振动噪声分析与控制

发展局限：由发动机引起的振动噪声问题是困扰摩托车企业发展的一大障碍，主要是通过排气消声器来降低整车噪声分贝值。研究工具：研究发动机的噪声应首先从噪声的测试开始，通过试验的方法对发动机噪声声源识别，进行噪声发生机理研究，这样有助于从设计阶段就开始统筹考虑噪声控制问题。噪声的试验研究方法趋向于声压法、声强法和振动测量法的综合应用，更多地借助于声强法和模态测量法、能量流或功率流测量法来研究机械结构系统的噪声形成、固体传播和辐射规律，并逐步引入数值解析方法进行结构噪声辐射的理论分析和改进设计。噪声测试分析与控制目前更多的借助于计算机技术与软件技术，而对传统的复杂仪器、分析方法的依赖越来越少。计算机的引入，使得振动噪声测量、分析，更加方便快捷，且误差小。在软件上，目前已经开发出许多噪声与振动分析软件，如有限元、多体动力学等，这为我们对噪声进行理论研究提供了有力的工具。在硬件方面也相应地开发出多种噪声分析仪器，如B&K测试分析系统等，这为我们进行噪声试验分析提供了工具。控制方法：发动机的噪声控制由主要依靠消声、隔声和吸声的传统手段向结构动态特性改进、声源直接控制和传统手段相结合的方向发展。20世纪80年代以来，许多工程技术人员已对发动机的噪声、振动问题进行了深入的研究，有限元法、边界元法、统计能量法、模态分析等高新技术在发动机噪声、振动的理论研究和测试分析中得到了应用，为发动机的减振降噪开创了良好的前景，取得了丰硕的成果。研究内容：采用理论分析和实验研究相结合的方法，研究噪声发生机理和控制措施，主要研究内容如下：①进行单缸汽油机声源识别。确定各部位噪声大小，分离出各部分噪声，得到发动机主要噪声源。②单缸汽油机主要噪声源的噪声发生机理研究。针对活塞敲击噪声、初级齿轮噪声、配气机构噪声等主要声源进行机理研究。③探讨汽油机主要噪声的影响因素，研究单缸汽油机噪声控制的方法和措施。汽油机结构组成：主要是由机体、曲柄连杆机构、配气机构、进气系统和排气系统等多种零部件总成组成的。在发动机工作过程中气缸主要完成燃油混合气的吸入、燃料的燃烧、燃烧后气体的排出等一系列的复杂的过程，并最终将燃料燃烧产生的热能转化为机械能，与这些过程相关的零部件噪声的产生也是十分复杂的噪声源：根据噪声源类别(noisesource)，该汽油机主要噪声源可分为三种，即空气动力性噪声、机械噪声和燃烧噪声。04]机械噪声和燃烧噪声都要传播到发动机表面，然后向空气辐射出噪声。而空气动力噪声是直接向大气辐射的噪声源，主要有进气噪声、排气噪声等，它们都是由于气流的运动而产生的噪声。燃烧噪声和机械噪声难以严格区分。严格地讲，机械噪声也是由于汽油机气缸汽油燃烧间接激发的噪声。习惯上把气缸内燃烧所形成的压力振动并通过缸盖和活塞——连杆一曲轴——机体的途径向外辐射的噪声叫燃烧噪声，把活塞对缸套的撞击，正时齿轮、配气机构、变速机构等运动部件之间机械撞击所产生的振动激发的噪声叫机械噪声。．该汽油机在常用工作转速(4500r／rain)、最大功率转速(7500r／rain)下排气噪声倍频程频谱如图3．9所示。当发动机转速为4500rpm、7500rpm时，根据公式(2．1)厂=kni／60r可知单缸四行程汽油机的排气噪声基频分别为37．5I-Iz、62．5Hz。从消声器的排气噪声频谱图(图3．9)中可以看出，4500rpm转速下总声压级为93．65dB(A)，在排气噪声基频的倍频程150Hz、301Hz、338Hz、413Hz、451Hz出现峰值并且较大，超过了70dB(A),出现明显峰值的频率段对应为排气次数的基频和2次、4次倍频成分等，3次倍频所属频段112Hz处没有出现明显峰值，这应该和消声器对不同频率噪声的消声特性有关，可见现消声器对该频段的噪声具有较大的衰减作用。7500rpm转速下总声压级为98．45da(A)，在排气噪声基频的倍频程125Hz、250Hz、312Hz、375Hz、562Hz、1000Hz、1687Hz的声压峰值较大，超过了80dB(A)。3．4．3实验结论通过消声器的插入损失实验，可以得出排气噪声的声压级随转速提高而提高，低速、高速时相差近15dB(A)，消声器的消声量在整个转速范围内都达到了20dB(A)，在高速时消声效果较好，但在中间转速时功率损失较大。从排气噪声频谱上看，排气噪声的峰值主要出现在中低频范围内，并且呈现出明显的谐波频率特性，在排气噪声的基频和倍频程处声压级较高，通过能量叠加求噪声总声压级时将对总声压级有较大的贡献。因此，在改进消声器时要从降低这些频率处的噪声加以考虑。．。，对于发动机排气噪声控制，一方面应对噪声源机理进行更加深入的研究，综合考虑发动机的其它性能，降低噪声源的幅值，改变其频率特性；另一方面，还应采用声学特性良好的排气消声器。3．5．2试验过程试验测量，分别选取发动机的常用工作转速和曲轴最大输出扭矩转速即发动机稳定转速为4500r／rain和7500r／mln，作为试验测量工况，进行了两组测量，两组试验测量原理和步骤相同，均在热机下进行。噪声分离试验按下列步骤进行：①发动机总体噪声。关闭试验场地的风机，发动机点火，外特性运转。依次测量各个测点的声压级。②燃烧噪声。测功机倒拖发动机转动，依次测量各个测量点的声压级。此时测得的噪声不包含燃烧噪声。可以通过噪声能量叠加原理得到燃烧噪声。③配气机构噪声。将发动机配气机构拆除，测功机倒拖发动机转动，依次测量各个测量点的声压级。此时测得的噪声不包含燃烧噪声和配气机构噪声。④活塞敲击噪声。再将发动机活塞连杆机构拆除，使曲轴空转，测功机倒拖发动机转动，依次测量各个测量点的声压级。此时测得的噪声不包含配气机构噪声和活塞敲击噪声。3．5．3试验结果通过声压铡量测得了各个测点的声压级，测量经修正后结果如表3．3和表3．4所示。