柴油機(jī)噪聲測試與分析系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

吳 彪，申立中，畢玉華，彭國材

（昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500）

1 引言

隨著節(jié)能減排政策的日益嚴(yán)格，以及內(nèi)燃機(jī)輕量化、高強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展，使得內(nèi)燃機(jī)振動與噪聲問題變得更加突出。與此同時(shí)，振動噪聲法規(guī)日趨嚴(yán)格以及消費(fèi)者對乘坐舒適性需求進(jìn)一步提升，使得NVH 性能優(yōu)化成為了急需解決的工程技術(shù)問題[1]。降低噪聲的前提是準(zhǔn)確獲得和定位噪聲源。聲源識別方法可分為三類：第一類是傳統(tǒng)的聲源識別方法，如運(yùn)行方法、覆蓋方法和數(shù)值分析方法[2-3]；第二類采用現(xiàn)代信號處理技術(shù)進(jìn)行聲源識別，如聲強(qiáng)法[4]；第三類采用現(xiàn)代圖像識別技術(shù)進(jìn)行振動和聲源識別，如聲學(xué)陣列技術(shù)（聲全息技術(shù)和波束形成技術(shù)）[5-9]。

其中，近場聲全息（Near-field Acoustic Holography，NAH）技術(shù)計(jì)算比較準(zhǔn)確，能獲得高分辨率的重構(gòu)圖像和豐富的聲場信息，包括三維空間中的聲壓、質(zhì)點(diǎn)速度矢量、聲強(qiáng)矢量、遠(yuǎn)場指向性和輻射總聲功率等[8]。除了能測量隨距離增加幅值不發(fā)生變化的“傳播波”外，還能測量隨距離增加幅值成指數(shù)衰減的“倏逝波”，重建出不受瑞利判據(jù)約束的聲像[6，12]。NAH 技術(shù)圍繞著全息面復(fù)聲壓測量、聲場空間變換算法實(shí)現(xiàn)重建兩部分展開[11-15]。

基于近場聲全息技術(shù)及空間FFT 變換算法，利用軟件Labview 開發(fā)一套噪聲測試與分析系統(tǒng)，以直列四缸渦輪增壓柴油機(jī)為研究對象，對不同工況下的柴油機(jī)噪聲進(jìn)行測試與分析，并對聲壓級較大部位進(jìn)行聲源分析，研究結(jié)果可為直列四缸渦輪增壓柴油機(jī)減振降噪提供設(shè)計(jì)參考。

2 空間FFT 變換的近場聲全息原理及算法

在上世紀(jì)80 年代，Williams 和Maynard 最先提出了近場聲全息技術(shù)，它的理論源于光全息相關(guān)知識，利用干涉原理得全息面上的聲源信息，由衍射原理重構(gòu)源面聲源信號。由于在實(shí)驗(yàn)時(shí)直接通過傳感器測得全息面上的聲源信號，所以只需要對得到的信號進(jìn)行相應(yīng)重構(gòu)就可以得到源面信號。

NAH 的重構(gòu)算法有很多，其中二維傅里葉變換法原理簡單，計(jì)算速度快[14]，只是在實(shí)驗(yàn)時(shí)要求全息面同源面垂直，由于是在發(fā)動機(jī)臺架上完成實(shí)驗(yàn)，可以很好規(guī)避其弊端，采用FFT 法進(jìn)行聲源重構(gòu)。

2.1 空間FFT 變換的近場聲全息原理

聲全息測試方法按復(fù)聲壓相位獲取不同可分為快照法、單參考傳遞函數(shù)法、多參考互譜法、聲強(qiáng)測量法；選多參考互譜法進(jìn)行本系統(tǒng)構(gòu)建。空間FFT 變換的近場聲全息測試原理，如圖1 所示。

圖1 聲全息法（NAH）測試噪聲的原理Fig.1 Near Field Acoustic Holography Principle Diagram

2.2 空間FFT 變換的近場聲全息算法

假設(shè)發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的噪聲在理想流體介質(zhì)中傳播，則滿足式（1）～式（3）基本方程[16-18]：

式中：ρ0—介質(zhì)密度；ρ′—介質(zhì)密度變化量；c0—聲音傳播速度；p—質(zhì)點(diǎn)的聲壓；v—振速。

由方程（1）可以得到穩(wěn)態(tài)聲場的不依賴時(shí)間變量的Helmholtz 方程：

式中：k=ω/c0=2π/λ—聲波數(shù)；ω=2πf—角頻率；p（x，y，z）—頻域聲壓。方程（4）在平面z=zs=0 的Dirichlet 邊界條件設(shè)為pD（x，y，zs），如式（5）所示；在Neumann 邊界條件設(shè)為pN（x，y，zs），如式（6）所示。

對于z>zs的空間的自由場的請況，即z>0 空間任意一點(diǎn)聲壓，式（4）可解得式（7）～式（8）：

式中：下標(biāo)S—源面；H—全息面；gD、gN—在z=zs面上無窮大平面的Green 函數(shù)。

Probabilistic Model for Swaying at Key Positions on Container Ship

對方程式（7）～式（8）兩邊進(jìn)行FFT 變換得：

由式（8），式（14）變?yōu)椋?/p>

再對方程式（13）和式（15）進(jìn)行FFT 逆變換就可得到平面近場聲全息重建的基本函數(shù)方程。

3 噪聲測試與分析系統(tǒng)開發(fā)

3.1 噪聲測試與分析系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

噪聲測試與分析系統(tǒng)構(gòu)成包括硬件結(jié)構(gòu)模塊和軟件結(jié)構(gòu)模塊，硬件結(jié)構(gòu)模塊主要完成信號的采集，信號調(diào)理等；軟件模塊主要對采集后的信號進(jìn)行相應(yīng)分析，產(chǎn)生采集命令等。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，如圖2 所示。

圖2 噪聲測試與分析系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.2 Noise Test and Analysis System

3.2 測試系統(tǒng)硬件組成

測試設(shè)備中，NI 振動測試采集板卡（所用型號為PXI-4498）、傳聲器、傳聲器信號線等主要完成信號采集；出于成本的考慮，噪聲信號采集通過移動一列傳感器掃描完成，控制器通過控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)而控制導(dǎo)軌移動速度，傳聲器利用扎帶固定在T 型固定桿上，安裝實(shí)物，如圖3、圖4 所示。

實(shí)驗(yàn)前，在半消音實(shí)驗(yàn)臺架，把控制裝置接好線路及按圖4布置好傳感器，準(zhǔn)備工作完成后，在圖3 的控制器中，輸入T 型固定桿運(yùn)行的相關(guān)設(shè)定值，控制掃描范圍，掃描的次數(shù)。

圖3 控制裝置Fig.3 The Control Device

圖4 掃描導(dǎo)軌安裝實(shí)物Fig.4 Scan Rail Mounting Physical

3.3 測試系統(tǒng)的軟件組成

在虛擬儀器Labview 中編寫的模塊，如圖2 所示。主要模塊包括：傳聲器標(biāo)定模塊、信號采集模塊、時(shí)頻域分析模塊[19]、NAH模塊、9 點(diǎn)聲功率級模塊，程序前面板，如圖5 所示。

圖5 柴油機(jī)噪聲測試與分析系統(tǒng)前面板Fig.5 The Front Panel of Diesel Engine Noise Test and Analysis System

信號采集模塊是該系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊，主要完成信號采集，該模塊利用Labview 中的DAQmx 建立，其參數(shù)配置，如圖6 所示。

圖6 DAQmx 參數(shù)設(shè)置Fig.6 DAQmx Parameter Settings

NAH 模塊主要完成數(shù)據(jù)讀取，利用偏相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)聲場分離；互譜和自譜計(jì)算出全息面上的聲場信息，通過空間變換算法求解重建面上的聲場信息，NAH 模塊程序框圖，如圖7 所示。

圖7 NAH 程序框圖Fig.7 NAH Module Program

利用Labview 搭建的測試系統(tǒng)，需要驗(yàn)證其正確性，利用圖8 聲全息測試仿真程式，可以產(chǎn)生仿真信號，可以在NAH 模塊、時(shí)頻域分析模塊中分析信號是否與仿真設(shè)定值一致。

圖8 聲全息測試仿真程式Fig.8 Program for Generating a Holographic Surface Acoustic Field Signal

3.4 噪聲測試系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

對編寫的噪聲測試系統(tǒng)進(jìn)行仿真，點(diǎn)聲源的坐標(biāo)位置設(shè)置，如圖9 所示。對仿真信號進(jìn)行頻譜分析得到圖10 所示結(jié)果，優(yōu)勢頻率分別為 100Hz、200Hz、300Hz、400Hz，頻譜分析結(jié)果同設(shè)定值一致，編寫系統(tǒng)可用于識別柴油機(jī)噪聲源。

圖9 仿真參數(shù)設(shè)置面板Fig.9 Simulation Validation Front Panel

圖10 仿真結(jié)果的頻譜分析Fig.10 Spectrum Analysis of Simulation Results

4 直列四缸渦輪增壓柴油機(jī)噪聲源識別試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)多個(gè)聲源同時(shí)發(fā)聲，傳聲器陣列掃過發(fā)聲平面，采集得到的聲壓信號經(jīng)過信號處理和FFT 分析后，多個(gè)傳聲器的信號經(jīng)過疊加，可計(jì)算得到傳聲器陣列移動面（稱為全息面）的聲壓分布圖，然后把全息面上的聲壓向噪聲源方向反推回去，在距離噪聲源面5cm 左右位置建立聲壓分布圖（稱為重建面）。根據(jù)重建面上的聲壓分布圖和噪聲的大小實(shí)現(xiàn)噪聲源的識別。

傳聲器安裝應(yīng)上下覆蓋發(fā)動機(jī)缸孔方向上的整機(jī)高度，兩個(gè)傳聲器之間的距離為4cm，步進(jìn)電機(jī)每次移動的距離為10cm，依次采集，直至導(dǎo)軌移動覆蓋整個(gè)發(fā)動機(jī)。測試過程中，3 個(gè)傳聲器測試參考聲源信號，以消除傳聲器陣列面移動時(shí)引起的時(shí)間差，三個(gè)參考聲源的位置和陣列面?zhèn)髀暺髟谕粋?cè)，且垂直于測試表面，選在噪聲輻射較大的位置，不與其他任何部件接觸，采用獨(dú)立的三角移動支架固定，測試過程中保持靜止。

傳聲器陣列面距離發(fā)動機(jī)1m 左右，參考聲源的安裝位置為：油底殼，氣缸蓋罩，帶輪端，如圖11 所示。

圖11 傳聲器安裝及相關(guān)細(xì)節(jié)Fig.11 Microphone Installation and Related Details

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

次推力側(cè)主要對 1800r/min（扭矩為 350N·m），3000r/min（扭矩為220N·m）兩個(gè)工況進(jìn)行發(fā)動機(jī)噪聲測試。

在主推力側(cè)，前端主要進(jìn)行最大聲壓級尋找，結(jié)果為聲壓級云圖，能看到聲壓級下所測實(shí)物圖，此時(shí)能方便的辨識柴油機(jī)的噪聲分布情況。

1800r/min（扭矩為 350N·m）工況測試結(jié)果，如圖12 所示。給出了3 個(gè)頻率段的聲壓級分布圖。提取結(jié)果的依據(jù)，主要參考系統(tǒng)連續(xù)小波分析的優(yōu)勢頻帶范圍，知道范圍后，輸入到圖5 左側(cè)參數(shù)設(shè)置處，NAH 模塊對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到該頻段發(fā)動機(jī)噪聲分布情況。

1800r/min（扭矩為350N·m）工況下，通過時(shí)頻域模塊分析可得：發(fā)動機(jī)噪聲能量主要分布（160～300）Hz，（400～700）Hz，（1100～1600）Hz 等范圍內(nèi)。在（160～300）Hz 范圍內(nèi)，從全息圖上可知聲壓級較大位置位于發(fā)動機(jī)油底殼位置；（400～700）Hz 范圍內(nèi)，從全息圖上可知聲壓級較大位置位于發(fā)動機(jī)帶輪端，兩者主要由油底殼的振動產(chǎn)生；在（1100～1600）Hz 范圍內(nèi)，從全息圖上可知聲壓級較大位置位于發(fā)動機(jī)帶輪端及發(fā)電機(jī)位置，主要由帶輪嚙合和發(fā)電機(jī)產(chǎn)生。

3000r/min（扭矩為220N·m）工況聲壓分布圖，如圖13 所示。給出了3 個(gè)頻率段聲壓級分布圖。通過時(shí)頻域模塊分析可得：（1）發(fā)動機(jī)噪聲能量主要分布在（0～500）Hz，（500～800）Hz，（1100～1250）Hz 等范圍。在（0～500）Hz 范圍內(nèi)，從全息圖上可知聲壓級較大位置位于氣缸蓋罩靠帶輪側(cè)、氣缸蓋罩四缸位置，主要由皮帶高速運(yùn)轉(zhuǎn)、四缸處的激勵而向外輻射噪聲；在（500～800）Hz，帶輪端、下缸體二缸與三缸之間產(chǎn)生較大噪聲；在（1100～1250）Hz 范圍內(nèi)，從全息圖上可知聲壓級較高位置位于發(fā)電機(jī)及帶輪端、下缸體二三缸之間。

圖13 發(fā)動機(jī)進(jìn)氣側(cè)不同頻段聲壓分布圖Fig.13 Sound Pressure Distribution Map of Different Frequency Bands on the Engine Intake Side

讓發(fā)動機(jī)從怠速運(yùn)行到最高轉(zhuǎn)速，尋找發(fā)動機(jī)的最大聲壓級出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)主推力側(cè)在3600r/min 頻域范圍為（1410～2820）Hz 時(shí)出現(xiàn)了最大聲壓級128.08dB，出現(xiàn)最大聲壓級的位置是：中冷前進(jìn)氣管中段和排氣管引出段部分，如圖14 所示。

圖14 主推力側(cè)最大聲壓級位置分布圖Fig.14 Location of the Maximum Sound Pressure Level on the Main Thrust Side

同樣地，尋找發(fā)動機(jī)前端出現(xiàn)最大聲壓級的位置，發(fā)動機(jī)曲軸前端的水泵惰輪和燃油泵惰輪在3600r/min 頻域范圍為（1410～2820）Hz 時(shí)出現(xiàn)了最大聲壓級127.81dB，如圖15 所示。

圖15 發(fā)動機(jī)前端最大聲壓級位置Fig.15 Maximum Sound Pressure Level Location of Engine Front End

6 結(jié)論

（1）開發(fā)的噪聲測試與分析系統(tǒng)，由硬件結(jié)構(gòu)和軟件模塊組成，軟件模塊包括傳聲器標(biāo)定模塊、信號采集模塊、時(shí)頻域分析模塊、NAH 模塊、9 點(diǎn)聲功率級模塊，模塊化的開發(fā)讓后續(xù)基于本系統(tǒng)的功能擴(kuò)展變得容易；該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識別發(fā)動機(jī)的噪聲產(chǎn)生位置及噪聲幅值。

（2）系統(tǒng)NAH 模塊可以對聲源進(jìn)行識別及定位，依據(jù)噪聲可視化分析，能有針對性地降低柴油機(jī)的噪聲幅值。

（3）相比于低轉(zhuǎn)速工況，高轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)噪聲幅值明顯變大，且柴油機(jī)表面出現(xiàn)更多高分貝噪聲輻射區(qū)域。