基于質點振動速度聲全息圖的裝載機噪聲優化

郭彬，金釗，袁帥，李艷君

1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東濰坊 261000；2.濰柴動力股份有限公司,山東濰坊 261000

0 引言

裝載機的噪聲分司機位置處噪聲和機外輻射噪聲兩種。司機位置處噪聲影響駕駛員的操作舒適性，增加駕駛員的疲勞感。機外輻射噪聲會造成環境公害，干擾機器附近人們的正常工作與休息。其噪聲源主要為發動機，而發動機的噪聲主要有燃燒噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲[1]。在噪聲傳遞路徑中，發動機艙對噪聲的包覆起重要作用，其表面結構復雜，聲輻射強度分布大小不一致。

近場聲全息技術包含眾多先進的算法，如Fourier變換法[2]、等效源法[3]、分布源邊界點法[4]、HELS法[5]等，這些算法都是基于聲壓測量技術對聲場進行重建，由于傳聲器距聲源較近，極易產生嚴重的反射、衍射現象，導致誤差過大。而通過測量質點振速進行聲場重建，由于傳感器本身尺寸較小，聲反射和衍射造成的影響較小，測量效果精度高。

某50裝載機樣車在進行噪聲試驗時發現機外輻射噪聲超標，本文通過Microflown公司的PU聲學傳感器對發動機艙進行聲學掃描，得到其表面聲質點速度分布，形成聲全息圖像，在聲輻射較高的部位相應增加隔聲措施，從而達到降噪的目的。

1 基于質點振動速度測量的近場聲全息重建

假設介質為理想流體，基于聲壓測量的常規近場聲全息重建公式[6-7]為：

P(kx,ky,zS)=P(kx,ky,zH)e-ikz(zH-zS)

(1)

式中：k為聲波數，k=ω/c=2π/λ，λ為特征波長，c為聲速；

kx,ky分別為沿x,y方向上的波數；

zH為全息測量面z方向坐標；

zS為重建面z方向坐標；

P(kx,ky,zH)為波數域全息復聲壓；

kz為z方向波數，其中

(2)

Euler計算公式為：

(3)

式中:ρ為介質密度；

u(x,y,zH)為全息面質點振速。

對式(3)兩邊進行傅里葉變換得到：

P(kx,ky,zH)=ρωU(kx,ky,zH)/kz

(4)

將式(4)代入式(1)得到基于質點振動速度的近場聲全息重建公式：

P(kx,ky,zS)=ρωU(kx,ky,zH)eikz(zH-zS)/kz

(5)

將式(5)進行逆傅里葉變換，即可得到重建面上的空間域聲場。

2 整車噪聲優化試驗

2.1 整車噪聲摸底

進行裝載機原始噪聲試驗可對裝載機的現有噪聲水平進行摸底，確定降噪目標。某50裝載機匹配6缸10 L柴油機，額定功率162 kW，額定轉速2 200 r/min，最高空車轉速2 400 r/min，對其進行噪聲性能優化。

首先在整車定置狀態下，按照GB/T 25612—2010《土方機械 聲功率級的測定 定置試驗條件》及GB/T 25614—2010《土方機械 聲功率級的測定動態試驗條件》進行噪聲測量，由于試驗條件有限，高空點未進行測試。某裝載機外輻射噪聲試驗結果見表1，機外輻射噪聲超標1 dB(A)。

表1 某裝載機機外輻射噪聲試驗結果 單位:dB(A)

對定置工況下各測點進行頻譜分析，確定最大噪聲所在頻段。如圖1所示，機外輻射噪聲貢獻量最大頻段為1 600 Hz，其次為800 Hz頻段，根據降噪原則，優先進行1 600 Hz頻段的降噪工作。經分析確定1 600、800 Hz頻段噪聲主要來源于工作泵的齒輪嚙合，由于改進齒輪難度大、成本高，本文通過優化傳遞路徑的方式進行降噪。

圖1 噪聲測點1/3倍頻程

2.2 發動機艙聲學掃描

Microflown公司的PU聲學成像設備由數采前端、攝像頭、PU傳感器等部件組成。對試驗裝載機發動機艙左右兩側進行聲學掃描，由于面積過大，將每側分成4個部分進行測試，圖2為發動機艙表面分區。

圖2 發動機艙表面分區

分別對左右兩側共8個表面進行聲全息重建，并取1 600 Hz頻段(±50 Hz)進行分析。圖3為發動機艙右側聲全息重建圖，圖中顏色較深的區域代表聲輻射較大，較淺的區域代表聲輻射較小。

圖3 發動機艙右側聲全息重建圖

圖4為發動機艙左側聲全息重建圖。

圖4 發動機艙左側聲全息重建圖

根據聲全息圖像，可以得到噪聲能量輻射大的區域，在相應區域增加消聲棉，減小噪聲輻射，從而達到降噪的目的，本文采用PU-聚氨酯發泡消聲棉，在1 600 Hz頻段消聲率可以達到95%(試驗室數據)，其消聲率曲線如圖5所示。

圖5 PU-聚氨酯發泡消聲棉消聲率曲線

2.3 優化驗證

根據上述試驗結果，增加消聲棉后對發動機艙表面重新進行聲學掃描，右、左兩側各掃描面聲輻射全息圖對比結果如圖6和圖7所示。圖中上半部分為原始狀態，下半部分為增加消聲棉后狀態。

圖6 發動機艙右側加消聲棉前后聲全息重建圖

圖7 發動機艙左側加消聲棉前后聲全息重建圖

在噪聲能輻射大的區域增加了消聲棉后，1 600 Hz頻段下上述區域輻射能量明顯下降，對優化后的整車按照國標重新進行噪聲測試，與優化前進行對比，結果見表2。優化后整車機外輻射噪聲下降1.4 dB(A)，達到113 dB(A)，符合國家標準，降噪措施起到了很好的效果。

表2 某裝載機機外輻射噪聲優化前后對比 單位:dB(A)

3 結束語

本文針對某50裝載機機外輻射噪聲超標，提出了采用基于質點振動速度的聲全息成像降噪方法。通過PU聲學傳感器掃描發動機艙表面進行聲全息圖像重建，判斷出發動機艙表面聲輻射大的位置，并在相應頻段下進行了增加消聲棉的聲學處理，并比較了處理前后發動機艙表面聲輻射全息圖，其輻射能量大幅下降，最終整車機外輻射噪聲下降1.4 dB(A)，滿足國標要求。