内燃机噪声的研究综述与思考

张博慧 章易程 骆鸿儒 席浩楠 马赛 曾浩洋

摘要： 内燃机是汽车船舶、发电机水泵等机械装备的心脏部件，但在工作时不可避免地会产生噪声，从而对环境、生产和生活等方面造成影响。内燃机噪声是衡量内燃机性能的重要指标之一。通过对国内外现有研究的调查与分析，分析了目前内燃机噪声的研究现状，就内燃机噪声识别、噪声控制两方面的研究进行介绍，最后提出以下研究建议：①通过建立典型零部件噪声特征以方便实际工作中进行内燃机的故障诊断;②通过研究分析声波的负交互作用，以依靠内燃机的自身结构来实现降噪。

Abstract： Internal combustion engine is the heart of mechanical equipments such as automobile， ship， generator and water pump， but it inevitably produces noise when working， which will affect the environment， production and life. The noise of internal combustion engine is one of the important indexes to measure the performance of intern-al combustion engine. Based on the investigation and analysis of the existing researches at home and abroad， the  researches on the noise identification and noise control of internal combustion engine are introduced. The two res- earch suggestions are put forward： ①The noise characteristics of typical parts should be built to distinguish the no- ise source of internal combustion engine; ②The negative interaction of acoustic waves should be studied in order to reduce noise by means of the self-structure of internal combustion engine.

關键词： 内燃机;噪声;综述;思考

Key words： internal combustion engine;noise;overview;consideration

中图分类号：TK411+.6                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）19-0106-03

0  引言

内燃机是各种机械装备重要的动力来源。可是，内燃机在工作时不可避免地会产生噪声，对环境安全和生产生活等方面造成影响，国内外很多学者都对内燃机噪声展开过研究。根据所调研的文献，本文从噪声的识别和控制两个方面对内燃机噪声的研究展开综述，并提出相关的研究建议。

1  噪声识别

噪声识别旨在从复杂声源中区分主要噪声源。根据现有研究，常用的内燃机噪声识别法包括近场声压法、声全息法、小波分析法和声强测量法等。

1.1 近场声压法

通过测量内燃机近场振动表面声压级而估算其表面噪声级的方法，即为近场声压法，该方法因易受干扰而多用于近似性估评[1]。赖少将以转子为研究对象，经实验证明：基于声源成像反卷积法的均匀线性近场声阵列，能够用于内燃机中旋转机械的噪声源识别。吴桂娇指出：采用波束形成法，通过较少传感器就能够利用非规则的随机声阵列识别内燃机噪声的中高频声源，且能针对较大声源面积。张翠青等使用波束形成声源识别算法，对大众2VQS电喷汽油机进行了测试，提出：在构建辅助物理坐标系的基础上采用波束形成算法，可以精确识别噪声源位置。林建生等使用近场声压法测量了一台单缸柴油机表面的线性声功率级，得到其主要噪声源，但指出该方法具有分辨率低、规律性差和总噪声级误差较大的缺点[2]。

1.2 全息法

利用声的强度信息和相位信息对全息面上复声压测量数据进行反演，得到源面上的声压与振速的技术就是全息技术，它是内燃机噪声源识别中常用的方法。郭庆在开展有关近场声全息可视化噪声源识别技术的多项实验后提出：近场声全息方法在低频区域对内燃机噪声源具有良好的识别能力。杜亮提出了一种截止波数选取公式，弥补了传统滤波窗函数截止波数选取的经验公式在信噪比、测量距离和声源频率方面的不足，减小了利用声全息法识别内燃机噪声源的重建误差[3]。褚志刚等综合采用Beamforming（波束形成）和SONAH（统计最优近场声全息）2种阵列的声源识别方法，实现了对柴油机进气侧的噪声在宽频带内的声源识别。王迪等利用基于HELS算法的近场声全息测试系统，对某直列四缸汽油机的噪声进行了测量与分析，得到其在不同工况下辐射噪声的近场全息图。

1.3 小波分析法

由于传统的傅里叶变换无法表现内燃机非平稳信号的时间信息，所以不能用于内燃机噪声源的识别。因此，小波变换因其“调焦”等功能而越来越多地被人们用于内燃机辐射噪声信号的识别。

金岩等从小波变换幅值的时频图上提取了内燃机振动信号的特征，从中识别出不同部件对内燃机表面辐射噪声中不同频率成分的贡献。杨金才等提出了一种连续小波变换的改进算法，可以直接从小波系数形成的云图中识别出内燃机噪声源[4]。梁佳等针对连续小波变换相对于二进离散小波变换和小波包变换，在尺度分辨率方面更精细的优点，研究了C-mor小波变换的修正与证明，经实验证实其能用于内燃机表面辐射噪声源的识别。郝志勇等提出了A计权连续小波变换算法，使得经频率修正后的小波系数更加适合内燃机噪声源识别的实际需要。徐红梅等采用连续小波变换方法，对四缸柴油机的噪声信号进行了时频分析处理，得到噪声信号能量在时频域内的分布规律，及其主要频率成分随转速或时间变化的特性[5]。韩军等提出了在识别内燃机噪声源时，确定小波变换中最大和最小尺度参数等的方法。

1.4 声强测量法

声强法用于噪声源识别时具有不受环境干扰的显著优势，国内外学者已经在该领域进行了大量研究。谢裕智等对一台增压柴油机的噪声进行了声强测试，结合STARAcoustics声强软件确定了噪声源位置、主要噪声频率成分和声功率的贡献。梁杰等使用复声强测试系统对S493Q型柴油机表面进行了噪声源识别，结合测点的声压频谱图得出：进气涡流噪声明显、油底壳辐射噪声值偏高等。王之东等采用声强测量法对柴油机表面辐射噪声进行了测量，通过声强分布云图确定其主要噪声源为：气门室罩、油底壳、增压器和高压油泵[6]。舒歌群等研究了双传声器声强测试技术及其在混响条件下的应用，指出：双传声器声强法具有测量系统相位不匹配误差、有限差分误差及近场误差等。沙云东等在普通内燃机试验间内有效地利用了声强法对内燃机进行噪声测量，并估算出表面辐射的声功率及声能分布。杜宪峰等将声强测量与EMD-ICA模型结合，成功实现了对柴油机噪声源进行分离及特征的提取研究。

2  噪声控制

噪声控制的研究主要是从噪声源、传播途径两方面进行。

2.1 噪声源

对噪声源的控制是最根本有效的措施，根据对现有研究的调查统计，可以从燃烧噪声和机械噪声两部分入手。

2.1.1 燃烧噪声

燃烧噪声来源于气缸內周期性剧烈变化的气体压力，主要取决于燃烧方式和燃烧速度。

王平等通过一系列试验和模拟分析得出：适当的预喷量能够降低压力升高率峰值和高频振荡，能有效控制柴油机燃烧噪声;最佳预喷量与转速成负相关等。姜智超等通过一系列仿真实验证明：利用直喷柴油机电控系统精确控制多次预喷参数及节气门开度，可以明显降低柴油机的燃烧噪声。孔帅针对预混合低温燃烧模式（PPCI-LTC），在仿真环境下得出了柴油机中单缸机控制燃烧噪声的最佳预喷参数及预喷参数。A.J.Torregrosa开展了有关预喷、主喷参数PCCI模式下柴油机燃烧噪声的研究，得出控制效果取决于燃油量等预喷射参数的组合的结论[7]。M.Badami提出，柴油机两次预喷射相较于一次预喷射对燃烧噪声有更好的控制效果。Evangelos G. Giakoumis通过实验证明：增压器滞后、喷油正时和缸套冷却系统都对内燃机燃烧噪声级有较大影响。

2.1.2 机械噪声

机械噪声包括活塞敲击噪声、传动齿轮噪声和配气机构噪声等，主要是由内燃机内部的活塞、气缸套和气缸体等运动零部件，在运转时因受气体压力和运动惯性力的周期性变化而引起的振动或相互冲击导致的。

曾庆钊从内燃机机械噪声的作用机理出发，对其控制要点进行分析后指出：合理控制内燃机与机架连接位置减震块的阻尼和刚度能够有效地从源头上减轻振动所引起的噪声。刘瑞燕等指出，通过安装弹簧、橡胶等隔振材料，能够减弱内燃机壁面与其内部零部件之间的冲击力，从而实现降噪。桂小林等通过实验证明，双平衡轴机构可以降低内燃机振动，且平衡轴平衡率越高，有利于降低噪声。梁兴雨等在研究复合阻尼材料薄壁件的降噪机理后得出：用复合阻尼减振钢板取代普通钢板制作柴油机的油底壳和缸盖罩，能够明显减振降噪。李凯等对某国V柴油机进行机械噪声分解试验后提出：齿轮副的法向侧隙保持在0.25mm以下时，可以使机油泵驱动齿轮副的47阶次噪声降低5-10dBA[8]。王攀等建立了采用四极子脉动球源定量描述内燃机活塞拍击噪声的理论模型，探讨了配缸间隙、活塞销偏移量等参数在不同转速下对活塞拍击噪声的影响规律：减小活塞配缸间隙、减少活塞裙部下段刚度及长度等可以降低活塞拍击噪声。雷鸣在分析影响活塞拍击噪声的主要参数后，得出降低活塞拍击噪声的方法：活塞销轴线偏向主推力面的距离由0.5mm改为1mm、活塞销孔轴线向下平移2mm、活塞裙部下端长度减少0.5mm，及在活塞裙部开槽等。张小明等对单缸内燃机的虚拟样机参数化实体模型进行了动力学仿真分析，在参数优化分析后提出：改变曲柄连杆机构对机体的干扰力和倾覆力矩，可以实现离心惯性力的完全平衡和往复惯性力的部分平衡，从而降低内燃机的机械噪声[9]。

2.2 传播途径

由于不可完全消除相关的振动以及燃烧气流的震荡，从而要做到从噪声源入手来彻底或大幅消除噪声是不可能的，所以，在传播途径上降噪是重要的降噪措施，主要有隔声和吸声两种方法。

2.2.1 隔声

隔声降噪是指在噪声传播的路径上加装隔声罩装置或采取相应的隔振结构，以阻止噪声传播到环境中。

杨昭等设计了一种自带通风系统的隔声罩，经试验证明其与双室抗性消声器配合用于内燃机时具有强大的降噪作用。沈卫东等针对隔声罩的通风散热问题设计出可拆卸的百叶窗式隔声罩，成功用于DF3000型汽油机组的降噪隐身。李艳会在研究KD186F/A型柴油机噪声的产生机理及传播途径后指出：加装局部隔声罩可以减小柴油机表面的辐射噪声。孙雷针设计了一套柴油机隔声罩结构声有源控制设计方案，通过对比控制开启前后的声压频谱，证明该方案可以有效控制低频线谱噪声。袁飞等针对某汽油机减振皮带轮的结构特点设计了一种外层为2mm厚的工程塑料、内部为发泡成型PU材料的隔音罩，经测试证实其可以明显降低800-1600Hz带宽的噪声和机油泵驱动谐次噪声（48阶、56阶等）。李慧等以某船用柴油机为研究对象，通过模型试验证明：加装集成减振隔声装置能够明显提高机脚-基座的横向、纵向及垂向的隔振效果，改善原始单层隔振方案中能量集中频段的噪声。宋宝安等对一台车用大功率涡轮增压中冷柴油机进行了台架试验，得出：用减振钢板取代原普通钢板可以显著降低油底壳及进气管振动水平、改善整体噪声。

2.2.2 吸声

通过增加吸声材料或消声器也是在噪声传播途径上进行降噪的常用方法。

王忠等通过B&K3560噪声测量分析系统对4110Q柴油机各零部件的噪声进行了研究，结果表明：使用由橡胶、多孔泡沫、钢板等3种材料黏结而成的复合材料覆盖油底壳、飞轮壳等表面，能够大量减少整机噪声。许广举等指出：用橡胶/橡胶/吸声棉材料覆盖摇臂罩盖和油底壳，能够明显降低柴油机噪声声压级[10]。谢有浩等在对汽油机现有的抗性消声器、阻性消声器和阻抗复合式消声器进行分析与比较后提出：设计排气消声器时，应充分考虑发动机的主要技术参数、排气管布置与走向、消声器安装位置和空间大小等因素，充分利用有效设计空间来最大限度地满足消声要求。李洪亮等采用调整消声器的穿孔率、孔径等内部结构等方法，把纯抗性消声器改成了阻抗复合型的消声器，经台架试验证明其可使汽油机加速噪声降低2dB（A）。朱世廷等基于BAM（辅助消声器）原理优化了T15汽车中汽油机后的消声器结构：取消进气管中部所有孔，可以消除汽油机在加速时发出的“噗噗”声。王磊等基于消声器的壁面压力分布，设计出一种内插管接扩张孔管的小型方型消声器构型，可以通过改善消声器内部的气流流动、避免气流对壁面冲击的应力集中而降低内燃机噪声。

3  思考

以上对国内外研究现状的阐述说明，内燃机噪声在识别和控制上都取得了理论与实用研究的良好进展，但仍需要在以下几个方面展开进一步研究：

①现有的研究主要是关于噪声识别方法的研究，而关于内燃机内典型零部件噪声特征的研究鲜于报道，为此以后有必要重点研究典型零部件的噪声特征，为工程实际中进行噪声识别提供切实可行的措施。

②现有的研究主要针对于单一噪声源，以后有必要在利用多噪声源声波的负交互作用而降低声强方面进行深入研究，以实现利用自身振动特性进行降噪。

参考文献：

[1]郭永红，郭常立，李杰，等.内燃机噪声源识别与噪声控制技术研究[J].现代制造技术与装备，2009（1）：31-32.

[2]林建生，舒歌群.通过振动表面声强测量识别发动机噪声源[J].小型内燃机，1992（4）：30-34.

[3]杜亮.基于声阵列与声全息的噪声源识别方法研究[D].浙江理工大学，2011.

[4]杨金才，郝志勇，贾维新.用连续小波变换识别内燃机噪声源[J].浙江大学学报：工学版，2006（3）：404-407.

[5]徐红梅，陈传艳.基于连续小波变换的内燃机瞬态工况噪声信号时频特性研究[J].小型内燃机与摩托车，2011（1）：24-26.

[6]王之东，沈颖刚，毕凤荣.基于聲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（5）：182-184.

[7]A.J. Torregrosa， A. Broatch. Sensitivity of combustion noise and NOx and soot emissions to pilot injection in PCCI Diesel engines [J]. Applied Energy 104（2013）：149-157.

[8]李凯，王金立，范习民.某国V发动机噪声优化研究[J].汽车实用技术，2016（10）：53-55.

[9]张小明，冷军发，刘波.基于ADAMS的单缸内燃机动力学分析与研究[J].机械传动，2009（4）：52-54.

[10]许广举，陈庆樟，李学智，等.复合阻尼材料降低柴油机噪声的试验研究[J].机械设计与制造，2015（05）：160-163.