柴油机表面辐射噪声源识别与降噪研究*

刘 帅，王 忠，王 林，查 红，赵 洋

(1.江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013； 2.南京依维柯汽车有限公司发动机分公司，南京 210012)

2016174

柴油机表面辐射噪声源识别与降噪研究*

刘 帅1，王 忠1，王 林2，查 红2，赵 洋1

(1.江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013； 2.南京依维柯汽车有限公司发动机分公司，南京 210012)

表面辐射噪声是除空气动力性噪声外柴油机的主要噪声源。采用近场声压法和表面振速法进行试验，以识别柴油机的主要辐射噪声源，探讨了不同工况下，各辐射噪声源对总噪声的贡献率。研究了两种不同组合吸声材料对柴油机辐射噪声的影响规律，探讨了正时齿形带罩盖和机体的结构改进的降噪效果。结果表明，喷油泵、油底壳和正时齿形带罩盖为柴油机的主要辐射噪声源，对整机噪声的贡献率达70%左右；随着柴油机转速的降低，材料的吸声性能下降，海绵在里层时对辐射噪声的控制效果较好，吸声材料主要吸收31.5～100Hz的低频段噪声的声能量；正时齿形带罩盖和机体结构改进，降低了中、高频率段的噪声声压级和近场噪声；综合运用降噪措施，可使柴油机整机辐射噪声，在标定工况、最大转矩工况和怠速工况下分别降低1.2，1.4和1.3dB(A)。

柴油机；辐射噪声；噪声源识别；降噪效果

前言

柴油机噪声激励主要来自空气动力学效应、燃烧压力震荡和零部件振动与冲击产生的机械噪声等。燃烧噪声和机械噪声主要以结构振动的形式向外传递，激发起空气质点的振动而形成声波向外辐射。表面辐射噪声是除空气动力性噪声外柴油机的主要噪声源[1-3]。

国内外学者已经围绕柴油机表面辐射噪声源识别与降噪问题，开展了相关研究。文献[4]中采用近场声强法识别了柴油机的主要噪声源，结果表明，当柴油机在2 100r/min全负荷运转时，油底壳辐射噪声声强级达到108.8dB(A)，对整机噪声贡献率为47%，是柴油机最主要的噪声源，柴油机前端面对整机噪声贡献率为20%，是柴油机另一个主要噪声源。文献[5]中采用小波变换的方法分析了直喷柴油机工作过程中的辐射噪声，结果表明，机械振动和缸内压力影响噪声产生，机械振动对噪声的贡献率随转速的提高而增大，减少喷油量可以减小机械振动对噪声的贡献率。文献[6]中采用有限元与声学边界元仿真相结合的方法，对柴油机油底壳进行了低噪声改进设计，结果表明，油底壳改进后，最大声压增加，辐射面积大幅减小，在3 000Hz以内，油底壳的总辐射噪声声功率级从改进前的101.0降低到改进后的97.8dB(A)。文献[7]中对附加自由阻尼和复合阻尼的柴油机薄壁件进行了声辐射效率的试验研究，结果表明，自由阻尼材料不能很好地起到阻尼减振作用，在中低速运转时，复合阻尼减振钢板对降低柴油机薄壁件表面噪声辐射影响大。

本文中采用近场声压法和表面振速法进行试验，识别了柴油机的主要噪声源，分析了不同零部件的噪声贡献率。探讨了不同吸声材料对柴油机噪声的降低效果，对正时齿形带罩盖和机体进行了结构改进，分析了改进前后噪声的变化规律。

1 噪声源识别

1.1 识别设备

用于噪声源识别的是一台直列四缸增压中冷柴油机，其主要技术参数见表1。试验采用丹麦B&K公司生产的声学采集处理系统，如图1所示。

试验在半消声噪声实验室进行。柴油机安装在弹性地基上，通过弹性联轴器与电力测功器相连，排气管包裹吸声材料，拆除柴油机冷却风扇，试验现场如图2所示。

表1 柴油机主要技术参数

图1 声学测量仪器

图2 柴油机试验台架

1.2 识别方案

根据柴油机的运行状态，结合文献[8]～文献[12]中的研究，确定了14个零部件作为研究对象，柴油机在标定工况、最大转矩工况和怠速工况运行，测量了各零部件的近场噪声声压级，根据能量叠加法则得到对整机噪声的贡献率。传声器探头离被测物表面的距离为50mm。

14个近场测点位置为：1-气缸罩左端，2-气缸罩中端，3-气缸罩盖右端，4-气缸罩侧端，5-燃油泵，6-附件箱，7-油底壳侧面，8-正时齿形带罩盖上端，9-正时齿形带罩盖中端，10-正时齿形带罩盖下端，11-机体，12-增压器，13-起动电机，14-空气滤清器外壁。

在柴油机气缸罩盖、正时齿形带罩盖、油底壳和机体表面布置振动测点[13]，如图3所示。振动测试分析系统主要包括加速度传感器、电荷放大器、采集仪和频谱分析软件，表面振动测量采用压电晶体加速度计。柴油机在标定工况、最大转矩工况和怠速工况运行时，采集各测点表面振动速率，结合近场声压识别出柴油机主要辐射噪声源。

图3 表面振动测点

1.3 主要噪声源确定

图4为柴油机在不同工况运行时，各个测点的噪声声压级测量值。由图可见，柴油机在标定工况运行时，燃油泵、附件箱、油底壳、正时齿形带罩盖下端和起动电机的噪声声压级高于其他测点，其中，燃油泵的噪声声压级最大，达到109.9dB(A)，噪声最低的为空气滤清器外壁；最大转矩工况下，燃油泵和正时齿形带罩盖下端噪声值最大，达到101.7dB(A)；柴油机在怠速工况运行时，气缸罩侧端、燃油泵、正时齿形带罩盖中端与下端和柴油机机体的噪声声压级高于其他测点，附件箱、油底壳、正时齿形带罩盖上端和增压器为次要噪声源。

图4 不同工况近场测点噪声声压级

图5 不同部件近场振动速度

图5为柴油机在不同工况运行时，不同部件的近场振动速度。由图可见，随着柴油机转速的降低，各部件表面振动速度下降，降幅达13～16mm/s；各部件中，气缸罩盖的振动速度最大，在标定工况，达到35.8mm/s，油底壳振动速度最小；比较各部件在不同工况的差值可以看出，随着柴油机转速的提高，气缸罩盖和机体表面振动速度的差值最大，达到8mm/s左右，原因主要是随着柴油机转速的提高，最大爆发压力升高，燃烧压力波对气缸罩和机体的敲击压力增大，表面的振动速度加大。

综合比较近场声压法和表面振速法的识别结果可见，燃油泵、气缸罩盖、正时齿形带罩盖、机体和油底壳为柴油机的主要噪声源，结合客观条件，本文中将围绕气缸罩盖、正时齿形带罩盖和机体的噪声控制展开研究。

1.4 噪声贡献率

声压级作为对数单位，须按能量相加原则进行叠加。假设存在噪声源A和B，A点声压级大于B点声压级，A点和B点的噪声值相互叠加后得到的合成声压级应为

(1)

式中：Lp∑为叠加后总声压级；LpA为A点噪声声压级；pA和pB为A点和B点的声压值；p0为听阈声压。

将式(1)变形可以得到

Lp∑=LpA+10lg[1+10-(LpA-LpB)/10]

(2)

由式(2)可见，声压级不同的两个噪声源，合成后的噪声声压级应是较大的噪声源声压级加一个增加值，增加值是两个噪声源噪声分贝值差数的函数。根据式(1)和式(2)，结合近场声压的测量结果，分析了标定工况、最大转矩工况和怠速工况时，各零部件对柴油机的噪声贡献率。

图6 各零部件对柴油机噪声贡献率

图6为柴油机按不同工况运行时，主要零部件噪声对整机噪声的贡献率。由图可见，柴油机在标定工况运行时，噪声声压级最大的燃油泵对整机噪声声压级的贡献率达到36%，附件箱产生的噪声占整机噪声的贡献率达到22%；柴油机在最大转矩工况下运行时，油底壳辐射噪声和曲轴旋转产生的噪声对整机噪声的贡献率皆为30%；柴油机在怠速工况运行时，曲轴旋转产生的噪声对整机噪声的贡献率达36%，机体辐射噪声的贡献率为21%。

2 降噪措施研究

2.1 覆盖吸声材料

试验选用两种不同组合方式的复合吸声材料，第一种组合方式外层和中间层为阻尼橡胶，里层为吸声海绵，第二种组合方式外层和里层为阻尼橡胶，中间层为吸声海绵，如图7所示。

图7 不同组合方式的吸声材料

将复合材料压制成形，安装在柴油机气缸罩盖上端。柴油机从标定工况开始按照外特性运行。近场测点为柴油机气缸罩盖上端左侧测点。

图8为柴油机按照外特性运行时，气缸罩盖覆盖不同复合吸声材料后，罩盖上端和侧端4个测点噪声声压级比较图。由图可见，覆盖复合吸声材料可使气缸罩盖辐射噪声声压级降低2～4dB(A)；使用里层为吸声绵的材料对气缸罩盖辐射噪声的抑制效果更好，噪声可多降低0.5dB(A)；柴油机在标定转速运行时，复合材料的吸声效果最明显，但随着柴油机转速的降低，复合吸声材料的吸声效果下降。

图8 不同工况材料的吸声效果

图9为柴油机在标定工况运行时，气缸罩盖上端覆盖不同吸声材料测点1的1/3倍频程图。由图可见，柴油机在标定工况运行时，在各个频率段，使用复合材料都可以降低噪声声压级；在31.5～100Hz的低频率段复合材料的吸声效果更明显，噪声声压级最大降低了19dB(A)左右；两种复合材料在各个频率段的吸声效果基本一致，主要由于两种复合材料的性质没有变化，只是组合方式发生了变化；第一种材料在各个频率段的降噪效果略好于第二种材料，在频率为500～1 000Hz的中频率段第一种组合方式的复合材料降噪效果明显比第二种组合方式好，最大达到6dB(A)左右。

图9 气缸罩盖覆盖吸声材料频谱图

2.2 正时齿形带罩盖结构改进

正时齿形带罩盖面积大，厚度薄，在柴油机工作时，它剧烈振动并向外辐射噪声，是柴油机的主要噪声源[14]。安装改进后的正时齿形带罩盖，柴油机在标定工况、最大转矩工况和怠速工况运行，测量罩盖近场的噪声声压级，比较结构改进对柴油机噪声的影响。

对正时齿形带罩盖进行结构改进，主要是在罩盖内表面加网状加强筋，增加罩盖厚度，提高罩盖强度和刚度以减小表面振动。

图10为柴油机安装不同正时齿形带罩盖，在标定工况、最大转矩工况和怠速工况下近场测点的噪声声压级。由图可见，柴油机在不同工况时，安装改进的正时齿形带罩盖近场声压级降低1dB(A)左右，说明结构的修改提高了正时齿形带罩盖表面的刚度和强度，使罩盖表面的振动幅度减小，降低了表面辐射噪声。

图10 正时齿形带罩盖结构改进对近场噪声的影响

图11为柴油机安装不同的正时齿形带罩盖，标定工况运行时，近场噪声的1/3倍频程频谱图。由图可见，柴油机在标定工况运行时，各个频率段辐射噪声基本一致；在中、高频率段改进型罩盖的声压级低于原罩盖的辐射噪声，频率越高对总声压级的贡献率越大，改进的罩盖主要降低了高频率段噪声。

图11 罩盖改进对噪声频谱的影响

2.3 机体结构改进

对原机体结构进行了两处修改，一是将机体排气侧中部的加强筋布置方向由斜向改为垂直方向，并增加了加强筋的厚度，二是封闭机体后端主轴承孔上方圆孔。

图12为柴油机分别按照标定工况、最大转矩工况和怠速工况运行时，机体改进前后近场测点噪声声压级的比较。由图可见，柴油机在标定工况运行时，结构改进机体近场测点的噪声声压级降低了2.3dB(A)，在最大转矩工况下，机体结构的改进可以降低2dB(A)的辐射噪声，柴油机在怠速工况运行时，改进结构的机体噪声仅降低0.9dB(A)。可见，随着转速的降低，改进结构对柴油机机体近场噪声的影响减弱。

图12 近场测点声压级比较

图13为柴油机分别按照标定工况和怠速工况运行，机体结构改进前后近场测点噪声1/3倍频程频谱图。由图可见，中、高频率段的噪声占主要部分，通过机体的结构改进降低了中、高频率段的噪声声压级；柴油机按照怠速工况运行时，在各个频率段，机体改进的降噪效果不明显，与近场噪声测量结果一致。

图13 不同工况机体近场的噪声频谱

2.4 综合措施对整机噪声的影响

图14 改进前后整机噪声声功率级比较

使用复合吸声材料覆盖柴油机气缸罩盖，对正时齿形带罩盖和机体进行结构改进，测量了柴油机整机噪声声功率级，与改进前柴油机进行了比较，如图14所示。由图可见，柴油机实施综合降噪措施后，在各个工况，整机噪声声功率级有明显下降，在标定工况降低了1.2dB(A)，最大转矩工况和怠速工况分别降低了1.4和1.3dB(A)，噪声降低的最大值出现在2 000r/min，达到1.5dB(A)，整机噪声降低明显，达到了降低柴油机整机噪声的目的。

3 结论

(1)本文中研究的柴油机，在标定工况运行时，燃油泵、附件箱和油底壳为主要噪声源，燃油泵的辐射噪声占整机噪声的贡献率达到36%；最大转矩工况时，燃油泵和附件箱的声能分别占整机声能的30%；怠速工况时，主要噪声源为正时齿形带罩盖和气缸罩盖。

(2)使用复合吸声材料能够有效控制柴油机表面辐射噪声；里层吸声海绵对噪声的控制效果好；吸声材料主要吸收了31.5～100Hz的低频率段噪声的声能量，在中、高频率段，里层为吸声海绵的效果较好。

(3)正时齿形带罩盖结构的改进降低了中、高频率段的噪声，该柴油机的辐射噪声下降了0.3dB(A)；随着转速的降低，改进结构的机体抑制了中、高频率段的噪声，近场噪声下降。

(4)柴油机气缸罩盖覆盖吸声材料，并改进正时齿形带罩盖和机体，可以明显降低所研究柴油机的整机噪声，降幅达1～1.5dB(A)。

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A Study on Surface Radiation Noise Source Identification and Noise Reduction for Diesel Engine

Liu Shuai1, Wang Zhong1, Wang Lin2, Zha Hong2& Zhao Yang1

1.SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013;2.EnginePlantofNavecoCorporation,Nanjing210012

Surface radiation noise is the main noise source of diesel engine, besides aerodynamic noise. In this paper, tests are conducted with near-field sound pressure method and surface vibration velocity method, to identify the main radiation noise sources of diesel engine. The contribution rates of each noise source to overall noise in the different conditions are investigated. The influences of two different combinations of sound-absorbing materials on the radiation noise of diesel engine are studied and the noise reduction effects of the structural modification of toothed timing belt cover and cylinder block are explored. The results show that the fuel injection pump, oil pan and toothed timing belt cover are the main radiation noise sources of diesel engine, with the sum of contribution rates of their noises to the overall noise of engine reaching about 70%. With the lowering of engine speed, the sound absorbing performance of materials declines, the material with sponge in its inner layer has better control effects of radiation noise, and the sound absorbing material mainly absorbs the sound energy of noises at a low-frequency band of 31.5～100Hz. The structural modification of toothed timing belt cover and cylinder block lower the sound pressure level of noises at medium and high frequency bands and near-field noises. Concurrently adopting various noise reduction measures can lower the total radiation noise of diesel engine by 1.2, 1.4 and 1.3dB(A) in rated condition, maximum torque condition and idling condition respectively.

diesel engine; radiation noise; noise source identification; noise reduction effects

*国家自然科学基金(51376083)、江苏省高校自然科学基金(10KJA470009和13KJA470001)、江苏省2013年度普通高校研究生科研创新计划项目(CXZZ13-0672)、江苏省2014年度普通高校研究生科研创新计划项目(KYLX-10635)和2011年江苏高校优势学科建设工程项目(PAPD)资助。

原稿收到日期为2015年3月18日，修改稿收到日期为2015年9月1日。