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对发动机噪声的分析与控制


对发动机噪声的分析与控制
【摘要】 噪声已经成为评价发动机性能的一项重要指标, 因此对发动机进行噪声分析及控制 的研究具有理论和实践的重要意义。 本文针对了发动机的主要噪声及其产生原因, 通过采用表面振速测量法、 频谱分析法等 对噪声源进行识别,并针对减小发动机噪声问题列出了一些措施。 【Abstract】Evaluation engine noise has beco

me an important indicator of performance, so the engine noise analysis and control research has theoretical and practical significance.

This paper analyzes the engine noise and the main causes of surface velocity measurements, such as spectrum analysis to identify the source of the noise. And reduce the engine noise for a number of measures are listed.
主题词:发动机 噪声 控制技术 社会在不断的进步着,人们对汽车的要求也在进步着,人们已不再单纯的追求汽车的机 动性.安全性等,而更加的注重汽车的舒适性。比如对汽车发出噪声的大小的要求。其实噪 声问题已然成为城市的环保问题, 而城市中噪声大部分都是由于汽车产生的, 汽车噪声是交 通噪声的主要噪声源,它包括发动机噪声、底盘噪声、车轮与路面的摩擦噪声、汽车行驶时 的空气阻力噪声、喇叭噪声以及特种车辆的警报噪声。这些噪声在很大程度上受汽车类型、 行驶工况和路面条件的限制。表1 给出了日本几种车型的车外噪声各噪声源所占比例。 表 1 车外加速噪声各噪声源所占的比例 车型 大型车 客车 中型车 3t 小型车 轿车 噪声 dB % dB % dB % dB % 发动机 76.5 32.5 79.7 68.4 71.0 30.7 73.9 55.3 冷却系 73.0 14.5 40.0 0 40.0 0 68.7 16.7 进气系 70 7.3 67.2 3.8 67.2 12.8 62.8 4.3 排气系 72.5 12.9 72.8 14.0 69.6 22.2 65.8 8.5 传动系 74.0 18.3 — — — — — — 轮胎 73.0 14.5 68.0 4.6 70.0 24.4 68.3 15.2 其他 — — 71.0 9.2 66.1 909 — — 合计 81.4 100 81.4 100 76.1 100 76.5 100

由表可见,发动机占汽车总噪声的比例最大,是汽车的主要噪声源。因此降低发动机噪声 对降低汽车的整体噪声具有决定性的作用。 下面我主要针对发动机产生的噪声问题进行研究探讨。

一 、发动机的噪声源
发动机是存在多个声源的复杂机器。根据发动机的工作原理、工作状态以及有关声学理 论,可将发动机的主要噪声源分为四种:燃烧噪声,机械噪声,进排气噪声和风扇噪声。 。 (1)燃烧噪声 燃烧噪声是在燃烧时, 气缸内压力急剧上升的气体冲击而产生的, 其中包括由气缸内力 剧烈变化引起的动力载荷, 以及冲击波引起的高频振动。 一般认为燃烧噪声经由两条路径传 播并辐射出来。一条是经过气缸套经由气缸体上部向外辐射;另一条是经过曲柄连杆机构, 即活塞、连杆、曲柄和主轴承经由气缸体下部向外辐射。

(2)机械噪声 机械噪声是指内燃机各运动件在工作过程中,由于相互冲击而产生的噪声。内燃机的 机械噪声随着转速的提高而迅速增强。随着内燃机的高速化,机械噪声愈来愈显得突出。机 械噪声包括以下几种: 1)活塞敲缸噪声 活塞对气缸壁的敲击往往是内燃机最强的机械噪声源。由于活塞与 缸壁之间有间隙, 在燃烧时气压及运动惯性力的作用下, 使活塞对缸壁的侧向推力在上下止 点处改变方向,且呈周期性变化,所产生的侧压力敲击不但在上止点和下指点附近发生,而 且也发生在活塞行程的其他位置上,从而形成活塞对缸体的强烈敲击。 2)配气机构噪声 配气机构噪声包括:气门与气门的冲击,气门间隙引起的机械冲击, 配气机构本身在上述周期性冲击力作用下产生震动。 3)正时齿轮噪声 正时齿轮噪声是在齿轮啮合过程中,齿与齿之间的撞击和摩擦产生 的。正时齿轮噪声与齿轮的结构形式、设计参数、制造精度及运转状态有很大关系。 4)不平衡惯性力引起的机械振动及噪声 内燃机中的活塞曲柄连杆机构在运转过程中 将产生往复运动惯性力、 离心惯性力及其惯性力矩。 这些周期性变化的惯性力和惯性力距将 通过曲轴颈传给机体及其支承,引起震动和噪声。 5)喷油泵及其他机械噪声 (3)进排气噪声 进排气噪声是由于发动机在进排气过程中, 气体压力波和气体流动所引起的震动而产生 的噪声。主要包括吸气、排气部位放射出的空气声和排气系统的漏气声。对非增压内燃机来 说,排气噪声最强。进去噪声通常比排气噪声低8~10dB,对于增压内燃机则进气噪声往往 超过排气噪声,而成为最强的噪声源。 (4)风扇噪声 风扇噪声由旋转噪声和涡流噪声组成。旋转噪声是由风扇叶片对空气分子的周期性扰 动而产生的。它的强弱主要与风扇气流速度有关。风扇噪声在空气动力性噪声中,一般都小 于进排气噪声,但由于普通装设空调系统和排气净化装置,冷却风扇负荷加大 ,该噪声变 得更为严重。 对风扇形式、叶片形状、布置及材料的改进,如采用叶片不均匀分布的风扇、用塑料 风扇代替钢板风扇、在车用内燃机上采用风扇自动离合器等措施可取得较好的降低噪声效 果。

二、对汽车发动机噪声源的识别方法
从前 面 的 论述中,我们知道,发动机的结构非常复杂,很多部位都发出一定能量的 噪声,发动机的噪声通常是由很多部件所辐射出的噪声的合成。因此,为了有效地控制发动 机的噪声,识别其主要噪声源是关键问题。只有了解了主要的噪声源所在的位置和特性,抓 住主要矛盾,才可进一步研究有效的噪声控制措施,达到事半功倍的效果。噪声源识别技术 的研究和应用在噪声控制中有重要作用, 近年来, 国内外学者对噪声源的识别技术开展了广 泛的研究,提出了不少很有价值的识别方法,在此我们将做一综述。 所谓噪声源识别, 就是对机器上存在的各种声源进行分析, 了解其产生振动和噪声的机 理,确定振源、声源的部位,分析声源的特性(包括声源的类别、声场的大小、频率特性、 声音变化和传播的规律等),然后按照噪声的大小排出顺序,从而确定出主要噪声源。 噪声源识别的目的在于正确地判断作为主要噪声源的具体发声零部件或主要辐射部位, 为了确定降噪措施,有时还要求对噪声源的特点及其变化规律有所了解,所以,对大多数机 械的噪声控制问题,噪声源的识别有以下两个主要方面:

(1) 确定噪声源的特征,包括声源类别、频率特性、变化规律和传播途径等。 (2) 确定噪声产生的部位,主要的发声部件等以及各噪声源在总声压级中的比重。 噪声源识别的方法,传统的方法有:主观评价法、近场测量法、振动测量法、选择覆盖 法,表面振速测量法等。近年来,由于信号测试分析技术的快速发展,一系列基于信号处理 技术的噪声源识别的信号分析方法得到了极大的发展和应用,如频谱分析法、相千分析法、 倒频谱法、声强法等。下面将对不分方法加以讨论。 一.传统方法 1、振动测量法 测量试验对象表面的振动量, 算出噪声级的方法被称为振动测量法。 测点数和位置根据 测定对象的面积和形状的不同而不同,凭经验决定。外表面振动和噪声的关系如下: L=10lg

∑10
i=1

n

L1 /10

L1 =10lgAV+C
式中: L一从对象表面辐射出的噪声级dB(A);

L1 一 在 测 点 1附 近噪声级的计算值dB(A);
A一 振 动 测 量 的表面积m,; V一 A 特 性 速度 振幅m/s; C一 常 数 ; n一 测 点 数 . 这种方法较易实现,但无实验数据就不能确定C,分析精度比铅板覆盖法低,该法与近 场测量法相结合便于发现主声源。 2、表面振速测量法 对于无衰减的平面余弦波来说,从表面质点的振动速度可以得到面积为5的振动表面辐 射声功率。

Wr = ρ csu ?2σ
式中:

ρ c 一空气的特性阻抗(其中p为空气密度,c为声速);
s一 振 动 表 面 的面积;

u ?2 一质点法向振动速度均方值的时间平均值;

σ 一振动表面的声辐射系数;
W 一振动表面辐射的声功率。
p= ρ c . u 。 表面振速测量法是用测量振动的方法来识别噪声源, 因此没有任何声学环境的要求, 并 可以在现场测量,所以使用起来方便实用。 二.新型方法 1.频谱分析法 这是识别噪声源的基本方法之一,也是最重要的方法。在对噪声的研究中,噪声的频谱 是最主要的测量项目, 它能清晰地表示出一定频带范围内声压的分布情况, 从而使我们能了 解噪声的成分和性质,这就是频谱分析。频谱 分 析 有助于了解声源的性质和识别主要噪
?

声源,频谱中各峰值对应的频率(频带)就是由某种声源产生的,找到了主要峰值对应的声源 (主噪声源),就为噪声控制提供了依据,这就是频谱分析的意义所在。 噪声通常是由大量不同频率的声音复合而成, 要想在人耳可听声的频率范围内对各个不 同频率的噪声逐一进行测量很困难,在实用上,常把声频范围划分为若干个频段,即常说的 频段或频程。每个频程各有中心频率和上、下限频率,上、下限频率之差为频带宽度。 在噪声测量中,最常用的是倍频程和1/3倍频程。倍频程是频率范围上、下限两个频率 之比为2:1的频程,1/3倍频程是把上述一个频程再分成3份后得到的更详细的频程。以所选 用的倍频程或1/3倍频程的中心频率为横坐标,以声压级(或声强级、声功率级)为纵坐标,做 出噪声测量图形,即频谱图,可了解频带声压级在不同频率范围内的分布情况,并据此判断 出噪声的成分和性质。 2.相千分析法 在噪声源识别中可用相干分析法来鉴别噪声功率谱图上的峰值频率和各噪声源频率的 相关程度,以进一步判定主要噪声源。 在相关分析中, 常用互相关函数来描述两随机信号之间的相互关系, 而在解决实际中北 大学学位论文问题中,常常把在时域的互相关函数转换成频域中的互谱密度函数。即

S xy ( f ) = ∫
式中:

+∞

?∞

R (τ )e ?2πτ dτ ;
xy

S xy ( f ) — 随机信号x(t)和y(t)的互谱密度函数; Rxy (τ ) — 随机信号x(t)和y(t)的互相关函数。

按定义:

Rxy (τ ) = lim

1 T →∞ 2T



T

?T

x(t ) y (t + τ )dt

为了表示两随机信号之间的相关程度。常用相干函数法。其表达式为:

r (f)=
2 xy

2 S xy ( f )

Sx ( f )S y ( f )

2 , rxy ( f ) ≤ 1

当x(t)为输入信号,y(t)为输出信号时: 若 rxy ( f ) = 1时,表示y(t)在这个频率上全部是由x(t)引起的。 若 rxy ( f ) = 0时,则表示y(t)在这个频率上与x(t)无关。 当0 < rxy ( f ) <1时,则表示y()t对x(t)的依赖程度,并表示测量时,有外界噪声等其他输入的 影响。 在噪声源识别中也常用相干分析法来鉴别噪声功率谱上的峰值频率和各噪声源的相关 程度,以判断主要噪声源。由于噪声测量中遇到的情况常常不是简单的单输入单输出情况, 而是复杂的多输入多输出清况, 所以在分析时不仅要求各输入输出的常相干函数, 还要求它 的偏相千函数,才能解决问题。
2 2 2

三、噪声控制
1.控制燃烧爆发力和减少不正常燃烧 1) 适当推迟喷油或点火时间 喷油或点火时间推迟,使着火点延迟缩短,喷入气缸的

燃油量减少,燃烧剧烈程度减弱,燃烧噪声减少。 2)选用十六烷值较高的柴油和辛烷值交高的汽油 十六烷值高和辛烷值高的柴油,蒸 发性好,使着火延迟期缩短。 3) 改变燃烧室形式 采用分开式燃烧室和球形燃烧时都能降低燃烧噪声。 因为根据燃烧 规律,它们都能降低压力升高率,减少了燃烧噪声。 2.控制转速及减小惯性力 为提高发动机功率,发动机设计转速不断升高。转速加快,在着火延迟期内形成的混合气数 量增加,燃烧猛烈,噪声增大;同时,活塞平均速度加快,与其相连的零件一起产生周期性 变化的惯性力也会增大,由惯性力激发而引起活塞敲击、轴承撞击、缸盖、机体变形等机械 振动,从而使机械噪声加强。此外,配气机构也将因转速升高、惯性力增大而使气门开闭撞 击声、震动声加大。因此应合理设计发动机转速,减轻活塞等往复运动零件的质量,采用平 衡轴减小惯性力,尽量使发动机平衡,可达到降低噪声的目的。 3.减小配合零件的撞击和振动 由于某些运动件存在着间隙,如活塞与缸壁、气门机构、轴与轴承、齿轮等,在燃烧 爆发力和惯性力的作用下,将引发强烈的撞击和振动,并由此引起内部机构的震动,形成较 大的机械噪声。减少这些配合零件在运动时的撞击和振动,可降低机械噪声。因此,必须正 确的选择运动件间的配合间隙。在维修中,要保持配合副间隙适合、良好的几何精度和尺寸 精度,来减少噪声。 4.采用隔声、防振措施 在机体侧壁加装隔声罩;采用双层油底壳;在客体表面涂敷减振涂层;进排气管设置 防振支承等,可降低噪声。

四、结论

随着发动机功率的不断提高和人们环保意识的增强, 对发动机开展减振降噪工作越来越 迫切。 到目前为止, 主动降噪的研究还处于发展阶段, 距离技术成熟和普及仍有一定的差距, 但也取得了一定的进展。 本文只要研究了以下内容 1. 发动机的噪声源 (1)燃烧噪声 (2)机械噪声 (3)进排气噪声 (4)风扇噪声 2. 发动机噪声的识别方法 (1) 振动测量法 (2)表面振速测量法 (3)频谱分析法 (4)相千分析法 3. 发动机噪声的控制措施 (1) 控制燃烧爆发力和减少不正常燃烧 (2) 控制转速及减小惯性力 (3) 减小配合零件的撞击和振动 (4) 采用隔声、防振措施

参考文献
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