農(nóng)用拖拉機駕駛員耳旁噪聲識別與控制

顧偉，王艷艷

（1.昆明云內(nèi)動力股份有限公司，云南 昆明 650217；2.西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224）

1 引言

農(nóng)用拖拉機一直是我國農(nóng)村在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營活動中占主導(dǎo)的農(nóng)業(yè)機械之一。隨著拖拉機的廣泛使用，農(nóng)業(yè)機械化進(jìn)程加快，但對駕駛員來說提供一個安全、舒適的工作環(huán)境非常重要[1]。拖拉機噪聲已成為衡量拖拉機優(yōu)劣的重要指標(biāo)。拖拉機駕駛員操作位置處噪聲(以下簡稱耳旁噪聲) 是指拖拉機在規(guī)定牽引工況下，在駕駛員耳旁規(guī)定位置處測得的最大噪聲。研究表面，駕駛員在90分貝（dB）的環(huán)境中能正常工作8小時，而在95分貝的噪聲環(huán)境中只能連續(xù)工作4小時，超出后就是非正常工作，事故發(fā)生的機率將成倍上升[2]。

對于駕駛員耳旁噪聲，國標(biāo)GB 6376-2008給出了拖拉機加載工況下的限值。我國拖拉機的駕駛室基本為簡易駕駛室，安裝簡易駕駛室和無駕駛室的拖拉機限值為 95dB（A），而相應(yīng)歐共體77/311/EEC的限值為90dB（A），我國的限值比歐共體高出5 dB (A)?？梢?，我國的拖拉機駕駛員耳旁噪聲控制方面和國外仍有一定的差距，并且有些生產(chǎn)企業(yè)雖然通過了“3C”認(rèn)證或“E-mark”認(rèn)證，但其產(chǎn)品在批量生產(chǎn)中卻很難保持產(chǎn)品的一致性，拖拉機降噪工作的形勢仍很嚴(yán)峻[3]。

2 試驗設(shè)備及方法

拖拉機裝在半消聲室測試臺架上，通過動力輸出端（PTO）與測功機連接，實現(xiàn)對拖拉機的加載。試驗用拖拉機的發(fā)動機為一臺四缸增壓柴油機，功率為 48kW。測試系統(tǒng)為 B&K公司數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，傳聲器的中心距離座椅中心平面250 mm，座位參考點上方790 mm，前方150 mm處。影響拖拉機駕駛員操作位置處噪聲的噪聲源主要有：發(fā)動機噪聲、傳動系噪聲、覆蓋件等振動噪聲。發(fā)動機噪音又包括排氣噪音、進(jìn)氣噪音、風(fēng)扇噪音、機罩噪音等[4]。在額定轉(zhuǎn)速全負(fù)荷和無負(fù)荷狀態(tài)下進(jìn)行耳旁噪音測量，全負(fù)荷下駕駛員耳旁噪聲主要是發(fā)動機燃燒噪音頻率，帶寬為 500-2000 Hz。

3 主要噪聲源識別

整車噪聲源的識別是拖拉機噪聲控制工作的第一步，其主要目的是尋找主要噪聲源，以確定噪聲控制的主要目標(biāo)。拖拉機噪聲源的識別主要采用覆蓋法和消元法[5]。覆蓋法是把某個噪聲源全部用鉛板或其他耐熱隔聲材料覆蓋起來，測量覆蓋前后的噪聲級，即可求得被覆蓋噪聲源的大小。消元法是將噪聲源拆除（或使其停止工作），測量拆除(或使其停止工作)前后的噪聲級，即可求得被拆除（或使其停止工作)的噪聲源大小。由于有的部件難以覆蓋，有的部件難以拆除，實際作法通常是把覆蓋法和消元法結(jié)合起來使用。

3.1 空氣噪聲源定量分析

空氣噪聲源是風(fēng)扇、進(jìn)氣管和排氣消聲器，通過消去法進(jìn)行定量分析。測量有和沒有該元件前后的聲壓級（Sound Pressure Level，SPL）差△SPL，如表1所示?？梢钥闯?，排氣消聲器產(chǎn)生的△SPL最大，為6.5 dB，是主要的噪聲源。

表1 空氣噪聲源比較

3.2 發(fā)動機噪聲源分析

發(fā)動機噪聲有燃燒噪聲、機械噪聲和負(fù)荷噪聲。燃燒噪聲來自于活塞的氣壓力造成的振動。曲軸承受外部施加的力和由于慣性產(chǎn)生的內(nèi)部力，這些力的合力造成了機械噪聲。負(fù)荷噪音是隨負(fù)荷變化產(chǎn)生的噪音。結(jié)構(gòu)噪音源主要有曲軸、正時齒輪蓋（Timing Gear Cover，TGC）、油底殼以及附件，如油泵、發(fā)電機等。所有這些噪音的聲譜取決于它們的模態(tài)特性、表面積和振動速度。如果知道每個噪聲發(fā)射源對總噪音的貢獻(xiàn)率，那么噪音控制策略就會更加有效。最基本的也是將總發(fā)動機噪音分為機械噪音和燃燒噪音。

3.3 燃燒機械噪音分解分析

Izuho Hirano等人使用多元回歸分析分離噪音源[6]。將發(fā)動機噪音水平作為基準(zhǔn)變量，氣缸壓力、發(fā)動機負(fù)荷作為應(yīng)變量。發(fā)動機噪音可以用以下公式表示：

其中：SP為發(fā)動機總噪音，SPm為機械噪音，CP為氣缸壓力，H為氣缸壓力和燃燒噪音之間的傳遞系數(shù)，L為發(fā)動機扭矩的平方，G為扭矩和負(fù)荷噪音直接的傳遞系數(shù)。

圖1 發(fā)動機總噪音分解圖

通過多元回歸分析定量上述傳遞函數(shù)，將燃燒噪音從總噪音中分離。從圖1可以看出在總噪音中燃燒噪音起主導(dǎo)作用。從噪聲源識別結(jié)果可知，該拖拉機主要的噪聲源是消聲器、發(fā)動機油底殼、正時齒輪蓋和燃燒噪音。

4 駕駛員耳旁噪音控制措施

由于發(fā)現(xiàn)主要的噪聲源是消聲器、發(fā)動機油底殼、正時齒輪蓋TGC和燃燒噪音，因此主要的降噪措施為進(jìn)行消聲器優(yōu)化設(shè)計，油底殼、TGC結(jié)構(gòu)優(yōu)化和燃燒噪音優(yōu)化。

4.1 消聲器優(yōu)化設(shè)計

消聲器的傳遞損失只與其本體結(jié)構(gòu)有關(guān)，不受聲源特性和尾管輻射特性的影響，是消聲器聲學(xué)性能研究中最常使用的評價指標(biāo)。在優(yōu)化設(shè)計階段對排氣管噪音使用傳遞損失法，使設(shè)計過程更接近于實際。優(yōu)化過程中使用結(jié)合實驗和仿真技術(shù)的混合理論來模擬排氣管噪音，即利用邊界元理論（Boundary Element Method，BEM）進(jìn)行消聲器建模，結(jié)合實驗獲取聲學(xué)特征，如內(nèi)部阻擋和速度，作為模型的輸入[7]。噪音的阻抗可以通過經(jīng)驗公式計算，傳遞速度可以通過對模型進(jìn)行 BEM 分析來預(yù)測。試驗獲取的駕駛員耳旁噪音數(shù)據(jù)作為輸入的邊界條件。這種方法有兩個優(yōu)點：第一，難以通過數(shù)值計算得到的聲學(xué)特征值可以通過測量估算；第二，BEM允許使用復(fù)雜的消聲器幾何模型。圖2給出了原消聲器結(jié)構(gòu)示意圖，具有4個膨脹腔。通過上述的BEM方法來模擬排氣管噪音，利用實驗驗證，可以發(fā)現(xiàn)二者在低頻階段能很好的吻合，這主要是一階諧波。使用傳遞損失法進(jìn)行消聲器優(yōu)化設(shè)計，包括膨脹腔長度，膨脹腔個數(shù)和穿孔管參數(shù)等。優(yōu)化后的消聲器有3個膨脹腔，如圖3所示。低頻和中頻噪音通過延長第一和第三個膨脹腔中的穿孔管進(jìn)行控制。合理選擇延長管的長度和穿孔管的孔數(shù)以抵消寬帶流動噪音。針對各種尾氣管長度進(jìn)行 BEM 分析，由此確定最小排氣噪音的長度，同時，排氣背壓可使用經(jīng)驗公式計算。如圖 4，消聲器優(yōu)化后模擬的駕駛員耳旁噪音降低了6.5 dB。

圖2 原消聲器結(jié)構(gòu)

圖3 優(yōu)化后的消聲器結(jié)構(gòu)

圖4 優(yōu)化后消聲器與原消聲器聲壓級比較

4.2 零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

油底殼和正時齒輪蓋TGC為主要的結(jié)構(gòu)噪聲源，這兩個部件都與驅(qū)動部件接觸，受震動力激勵，其振動行為受自身模態(tài)頻率和激振力的影響。在 NVH優(yōu)化過程中，可以利用有限元 FEM 技術(shù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)從而改變自激頻率，避免在重要頻率范圍內(nèi)的共振。首先通過模態(tài)分析建立有限元模型，利用試驗?zāi)B(tài)測試數(shù)據(jù)對建立的零部件模型進(jìn)行校核。在測試點獲取頻響函數(shù)，通過模態(tài)參數(shù)預(yù)估技術(shù)獲取自由頻率、模態(tài)和阻尼比，利用模態(tài)置信度MAC來檢查測試結(jié)果的正確性。然后進(jìn)行零部件的有限元模型分析，評價頻響函數(shù)。通過校正模型形狀、質(zhì)量和材料參數(shù)可以獲取模態(tài)頻率和模態(tài)之間的關(guān)系。其次通過模態(tài)分析和應(yīng)變能分析找出需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)的位置，通過多次優(yōu)化，最終得到制造可行性下的最低噪音水平。圖5給出了油底殼的應(yīng)變能分布，那些高應(yīng)變能區(qū)域即為需要優(yōu)化的地方，采用增加支撐板的方法來降低其振動噪音。圖6給出了增加加強筋后的結(jié)構(gòu)。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在油底殼質(zhì)量少量增加的情況下噪音降低了3dB，如圖7所示。對TGC也采用相同的方法，通過增加加強筋優(yōu)化結(jié)構(gòu)剛度。

圖5 油底殼的應(yīng)變能

圖6 增加支撐板后的油底殼結(jié)構(gòu)

圖7 油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的聲能級對比

4.3 燃燒噪音控制

對駕駛員耳旁噪音貢獻(xiàn)較大的是燃燒噪音。推遲供油提前角可以降低燃燒壓力升高率，從而降低燃燒噪音，但是推遲供油提前角同時也會影響發(fā)動機動力性能和排放性能[8]。通過試驗對比，最終決定推遲供油提前角 1.5度。這樣可以降低駕駛員耳旁噪音聲壓級 SPL2dB，而發(fā)動機動力性和排放性基本不變。

5 結(jié)論

對一輛農(nóng)用拖拉機進(jìn)行駕駛員耳旁噪音試驗，通過消去法識別出主要噪聲源，即消聲器、發(fā)動機油底殼、正時齒輪蓋和燃燒噪音。利用邊界元理論對消聲器進(jìn)行重新設(shè)計，利用有限元法優(yōu)化油底殼和正時齒輪蓋結(jié)構(gòu)，利用推遲供油提前角降低燃燒噪音，最終將拖拉機的駕駛員耳旁噪音水平降低了6 dB。

（1）對行駛的拖拉機很難進(jìn)行全負(fù)荷工況下的噪聲源識別，在半消聲室中可以很好的進(jìn)行。

（2）消去法是識別拖拉機駕駛員耳旁噪音源的一種有效方法。

（3）混合理論可以較好的進(jìn)行消聲器重新設(shè)計，預(yù)測和降低排氣管噪音。

（4）試驗?zāi)B(tài)分析結(jié)合有限元理論，可以有效的進(jìn)行零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低噪音。

（5）燃燒噪音可以通過推遲供油提前角來降低。