz噪聲分析

結合圖4、5、9、11可知，667.25 Hz噪聲頻率（隨工況和被測對象狀態不同有小范圍頻率偏移）總能在氣流出口和評價點處的測試數據中呈現單一峰值，來源于風機內部的氣動噪聲。根據風機噪聲特性，可知630 Hz頻段的噪聲為與風機轉速有關的旋轉頻率噪聲。

4 噪聲源識別結果分析

通過一系列的測試與分析，洗掃車在洗掃工況下主要噪聲源信息及其控制措施如表7所示。

由表7可知，洗掃車主要噪聲源依次為風機出口氣流再生噪聲、風機內部流體的渦流噪聲及風機旋轉頻率噪聲，其噪聲能量占總聲能量的80%以上，因此，研究風機排氣系統及其消聲器是控制洗掃車整車噪聲的主要手段。

5 結語

本文以某洗掃車為研究對象，通過噪聲測試與聲源識別，得到以下幾點結論：

a.分步運轉法是確定復雜系統噪聲源能量狀況的有效方法，本文采用分步運轉法得到了洗掃車的主要噪聲源為風機噪聲；

b.通過頻譜分析與偏相干分析，得到了洗掃車風機噪聲的頻率特性及產生的原因，并確定了各主要噪聲頻率的來源及能量占比；

c.洗掃車噪聲源識別結果表明，研制高性能的風機排氣消聲系統、改善風機出口的流場特性是降低洗掃車噪聲的主要手段。

表7 洗掃車主要噪聲源及控制方案