第九章 噪聲控制技術(shù)

1、第九章 噪聲控制技術(shù) 91 噪聲基礎(chǔ)知識(shí) 1、噪聲定義： 2、聲壓、聲強(qiáng)與聲功率 聲壓p：在有聲波傳播的聲場(chǎng)中某點(diǎn)的瞬時(shí)壓強(qiáng)與大氣壓的差值 （N/m2） 聲強(qiáng)I：在垂直于聲波傳播方向的單位面積上，單位時(shí)間內(nèi)通過 的聲能(W/m2) 聲功率W：聲源在單位時(shí)間內(nèi)輻射出的總聲能，為描述聲源強(qiáng)弱 的物理量(W) 三者間存在如下關(guān)系： 式中：空氣密度，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1.2kg/m3 c空氣中的聲速，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下c340m/s S聲波的擴(kuò)散面積(m2)，對(duì)球面擴(kuò)散S=4r2； 對(duì)半球面波擴(kuò)散S2r2，r為到聲源中心距離 cPI SIW / 2 3、分貝和級(jí) 人耳的聽覺范圍 聽閾 痛閾 聲壓 210-5Pa 20

2、Pa 相差一百萬倍 聲強(qiáng) 1x10-12W/m2 1W/m2 相差一萬億倍 為了使用方便，引入級(jí)：用兩能量或比例于能量的量之比， 再取以10為底的對(duì)數(shù)。單位為貝爾，通常采用的單位為分貝， 是貝爾的1/10。 為此引入聲壓級(jí)、聲功率級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)等來表示聲音的大 小，分別定義為： 聲壓級(jí)： (dB) 其中基準(zhǔn)聲壓 N/m2 聲強(qiáng)級(jí)： (dB) 其中基準(zhǔn)聲強(qiáng) W/m2 聲功率級(jí)： (dB) 其中基準(zhǔn)聲功率 W 0 lg20 p p Lp 5 0 102 p 0 lg10 I I LI 12 0 10 I 0 lg10 W W LW 12 0 10 W 4、聲與振動(dòng)的關(guān)系 聲頻域內(nèi)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射出噪聲。

3、大平面振動(dòng)輻射出的聲 壓級(jí)與固體振動(dòng)的平均速度成正比 (dB) v0聽覺閾的有效振動(dòng)速度，對(duì)空氣v0=5x10-4m/s 對(duì)簡(jiǎn)諧振動(dòng)，振動(dòng)著的剛體位移D、加速度a在聲頻范圍內(nèi)與聲 壓有如下關(guān)系 （dB） D0基準(zhǔn)位移量，1011m；a0基準(zhǔn)加速度，105m/s2 可見，控制結(jié)構(gòu)輻射噪聲的關(guān)鍵在于控制結(jié)構(gòu)振動(dòng) 0 lg20 v v L 000 lg20lg20lg20 a a D D p p 5、噪聲測(cè)量常用的聲壓級(jí)單位 人耳聽覺的聲頻范圍為20Hz20000Hz。人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱的 主觀判斷取決于聲強(qiáng)和頻率的高低。其中對(duì)34kHz頻率的聲 音最為敏感。噪聲測(cè)量用的聲級(jí)計(jì)的計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)有A、B、C三種

4、， 其中A網(wǎng)絡(luò)是模擬人耳設(shè)計(jì)的，故噪聲測(cè)量中常采用A網(wǎng)絡(luò)測(cè) 定噪聲級(jí)，記為dB(A)。 6、聲級(jí)運(yùn)算 噪聲的分貝數(shù)不能直接相加。多個(gè)不相干聲音的分貝和為 (dB) 因此，兩個(gè)同聲級(jí)的聲音相加后，其和是 （dB） 即增加3分貝。 兩個(gè)聲音的分貝數(shù)相減，按下式計(jì)算 (dB) （假設(shè)L1L2） 求n個(gè)聲壓級(jí)的平均值，按下式 （dB） )10lg(10 1 1 . 0 n i L s i L 3)102lg(10 1 . 0 i L s LL i )1010lg(10 21 1 . 01 . 0LL L nL n L s n i L m i lg10)10 1 lg(10 1 1 . 0 9-2 發(fā)動(dòng)

5、機(jī)噪聲 一、概述 1、內(nèi)燃機(jī)噪聲分類 2、內(nèi)燃機(jī)噪聲發(fā)生機(jī)制 二、內(nèi)燃機(jī)噪聲源 1、進(jìn)氣噪聲 發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣噪聲成因：進(jìn)氣管中氣流的壓力脈動(dòng) 造成的低頻噪聲；氣流以高速流過進(jìn)氣門造成的低 頻噪聲 進(jìn)氣噪聲的大小與內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣方式（增壓機(jī)大于 非增壓機(jī)）、進(jìn)氣閥機(jī)構(gòu)、缸徑、凸輪型線等設(shè)計(jì)因 素有關(guān)。對(duì)同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速影響最大。 多數(shù)內(nèi)燃機(jī)在裝用空氣濾清器后進(jìn)氣噪聲大幅降低， 進(jìn)氣噪聲不是主要的噪聲源。進(jìn)氣消聲器的設(shè)計(jì)必須 與空氣濾清器設(shè)計(jì)結(jié)合起來考慮。 2、排氣噪聲 是內(nèi)燃機(jī)的最主要的噪聲源，往往比內(nèi)燃機(jī)整機(jī)噪聲 （不包含排氣噪聲）高1015dB(A)。 （1）產(chǎn)生機(jī)理與頻率特性 排氣噪聲包含如

6、下成分： 以每秒鐘排氣次數(shù)為基頻的排氣噪聲，屬于低頻噪聲源 管道內(nèi)氣柱共振噪聲：在周期性排氣噪聲的激發(fā)下，排氣系 統(tǒng)管道中的氣柱因發(fā)生共振而產(chǎn)生的噪聲，其低頻部分可能 與基頻噪聲產(chǎn)生疊加，是中心頻率在500Hz和1000Hz 頻帶 內(nèi)的噪聲的主要來源 排氣支管處的氣流吹氣聲（高頻噪聲） 廢氣噴注和沖擊聲：排氣閥處產(chǎn)生的連續(xù)寬帶的高頻噪聲 氣缸亥姆霍茲共振噪聲：與轉(zhuǎn)速無關(guān)，單缸機(jī)中比較嚴(yán)重， 排氣時(shí)排氣管與氣缸構(gòu)成亥姆霍茲共振器，多缸機(jī)由于各缸 間的干擾，排氣支管及總管較長(zhǎng)，此噪聲不顯著 氣閥桿背部的渦流噪聲 排氣管道內(nèi)壁面處的紊流噪聲等。 結(jié)構(gòu)不同的內(nèi)燃機(jī)，隨著缸數(shù)、燃燒室形式、燃料種類、 內(nèi)

7、燃機(jī)轉(zhuǎn)速的不同，排氣噪聲具有不同的頻譜。 （2）影響排氣噪聲的主要因素 轉(zhuǎn)速與負(fù)荷：空載時(shí)，轉(zhuǎn)速升高引起的排氣噪聲的增大幅度 要大于全負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速升高引起的噪聲增大幅度 不同類型內(nèi)燃機(jī)的比較： 二沖程機(jī)大于四沖程機(jī)：二沖程機(jī)排氣開始時(shí)刻早、單位 時(shí)間內(nèi)排氣次數(shù)多、為保證掃氣效果不宜采用結(jié)構(gòu)復(fù) 雜的消聲器 柴油機(jī)大于汽油機(jī)：柴油機(jī)最高爆發(fā)壓力和壓力升高率大 于汽油機(jī)，因此同等功率時(shí)柴油機(jī)排氣噪聲大；同功 率下汽油機(jī)缸數(shù)比柴油機(jī)多，排氣系統(tǒng)中的氣流脈動(dòng) 小 渦輪增壓的影響：排氣門開啟瞬間所產(chǎn)生的噪聲經(jīng)過渦 輪后，其能量得到很大衰減，再自渦輪出口排出時(shí)噪 聲明顯降低 3、風(fēng)扇噪聲 是主要噪聲源之一，包

8、括旋轉(zhuǎn)噪聲（葉片噪聲）和渦 流噪聲兩部分。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)其噪聲影響很大，轉(zhuǎn)速提高一 倍時(shí)，聲壓級(jí)增加1117分貝；通常在低轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)扇 噪聲遠(yuǎn)低于內(nèi)燃機(jī)噪聲，但在高轉(zhuǎn)速時(shí)，往往成為主要甚 至是最大的噪聲源。 4、燃燒噪聲 是柴油機(jī)的主要噪聲源，其產(chǎn)生機(jī)理： （1）氣缸內(nèi)壓力急劇變化引起的動(dòng)載荷，激發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻 射噪聲； （2）氣體的沖擊波引起高頻振動(dòng) 由氣缸壓力頻譜曲線可知，氣缸壓力曲線實(shí)際上是由不同 頻率、不同幅值的一系列諧波疊加的結(jié)果。因此，燃燒氣體 對(duì)氣缸各零件振動(dòng)的激發(fā)，可以認(rèn)為是這一系列諧波單獨(dú)作 用的總和。 噪聲由振動(dòng)產(chǎn)生，振動(dòng)取決于激振力特性與振動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 響應(yīng)特性，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的燃

9、燒噪聲的大小不僅取決于氣體壓 力頻譜，還與發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)衰減特性有關(guān)： （1）1000Hz以下的結(jié)構(gòu)衰減量很大，這主要由于內(nèi)燃機(jī)的大多 數(shù)零件的剛性都較大，自振頻率處于中高頻區(qū)域，因此在壓 力頻譜中，低頻段的壓力級(jí)雖然都很大，但因零件的結(jié)構(gòu)響 應(yīng)小，對(duì)氣缸壓力激起的振動(dòng)衰減量大。 （2）1000Hz3000Hz的中段結(jié)構(gòu)衰減量低，因?yàn)榱慵墓逃蓄l 率多處于此頻段，易被激起振動(dòng)，故衰減量很小 (3)3000Hz以上頻段，衰減量略有上升。 影響燃燒噪聲的主要因素： （1）燃燒室 （2）壓縮溫度和壓力 (3) 噴油提前角 （4）負(fù)荷 （5）轉(zhuǎn)速 5、活塞敲擊聲 6、正時(shí)齒輪噪聲 7、配氣機(jī)構(gòu)噪聲 三、

10、內(nèi)燃機(jī)噪聲源識(shí)別 1、噪聲源識(shí)別的基本要求 在噪聲控制工程中，吸聲、隔聲、消聲、減振等傳統(tǒng) 降噪措施已沿用多年，并且還在發(fā)展，但是控制聲源的噪 聲是一項(xiàng)根本性措施。所謂噪聲源識(shí)別，就是對(duì)機(jī)器上存 在的各種聲源進(jìn)行分析，了解產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的機(jī)理，確 定振源、聲源的位置，分析聲源的特性，然后按噪聲的大 小排序，從而確定出主要聲源。 噪聲源識(shí)別的要求基本上有兩個(gè)方面： （a）確定機(jī)器各噪聲源的位置、聲級(jí)及其在總聲級(jí)中的比重； （b）確定聲源的特性，包括聲源類型、頻率特性、變化規(guī)律 和傳播規(guī)律等。 2、噪聲源識(shí)別方法 常用分析法有如下5種 （1）主觀評(píng)價(jià)法 有經(jīng)驗(yàn)的操作人員或檢驗(yàn)人員能從機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)噪

11、聲中判斷機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，并能判定造成異常的主 要噪聲源的零件及其原因。不足之處：主觀性強(qiáng)，無 法作定量度量。 （2）分別運(yùn)轉(zhuǎn)法，又稱消去法 在同一運(yùn)轉(zhuǎn)工況下拆去和裝上某一零部件，分別在 同一觀察點(diǎn)處測(cè)得兩種噪聲值，然后按能量相減計(jì)算 所得噪聲值，即為該零部件所發(fā)出的噪聲值。該方法 簡(jiǎn)單易行，但由于機(jī)器是相互聯(lián)系的整體，某一部分 的拆除會(huì)影響到與之關(guān)聯(lián)的部分，故誤差大。 （3）鉛屏蔽法，又稱選擇隔聲法 可用于了解機(jī)器上聲輻射表面的輻射情況。它用鉛 板做成一個(gè)與機(jī)器各部分表面相接近的密封隔聲罩， （該罩各部分表面做成可自由開啟的“窗口”）罩內(nèi) 襯上玻璃纖維等吸聲材料。測(cè)試時(shí)用該罩覆蓋機(jī)器表 面，

12、其隔聲量至少在10dB以上。然后逐個(gè)打開“窗口” 并在1m處測(cè)量其聲壓級(jí)，從而確定主要輻射面。該法 精度較高，但由于覆蓋時(shí)不易密封嚴(yán)密，尤其是隔絕 低頻噪音較困難，所以僅適用于中、高頻輻射聲源的 測(cè)量。 （4）頻率分析法 其理論依據(jù)是：對(duì)一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)而言，根據(jù)規(guī)定的測(cè)試 范圍，在指定測(cè)點(diǎn)處可測(cè)得其總噪聲級(jí)及噪聲頻率譜。 一般來說，噪聲的主要能量集中在其頻譜的幾個(gè)峰值 頻率處。一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)含有多個(gè)噪聲源，其總噪聲是由 各組成聲源所輻射的噪聲在測(cè)點(diǎn)的疊加，而總噪聲頻 譜則是各組成聲源的頻譜在該測(cè)點(diǎn)處疊加的結(jié)果。為 此，如果其組成聲源頻譜上的峰值頻率與總噪聲頻譜 上的某一峰值頻率相對(duì)應(yīng)，就說明了總噪聲中

13、在該頻 率處的噪聲能量是由上述某組成聲源所作的貢獻(xiàn)。 聲音來源于振動(dòng)，故聲輻射表面的振動(dòng)譜與其輻 射的噪聲譜之間有很好的相關(guān)性。如下圖。在難于準(zhǔn) 確地測(cè)定組成聲源的噪聲譜時(shí)，往往利用該組成聲源 表面的振動(dòng)譜代替其噪聲譜，來與總噪聲譜比較，以 確定主要噪聲源。 (a)泵體振動(dòng)功率譜（b）泵體近場(chǎng)噪聲功率譜 機(jī)油泵體振動(dòng)功率譜及近場(chǎng)噪聲功率譜 除上述5種方法外，還有信號(hào)分析法、以及近年來新 發(fā)展的聲強(qiáng)法、聲全息照相診斷技術(shù)、自適應(yīng)除噪技 術(shù)等。 新識(shí)別方法發(fā)展的基本趨勢(shì)是要求測(cè)試方法： 能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量； 能實(shí)時(shí)分析和出來所得測(cè)量信號(hào)； 能提高測(cè)試結(jié)果的可靠性 四、內(nèi)燃機(jī)噪聲控制技術(shù) 1、排氣噪聲控制：

14、排氣消聲器 有兩大類：無源消聲器、有源消聲器 （1）無源消聲器：有抗式、阻式、阻抗復(fù)合式三種 （2）有源消聲器 2、風(fēng)扇噪聲 兼顧冷卻性能和降低噪聲，風(fēng)扇的一般設(shè)計(jì)原則是： (1) 依據(jù)風(fēng)扇定則，綜合考慮風(fēng)量Q，消耗功率和噪聲，合 理選 擇風(fēng)扇的參數(shù)。宜取較大的風(fēng)扇直徑和較低的轉(zhuǎn)速。 (2) 按降噪要求設(shè)計(jì)風(fēng)扇葉片的要點(diǎn)： 定Q下選用較寬的風(fēng)扇葉片。這樣可降低轉(zhuǎn)速n 一定Q下選用較大的葉片安裝角( )； 葉片數(shù)不大于6。葉片數(shù)從2到6，Q呈直線增加。超過6時(shí)，Q的 增加率不大，而每增加一片，噪聲約增高1dB。 （3）合理布置冷卻系統(tǒng)：護(hù)風(fēng)圈與風(fēng)扇葉尖的徑向間隙盡可能 小；氣流通道通暢。 (4)

15、 采用翼型斷面風(fēng)扇。其葉型按空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)成機(jī)翼型， 效率高、渦流噪聲小。 （5）結(jié)合節(jié)能采用溫控離合式風(fēng)扇，使之僅在需要冷卻的嚴(yán)重 工況下工作。 4050 3、燃燒噪聲 降低柴油機(jī)燃燒噪聲的方法有： (1)采用工作柔和的燃燒工作過程，控制 (2)適當(dāng)提高壓縮比和延遲噴油提前角，使用高十六烷值的 燃料 (3)減小初期的燃料噴射率， (4)進(jìn)氣增壓，依靠進(jìn)氣壓力和溫度的增高縮短著火延遲期。 /dp d0.4/degMPa 4、活塞敲擊噪聲 控制活塞敲擊聲的一般方法有： (1)盡可能減小活塞的配缸間隙： (2)將活塞銷中心向主推力邊偏置一個(gè)適當(dāng)?shù)木嚯x(負(fù)偏 心），以使活塞在上止點(diǎn)附近由一邊移向另一邊相接 觸的時(shí)刻，與氣缸壓力劇增的時(shí)刻相錯(cuò)開； (3)適當(dāng)增大活塞高度，使活塞的搖擺幅度減?。?(4)活塞裙部采用理想的型線，使活塞敲擊時(shí)與缸壁的碰 撞面積較大。 5、正時(shí)齒輪噪聲 控制齒輪噪聲的措施是盡可能用較小的齒輪間隙