發(fā)動機(jī)噪聲分析附

1、燃油發(fā)動機(jī)噪聲分析摘要：通過對燃油發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)噪聲產(chǎn)生原理、隔聲機(jī)理及其氣動噪聲發(fā)生和處理三方面的分析，掌握普通燃油發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中的噪聲發(fā)生機(jī)理，理清發(fā)動機(jī)各物理量對其噪聲產(chǎn)生的影響，為其隔聲降噪處理尋找理論依據(jù)。前言：眾所周知，燃油發(fā)動機(jī)在推動當(dāng)今世界工業(yè)發(fā)展中扮演了不可或缺的角色，發(fā)動機(jī)是一項(xiàng)高技術(shù)含量的技術(shù)產(chǎn)品。依靠燃油燃燒爆炸產(chǎn)生動力，推動曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的滑動活塞，進(jìn)而將其直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為曲軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，為負(fù)載機(jī)械提供動力。但是，技術(shù)中總會有新的難題出現(xiàn)，發(fā)動機(jī)的噪聲就是其中一項(xiàng)日趨重要的技術(shù)問題。圖1 發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖一、發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)噪聲燃油發(fā)動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)一定會從原

2、理上產(chǎn)生交變的載荷，從而使發(fā)動機(jī)部件（如曲軸組件、曲軸箱組件等）產(chǎn)生振動，最終由各連接部件將振動傳遞到發(fā)動機(jī)表面成為噪聲輻射到空氣中；此外，還有燃燒室的爆炸也使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動。實(shí)際的發(fā)動機(jī)由于結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的噪聲是相當(dāng)復(fù)雜的。但是，萬變不離其宗，既然是結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的噪聲，就從結(jié)構(gòu)振動入手，分析振動是怎么轉(zhuǎn)化為噪聲的？下面就這個(gè)問題做出分析。由于結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，很難對特定結(jié)構(gòu)做出準(zhǔn)確的分析，但是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)都可以看成是由桿、梁、板、體等基本元素組成的，所以為了分析簡潔清晰，就以板結(jié)構(gòu)作為分析對象，進(jìn)行討論。平板的振動也有多種（橫向剪切、縱向伸長），這里討論最普遍的平板的彎曲振動。1. 無限平板振動彎曲

3、波聲輻射效率依據(jù)L.CREMER和 M. HECKL在Structure-borne Sound中的理論，假設(shè)存在一無限大的均勻平板，那么該平板在彎曲振動時(shí)就存在連續(xù)頻率的模態(tài)。其在彎曲振動波見圖2。中心線平板，振速為圖2 無限平板的彎曲振動波由結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的輻射聲音和其振動之間必然存在密切的耦合關(guān)系，不同的振動輻射不同的聲音，所以定義聲輻射效率，式中為輻射到空氣中的總的聲功率，為空氣密度，為空氣中聲音傳播速度，為振動體的振動表面積，為振動體表面振動速度的均方根，即有效值。此輻射效率表示輻射出的聲音功率占結(jié)構(gòu)總的振動功率的比率。平板速度描述為。平板輻射聲壓，其中波數(shù)，為彎曲波的波長。由于在平板

4、表面，即處，表面振動速度和表面空氣振動速度相同，則有，將帶入計(jì)算得。由于，進(jìn)而得，為空氣中聲波的波長。存在，推出，最后，為了說明這個(gè)公式的物理意義，從圖2中加入角度（聲音輻射出的角度），這里可能出現(xiàn)兩種情況：一、，即平板的振動彎曲波長大于被輻射出的聲波的波長，而且這時(shí)滿足。代入上一個(gè)公式得；根據(jù)聲輻射效率，代入聲壓，不考慮其相位和頻率等（就是不考慮這一項(xiàng)）的影響，即當(dāng)相位和頻率一致時(shí)，有，角度，見圖3。圖3 聲波從平板表面輻射到遠(yuǎn)場二、，即平板的振動彎曲波長小于被輻射出的聲波的波長，可得：。此時(shí)，從公式看出輻射效率呈指數(shù)衰減，當(dāng)，在方向上二分之一平板波長處（）上，輻射效率衰減為處的（10dB）

5、，也就是說在鄰近平板表面處（近場區(qū)域），其輻射效率衰減很快，在遠(yuǎn)場幾乎沒有聲輻射了。同時(shí)，由聲壓，可得其速度為，此速度在方向上分布（分別對求偏導(dǎo)）得：，可見其速度在平板表面附近呈橢圓形衰減分布，見圖4。圖4 速度在近場成橢圓分布衰減圖5 平板輻射效率三、，從以上兩公式可以看出，輻射效率為無窮大，見上圖5。也就是，對于必然存在一個(gè)頻率，使得當(dāng)結(jié)構(gòu)振動頻率達(dá)到此頻率時(shí)，將輻射出最大效率的聲音，稱為危險(xiǎn)頻率。，進(jìn)而得這里為平板彎曲剛度，其中，為平板厚度，為材料的彈性模量，為泊松比；為平板單位面積質(zhì)量，為平板材料密度；為空氣中聲音速。將公式代入（此處），得：，這就是前面說的危險(xiǎn)頻率，記為。以上是理想化

6、的無限大平板模型的結(jié)構(gòu)聲輻射討論，但實(shí)際中結(jié)構(gòu)不可能是無限大（其模態(tài)頻率不可能連續(xù)），而且結(jié)構(gòu)往往承受不同的約束和載荷，這都將會對其輻射效率產(chǎn)生影響。由于邊界條件種類太多，下面就以最為典型的有限平板四周的邊界被完全固定的情況為例，說明其聲輻射效率的特點(diǎn)。2. 半無限平板振動彎曲波聲輻射首先有必要先分析一下半無限平板的情況，見圖6。圖6 半無限平板彎曲振動波由于彎曲波存在反射，其速度描述為：，其中代表其反射效應(yīng)為其相位，將此代入中計(jì)算得：，對取絕對值，代入上式的中計(jì)算得：，對于時(shí)（彎曲振動波長大于輻射聲波波長），上式積分在積分區(qū)域內(nèi)變?yōu)闊o限，因此在高于危險(xiǎn)頻率的范圍內(nèi)，半無限平板輻射無限的聲功率

7、，這和無限平板的情況是一樣的，所以所要關(guān)心的是在危險(xiǎn)頻率以下范圍內(nèi)的聲輻射情況，即，這時(shí)候?qū)е路e分成為無限的區(qū)域落在積分區(qū)間之外，引入關(guān)系近似求積（因?yàn)榇朔e分很難求得準(zhǔn)確積分結(jié)果）分得：。3. 有限平板振動彎曲波聲輻射效率圖7 有限平板彎曲振動波對于有限的四周固定約束的平板，就好比是在無限大剛性平板中鑲嵌了一有限平板，見圖7，這樣就可以只考慮有限平板輻射聲在區(qū)域內(nèi)的效果（否則在有限平板兩側(cè)的聲波會相互影響），同時(shí)，也可以看成是無限平板中只有區(qū)間上的平板有效，其他區(qū)域則無效（剛性板）。這樣其速度描述為：，其中是的傅里葉變換形式。所以同時(shí)有：。由上述公式，推出，此處相當(dāng)于前述的，對求積分得：。由聲

8、壓計(jì)算其單位長度的輻射聲功率，有：為的共軛復(fù)數(shù)。將代入計(jì)算積分得：，引入為了區(qū)分變量而進(jìn)行有效的積分。對于復(fù)數(shù)，其與共軛復(fù)數(shù)的乘積是其絕對值的平方，而且，對于其實(shí)數(shù)區(qū)間在，從而對的計(jì)算得：。以上可以從平板速度的傅里葉變換確定輻射聲功率，但是，對于求解有限平板聲輻射似乎是不太現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)橹辽僖紤]兩個(gè)邊緣的邊界條件（對于上述半無限平板只考慮了一個(gè)邊緣的邊界條件）的影響，然而，實(shí)際中大多數(shù)情況是平板被張緊，其邊緣被固定，所以平板邊緣的速度為0。但是，在低于其危險(xiǎn)頻率的范圍內(nèi)，對其求解也是近似的。根據(jù)以上邊界條件，對于長度為的平板，其速度描述為，代入公式，計(jì)算得：，將描繪出來見圖8。圖8 圖形描述根

9、據(jù)公式計(jì)算其單位長度輻射聲功率得：，由于這個(gè)積分積不出來，所以就對其求幾個(gè)近似解。第一種情況：，對應(yīng)圖8中情況，此區(qū)域內(nèi)近似的有，從而得到：，為了得到聲輻射效率，必須獲得速度的均方值（時(shí)間和空間的平均值），即有效值，因?yàn)樵摵瘮?shù)在時(shí)間和空間上都是正弦分布，所以有，其聲輻射效率為：。對于實(shí)際情況，平板的振動是很多模態(tài)的疊加，所以其速度描述為。由于各模態(tài)之間相對是互相獨(dú)立的，所以其平均聲輻射效率為，為各模態(tài)聲輻射效率，對于模態(tài)頻率，有，對于其主導(dǎo)頻率（貢獻(xiàn)量最大的頻率）則有。第二種情況：，對應(yīng)圖8中情況，對此積分貢獻(xiàn)最大的是在附近，則因?yàn)橛?，所以可得：，進(jìn)而。第三種情況：，輻射功率近似為，輻射效率近

10、似為。最后，從以上分析的三種情況總結(jié)，在一維方向上得其聲輻射效率為：，其中為危險(xiǎn)頻率對應(yīng)的波長，同理，對于二維方向，其生輻射效率為：，其中為平板面積，為平板周長。二、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲隔聲到這里，總的來說，結(jié)構(gòu)（以平板為例）聲就兩種情況：一個(gè)是上述分析的由于結(jié)構(gòu)的振動而產(chǎn)生輻射聲（結(jié)構(gòu)受外部力的激勵(lì)作用）；另一個(gè)則是結(jié)構(gòu)受聲波激勵(lì)而產(chǎn)生聲，生活中經(jīng)常會遇到一個(gè)很簡單的問題用鋼板擋住聲音，聲音的強(qiáng)度就會明顯降低，那為什么鋼板能夠擋住聲音呢？這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)受到聲波激勵(lì)后的響應(yīng)很令人滿意。所以在隔聲中就非常有必要分析結(jié)構(gòu)受到聲波的激勵(lì)后是怎么響應(yīng)的。平板受聲波激勵(lì)見圖9。假設(shè)一個(gè)很大的均勻平板表面受一定角

11、度的平面聲波的沖擊，那么其聲壓可以描述為，其中為空氣中聲波的波數(shù)，入射聲波一部分被反射回來，另一部分則穿透過去，以下式描述為，其中反射波中的指數(shù)的變化是由于其反射后方向改變了，透射波按原方向傳播。圖9 受聲波激勵(lì)的平板在平板表面即處的聲壓在其兩側(cè)不相同，一側(cè)是由入射波和反射波共同作用的結(jié)果，另一側(cè)是由透射波單獨(dú)作用的結(jié)果，從而有，將代入公式計(jì)算平板速度為，其中，稱為表面阻抗，即其表面壓力與其表面速度的比值。參照前述的公式，得到，。在平板表面的兩側(cè)，聲速必須和平板的速度相同，所以有，這就意味著，將這些等式關(guān)系代入公式，整理得到，透射聲占入射聲的比例為，最后得到平板的透射系數(shù)，傳遞損失為，從公式中可以看出，阻抗是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，有必要對其做仔細(xì)分析。在危險(xiǎn)頻率以下有，因此，所以近似的有，此時(shí)表面阻抗主要受平板質(zhì)量的影響，也就是說在危險(xiǎn)頻率以下，入射聲波和質(zhì)量阻抗以及成反比。進(jìn)而還可得。在危險(xiǎn)頻率以上有，即，當(dāng)時(shí)，存在一個(gè)角度使得平板對聲波不存在阻抗，聲波無衰減的傳播，也就是當(dāng)平板彎曲波波長恰好等于。由此可以得出結(jié)論：平板響應(yīng)最大的方向就是平板輻射最大的方向。對