引入声全息技术的发动机噪声源识别试验研究

王守健，万里翔，杨明亮，高思奇，苏瑞强，丁渭平

（西南交通大学 机械工程学院，成都 610031）

引入声全息技术的发动机噪声源识别试验研究

王守健，万里翔，杨明亮，高思奇，苏瑞强，丁渭平

（西南交通大学 机械工程学院，成都 610031）

针对某型3缸汽油发动机运用声全息技术进行发动机噪声源识别。首先在台架上对发动机进行1m声压级瞬态测试，由此确认进气侧的噪声辐射最大。然后在进气侧进行声全息试验，通过分析声压云图和噪声频谱，识别出该发动机进气侧的主要噪声源位于发电机处，噪声峰值频带为1 000 Hz～2 500 Hz。为了确定噪声源具体位置，结合近场声压法和表面振动法，在声全息识别出的主要噪声源位置进行补测试验，发现发电机的振动和近场噪声峰值频带均与1 000 Hz～2 500 Hz重合，由此可以确定该发动机进气侧的主要噪声源是发电机。综合运用声全息技术和传统的噪声源识别方法对发动机进行噪声源识别试验，不仅可以提高传统识别方法的效率，还可以弥补声全息技术精度不高的缺陷。

声学；发动机噪声；声全息技术；近场声压法；表面振动法；噪声源识别

发动机噪声作为汽车的主要噪声源，已经成为影响汽车舒适性的主要原因。随着现代汽车工业的竞争日趋激烈，越来越多的汽车制造商开始关注如何降低发动机噪声。降低发动机噪声的首要条件是识别出发动机的主要噪声源，才能有的放矢地开展降噪工作[1]。通常，发动机噪声源识别是对发动机表面辐射噪声源的定位，现代发动机表面辐射噪声的能量主要集中在高频段[2]，可通过一些试验方法，分别找出发动机上各个主要噪声源位置，以及其所对应的噪声贡献量，进而针对性地采取降噪措施。发动机噪声源识别方法主要有：分部运转法、近场声压法[3]、声强法[4–7]和表面振动法[8–10]。

其中，分部运转法需要去除发动机可能为噪声源的部件，测试去除前后的噪声，并用能量法相减便可得到去除部件的噪声贡献量[2]，测量结果较为准确，但是该方法的测试周期较长，需要不停地拆装发动机部件，容易在拆装过程中引起新的噪声源。声强法对测试环境要求低，测量结果较为准确，但是数据后处理较为繁琐，耗时较长[4]。近场声压法需要在发动机可能为噪声源的位置，距离发动机表面5～15 cm处布置传声器[3]，该方法通常使用的传声器个数为十个以上，当布置传声器的数量较多时，测量结果较为准确，但是试验过程较为繁琐，数据分析工作量较大，效率较低。表面振动法虽然可以实现结构辐射声源的识别，但是其测量步骤和近场声压法相似，需要在可能为噪声源的部件上布置传感器，工作量较大。

随着技术的发展，声全息技术由于具有测量速度快、成像效率高和空间分辨率好等诸多优势，在汽车、航空、列车等领域的噪声源识别等方面得到了广泛应用[11–13]。但是，发动机是三维立体结构，而声全息技术是平面成像，一次只能对发动机的一个面成像，成像结果也只是噪声源的二维位置，不能精确到发动机的具体部件上。

综上所述，为了提高传统噪声源识别技术的试验效率和声全息技术的识别精度，以某型3缸涡轮增压发动机为研究对象，运用声全息技术辅助传统噪声源识别方法，设计并进行了发动机台架噪声源试验。

1 噪声源识别试验方法

1.1 被测发动机参数

被测发动机为3缸汽油发动机，其相关参数见表1。

表1 被测发动机参数

1.2 声学环境

噪声源识别试验在标准的发动机NVH半消声室内进行，其天花板及四周墙壁均安装有消声材料，地面为平整水泥地面，室内背景噪声小于20 dB (A)。发动机安装在NVH试验台架上，并安装正常运转必要的附件，如起动机、发电机、皮带、助力泵等。测试过程中，冷却水温控制在85℃±5℃范围内，并且屏蔽进排气管口噪声，进气管路、台架支撑腿等用吸音材料包裹。

1.3 试验设备

试验采用LMS公司的LMS Testlab数据采集分析软件、LMS SCADAS Mobile数据采集前端、BSWA传声器、PCB振动加速度传感器、Head acoustic camera、48通道麦克风阵列、信号放大器和Noise Image声学照相分析软件，以及笔记本电脑一台，如图1所示。

图1 测试系统示意图

1.4 噪声源识别试验

为了将发动机的主要噪声源识别出来，设计了针对发动机台架试验的噪声源识别方法，试验流程如图2所示。

图2 发动机台架噪声源识别流程框图

首先是利用四个传声器布置在发动机排气侧、前端面、进气侧和顶部正对发动机中心1 m处，如图3所示，测量发动机的瞬态升速噪声，测试工况为满负荷，发动机转速为1 200 r/min～5 500 r/min。其中1 200 r/min为该发动机在台架上的最小稳定转速，5 500 r/min为该发动机额定功率所对应的转速。

图3 1 m声压级测试示意图

测试结果如图4所示，从图中可以看出，四个面的噪声以顶部噪声为最低，进气侧噪声在1 500 r/min～2 500 r/min范围异常偏高，其噪声水平相比其他各面最多高出约4 dB(A)。

图4 1 m声压级测试结果

由此可以看出，如果要对该发动机降噪，首先应该解决进气侧噪声偏高的问题。因此，噪声源识别试验选定为发动机进气侧，如图5所示安装48通道麦克风阵列，并按照图1来连接设备，测试工况为发动机满负荷，转速为2 000 r/min。

图5 声学照相测试示意图

2 试验结果分析

按照上述试验方法，得出发动机在要求工况下的原始信号如图6所示，对其进行FFT变换和1/3倍频程计算后的结果如图7。

从图7中可以直观地看出噪声频率在1 000 Hz～2 500 Hz频率范围比其他频段的能量更集中，其幅值最大，因而可以得出影响进气侧噪声偏大的噪声频率主要集中在1 000 Hz～2 500 Hz频率范围。图8为根据Noise Image软件绘制的发动机进气侧声压云图，图中很直观地描绘了发动机主要噪声源的位置。

图6 发动机进气侧噪声原始测量信号

图7 发动机进气侧噪声A计权1/3倍频程图

图8 发动机进气侧声压云图

从图中可以看出，该发动机进气侧有一个主要噪声源，其位置位于发电机处。通过提取主要噪声源噪声频谱（见图9）可以看出，该位置的的噪声峰值频率也处在1 000 Hz～2 500 Hz频率范围。

图9 发动机主要噪声源的噪声频谱

由此可以得出该发动机进气侧的噪声最大，同时其主要噪声源位于发电机处，并且辐射噪声的能量主要集中在1 000 Hz～2 500 Hz频率范围。该结果还不能充分说明噪声源的三维空间位置，从图8可以看出发动机在该位置有两个部件，分别为发电机和缸体。为了确定噪声源位置与其对应的峰值频带，特此在发电机和进气侧缸体上布置三向加速度传感器，如图10所示，并在发电机近场15 cm处布置传声器，如图11所示，按照相同工况试验。

图10 振动点布置示意图

图11 发电机近场噪声布置图

对测试结果进行FFT变换得到图12的结果。从图中可以看出发电机的振动信号频率与噪声信号频率成分较为相似，在1 000 Hz～2 500 Hz范围均有较大峰值。对发电机的振动和近场噪声的频域信号做相干变换，如图13所示。

造成振动和噪声最大的主要频率的相干性达到89%。由此可知，发电机的振动和噪声频率特性具有很强的相关性。发电机的噪声主要是由于其振动所产生。

图12 补测试验测试结果

图13 发电机振动和噪声的相干分析

由此可以确定发动机进气侧的主要噪声源为发电机，其对应的噪声峰值频带为1 000 Hz～2 500 Hz，并且主要集中在1 627 Hz。

3 结语

(1)通过利用声全息技术对发动机进气侧进行噪声源识别，可以确认主要噪声源位于发电机处，峰值频带范围为1 000 Hz～2 500 Hz。

(2)结合近场声压法和表面振动法，在声全息识别出的主要噪声源位置进行补测试验，发现发电机的振动和近场噪声峰值频带均与1 000 Hz～2 500 Hz重合，进行相干性分析可以确定该发动机进气侧噪声源是发电机。

(3)综合运用声全息技术和传统的噪声源识别方法（近场声压法和表面振动法）对发动机进行噪声源识别试验，不仅可以提高传统识别方法的效率，还可以弥补声全息技术精度不高的缺陷。

[1]LU M H,JEN M U.Source identification and reduction of engine noise[J].Noise Control Engineer Journal,2010, 58(3):251-258.

[2]钱人一.汽车发动机噪声控制[M].上海：同济大学出版社，1997：153-165.

[3]WANG S,WANG Z,CHEN L,et al.Study on the identification of noise sources and reducing[J].Informatics in Control,Automation and Robotics, 2011,132:213-219.

[4]赵骞，徐林玉，郝志勇.汽油机噪声源识别及噪声控制研究[J].内燃机工程，2005，25(5)：42-45.

[5]徐林玉，杨云，赵骞.汽车整车噪声源分析及降噪措施研究[J].天津汽车，2003(2)：19-37.

[6]王之东，沈颖刚，毕凤荣.基于声强法识别柴油机表面辐射噪声源的研究[J].噪声与振动控制，2008，28(5)：182-184.

[7]ZHANG B C,LI P,DENG X X,et al.Investigation on major noise sources of vehicle diesel engine based on sound intensity measurement[J].Journal of Measurement Science and Instrumentation,2011,(7):213-216.

[8]郝志勇，刘月辉，毕凤荣，等.乘用车柴油机噪声识别方法的试验研究[J].内燃机学报，2004，22(2)：150-154.

[9]李玉军，杨建国.基于表面振动法的柴油机辐射噪声测量和分析[J].噪声与振动控制，2007，27(2)：71-74.

[10]梁兴雨，舒歌群.柴油机噪声源的识别及降噪研究[J].兵工学报，2006，27(4)：587-591.

[11]褚志刚，杨洋.基于波束形成缩放声强的声源局部声功率计算[J].声学学报，2013，38(3)：265-271.

[12]邓江华，顾灿松，刘献栋，等.基于声阵列技术的汽车噪声源识别贡献量分析[J].振动工程学报，2010，23(6)：630-635.

[13]DONAVAN P R,RYMER B,BLAKE W.Localization of truck noise sourcesunderpassby conditionsusing acoustic beamforming methods[J].SAE International Journal of Commercial Vehicles,2009,2(1):128-139.

Experimental Study on Engine Noise Source Identification Based onAcoustic Holography

WANG Shou-jian,WAN Li-xiang,YANG Ming-liang,GAO Si-qi,SU Rui-qiang,DING Wei-ping
(School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Acoustic holography technique is applied to the experiment of noise source identification for a 3-cylinder gasoline engine.First of all,the transient 1m sound pressure level of the engine is tested.It is found that the noise radiation on the intake side is the largest.Then,acoustic holography test is carried out in the intake side.By analyzing the sound pressure nephogram and noise spectrum,it is found that the main noise source of the intake side locates in the generator area and the frequency band is between 1 000 Hz and 2 500 Hz.Afterward,a new experiment method combining near-field sound pressure method with surface vibration method is employed in the generator area to identify the precise location of the main noise source.The result shows that both the frequency bands of vibration peak and noise peak are all between 1 000 Hz-2 500 Hz that is the same as the frequency band detected by acoustic holograph method.It proves that the main noise source on the intake side is the generator.It is concluded that combining acoustic holography technique with traditional noise source identification methods can raise the efficiency of noise source identification and remedy the defect of low precision of identification in acoustic holography technique.

acoustics;engine noise;acoustic holography;near-field sound pressure method;surface vibration method; noise source identification

U464；TB52

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.03.041

1006-1355(2017)03-0203-04+215

2017-01-13

2016年中央高校基本科研业务费理工类科技创新资助项目(2682016CX032)；2015年四川省科技计划资助项目(2015GZ0126)

王守健(1991－)，男，四川省雅安市人，硕士生，主要研究方向为汽车噪声与振动。

杨明亮，男，四川省资阳市人，博士，工程师。E-mail:yml@swjtu.edu.cn