基于质点振动速度声全息图的装载机噪声优化

郭彬，金钊，袁帅，李艳君

1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东潍坊 261000；2.潍柴动力股份有限公司,山东潍坊 261000

0 引言

装载机的噪声分司机位置处噪声和机外辐射噪声两种。司机位置处噪声影响驾驶员的操作舒适性，增加驾驶员的疲劳感。机外辐射噪声会造成环境公害，干扰机器附近人们的正常工作与休息。其噪声源主要为发动机，而发动机的噪声主要有燃烧噪声、机械噪声和空气动力噪声[1]。在噪声传递路径中，发动机舱对噪声的包覆起重要作用，其表面结构复杂，声辐射强度分布大小不一致。

近场声全息技术包含众多先进的算法，如Fourier变换法[2]、等效源法[3]、分布源边界点法[4]、HELS法[5]等，这些算法都是基于声压测量技术对声场进行重建，由于传声器距声源较近，极易产生严重的反射、衍射现象，导致误差过大。而通过测量质点振速进行声场重建，由于传感器本身尺寸较小，声反射和衍射造成的影响较小，测量效果精度高。

某50装载机样车在进行噪声试验时发现机外辐射噪声超标，本文通过Microflown公司的PU声学传感器对发动机舱进行声学扫描，得到其表面声质点速度分布，形成声全息图像，在声辐射较高的部位相应增加隔声措施，从而达到降噪的目的。

1 基于质点振动速度测量的近场声全息重建

假设介质为理想流体，基于声压测量的常规近场声全息重建公式[6-7]为：

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

(1)

式中：k为声波数，k=ω/c=2π/λ，λ为特征波长，c为声速；

kx,ky分别为沿x,y方向上的波数；

zH为全息测量面z方向坐标；

zS为重建面z方向坐标；

P(kx,ky,zH)为波数域全息复声压；

kz为z方向波数，其中

(2)

Euler计算公式为：

(3)

式中:ρ为介质密度；

u(x,y,zH)为全息面质点振速。

对式(3)两边进行傅里叶变换得到：

P(kx,ky,zH)=ρωU(kx,ky,zH)/kz

(4)

将式(4)代入式(1)得到基于质点振动速度的近场声全息重建公式：

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

(5)

将式(5)进行逆傅里叶变换，即可得到重建面上的空间域声场。

2 整车噪声优化试验

2.1 整车噪声摸底

进行装载机原始噪声试验可对装载机的现有噪声水平进行摸底，确定降噪目标。某50装载机匹配6缸10 L柴油机，额定功率162 kW，额定转速2 200 r/min，最高空车转速2 400 r/min，对其进行噪声性能优化。

首先在整车定置状态下，按照GB/T 25612—2010《土方机械 声功率级的测定 定置试验条件》及GB/T 25614—2010《土方机械 声功率级的测定动态试验条件》进行噪声测量，由于试验条件有限，高空点未进行测试。某装载机外辐射噪声试验结果见表1，机外辐射噪声超标1 dB(A)。

表1 某装载机机外辐射噪声试验结果 单位:dB(A)

对定置工况下各测点进行频谱分析，确定最大噪声所在频段。如图1所示，机外辐射噪声贡献量最大频段为1 600 Hz，其次为800 Hz频段，根据降噪原则，优先进行1 600 Hz频段的降噪工作。经分析确定1 600、800 Hz频段噪声主要来源于工作泵的齿轮啮合，由于改进齿轮难度大、成本高，本文通过优化传递路径的方式进行降噪。

图1 噪声测点1/3倍频程

2.2 发动机舱声学扫描

Microflown公司的PU声学成像设备由数采前端、摄像头、PU传感器等部件组成。对试验装载机发动机舱左右两侧进行声学扫描，由于面积过大，将每侧分成4个部分进行测试，图2为发动机舱表面分区。

图2 发动机舱表面分区

分别对左右两侧共8个表面进行声全息重建，并取1 600 Hz频段(±50 Hz)进行分析。图3为发动机舱右侧声全息重建图，图中颜色较深的区域代表声辐射较大，较浅的区域代表声辐射较小。

图3 发动机舱右侧声全息重建图

图4为发动机舱左侧声全息重建图。

图4 发动机舱左侧声全息重建图

根据声全息图像，可以得到噪声能量辐射大的区域，在相应区域增加消声棉，减小噪声辐射，从而达到降噪的目的，本文采用PU-聚氨酯发泡消声棉，在1 600 Hz频段消声率可以达到95%(试验室数据)，其消声率曲线如图5所示。

图5 PU-聚氨酯发泡消声棉消声率曲线

2.3 优化验证

根据上述试验结果，增加消声棉后对发动机舱表面重新进行声学扫描，右、左两侧各扫描面声辐射全息图对比结果如图6和图7所示。图中上半部分为原始状态，下半部分为增加消声棉后状态。

图6 发动机舱右侧加消声棉前后声全息重建图

图7 发动机舱左侧加消声棉前后声全息重建图

在噪声能辐射大的区域增加了消声棉后，1 600 Hz频段下上述区域辐射能量明显下降，对优化后的整车按照国标重新进行噪声测试，与优化前进行对比，结果见表2。优化后整车机外辐射噪声下降1.4 dB(A)，达到113 dB(A)，符合国家标准，降噪措施起到了很好的效果。

表2 某装载机机外辐射噪声优化前后对比 单位:dB(A)

3 结束语

本文针对某50装载机机外辐射噪声超标，提出了采用基于质点振动速度的声全息成像降噪方法。通过PU声学传感器扫描发动机舱表面进行声全息图像重建，判断出发动机舱表面声辐射大的位置，并在相应频段下进行了增加消声棉的声学处理，并比较了处理前后发动机舱表面声辐射全息图，其辐射能量大幅下降，最终整车机外辐射噪声下降1.4 dB(A)，满足国标要求。