優化內燃發動機的結構輻射噪聲，對提升汽車的聲音質量有何幫助？

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在現代社會中，汽車已經成為人們生活中不可或缺的一部分，而在汽車的設計和製造過程中，噪聲問題一直是一個至關重要的考慮因素。

特別是在汽車的發動機部分，內燃機噪聲常常被消費者認為是評判汽車品質和耐久性的重要標準之一。在這種背景下，聲音質量仿真和優化理論的研究顯得尤為重要。

本研究聚焦於解決汽車內燃發動機的聲音質量問題，特別是關注了結構輻射噪聲這一主要的噪聲源。研究的核心目標是通過優化設計來降低發動機的結構輻射噪聲，從而提升汽車的聲音質量。

聲音質量仿真和優化理論

車輛內外的噪聲是消費者判斷汽車耐久性和質量的最重要因素之一，在各種因素的影響下，內燃發動機噪聲是不可避免的，特別是發動機在較高的轉速下會更為明顯。

本研究旨在提高未與車廂腔體或其他腔體耦合的柴油發動機的聲音質量，換句話說，結構輻射噪聲主要由全局結構模態主導，特別是諸如缸體這樣的大型組件的模態。因此，我們選擇缸體的全局模態來分析和優化缸體和發動機的輻射噪聲。

通過提高結構剛度可以分離模態頻率和激勵峰頻，這是也是我們採取減少結構輻射噪聲的有效方法。

有人也研究了類似的方法，優化了寬帶輻射噪聲問題，他使用了肋骨加固的圓柱殼，最終也證明了不同方法的可行性。

研究也嘗試過考慮靜態剛度和歐幾里得距離多目標函數，使用有限元分析（FEA）和邊界元分析（BEA）來減少柴油發動機缸蓋的結構輻射噪聲。

然而，優化後的缸蓋受到原始邊界條件的影響，影響了優化後的結構響應結果。

其他科學家建立了一個內燃發動機的柔性多體動力學模型，預測了缸體的聲音和振動響應，以減少噪聲。

他們使用模態簡化技術將給定的動態有限元模型減少為自由度較少的模型，同時保持系統的動態特性，可他們未考慮發動機的聲音質量（SQ），這可能導致雙耳聽覺無法感知聲功率的降低。

於是實驗決定從發動機和缸體表面入手，從而使輻射的聲音功率減小；同時也減小了結構輻射噪聲的響度、尖銳度和粗糙度，使聲音更加安靜低沉和平滑，最終改善了柴油發動機的聲音質量。

來自塊體表面輻射噪音的聲音品質模擬

聲音質量包括主觀和客觀評價，其工程應用可追溯到20世紀80年代末。主觀評價基於實驗心理學。

本文不在此詳細討論，而客觀評價建立了聲音的心理和物理參數之間的關係，採用了神經網絡技術、時頻分析和客觀參數回歸分析的方法。

響度直接影響聲音質量參數的其他參數，是聲音質量客觀評價理論中最基本的參數之一，因此本研究提出了一種結構輻射聲音響度的仿真模型，其結果用於計算尖銳度和粗糙度。

考慮到聲音的遮蓋效應，一般研究都採用臨界帶來描述頻率選擇性與雙耳聽覺的關係，將可聽頻率範圍分成24個頻帶。

然而，在聲學仿真問題中，某些特定目標的特定頻率範圍被選為計算域，這不僅可以解決工程問題，還可以節省大量計算時間。

如果需要分析聲音事件的聲音質量屬性，例如發動機缸體表面輻射的聲能集中在1000-3000

，則只選擇了很少的臨界帶進行分析，這嚴重影響了結果的準確性。

在本研究中，等效矩形帶寬取代臨界帶，並將可聽頻率範圍劃分為大約40個頻帶，這通過考慮耳蝸的聲學傳遞函數，提高了雙耳和單耳聽覺的聲學敏感性。

在之後的研究中我們要簡單地了解一下本文使用的柴油機模型，柴油機的有限元模型,包括塊、汽缸蓋(蓋)、曲軸、飛輪、油盤、進/排氣流形、變速箱和輔助裝置，是用來計算和評價結構動力響應的。

所有這些數值模型都是由六面體元素組成,通過模態實驗驗證,將發動機的飛輪側連接到變速箱上,使該數值模型與工作台試驗一樣完整,從而提高了動態模擬的精度。

選擇柴油機具有最大輸出功率的額定狀態，並且進一步分析該塊的結構動力響應，為了保證仿真精度,我們建立了完整的有限元模型,並將其置於支架內,以形成一個三點支承。

此外,為了保證操作可靠性,還需要在部件之間建立正確的連接， 發動機自由端的阻尼器對於衰減曲軸的扭轉振動非常重要,不同的軸承一定要被用來裝配相應的部件，例如推力軸承負責防止曲軸在軸向上穿梭。

對結構施加精確的激勵也是保證精確動態結果的重要因素，該塊受到以下幾種激勵方式:一是汽缸內燃燒引起的氣體壓力通過汽缸蓋螺栓輸送到油缸內。

二是汽缸-活塞接觸引起的橫向力通過汽缸襯墊輸送，最後是氣門系統運動引起的衝擊力直接應用於閥座(即閥門座力)或從軸承傳送到油塊。

在上述激勵中,氣體壓力是通過在燃燒室頂部的適當鑰匙孔穿孔和設置數據採集壓力傳感器進行實驗測量的。

作為典型的四汽缸內燃機,動力衝程順序為1-3-4-2,連續動力衝程之間曲柄角度不變,為180°以確保結構平穩,正如V6發動機的序號是1-5-3-6-2。

顯示在頻率域活塞頂部的氣體力一般來說都在600赫茲以下,也是影響發動機的振動主要原因;然而,它的曲線在較高的頻率有峰值,這主要影響結構輻射的噪聲。

在不同曲柄角度和頻率下,汽缸內燃燒誘導氣體壓力升高，本研究已將分貝單位成功轉化，汽缸-活塞接觸感應力又稱側向力,由兩方面組成:第一是活塞往複慣性運動引起的准靜態力,相對於發動機的基本參數和氣體壓力。

第二是活塞產生的衝力,在活塞倒轉時發生,由流體潤滑、汽缸-活塞間隙和徑向彈性變形等因素引起活塞作用。

研究中用活塞動力學計算了第三個圓柱體在不同曲柄角下的側向力,圓筒-活塞的間隙為0.108毫米，計算結果表明,活塞逆轉時,在曲柄角700°處,力能超過8000N。

在閥門系統運動引起的激勵中,閥門的閥座力、凸輪軸軸承力和搖桿軸承力主要是造成發動機噪聲的因素，研究過程顯示在不同曲柄角下的第三個圓柱的進氣門閥座力不同。

在曲柄角度跨度為0-246°的情況下,第三個圓柱體正在進行進氣門行程,在此過程中,進氣門保持打開,力保持在0N，當曲柄角度達到246度時,由於進氣門的結束,閥門關閉,最大力出現。

幅值為668N最後,將完整的邊界條件強加於柴油機的動力學模型中,可以得到來自塊表面的結構響應。

為了驗證動態模擬的準確性,在標準的半消聲室中,對柴油機進行了台架試驗,以測量在定值條件下塊表面的振動響應。

信號採樣頻率和振動傳感器的有效頻率響應範圍分別為10.24千赫和0-10千赫，在台架試驗中,柴油機的轉速穩定在3600R/分鐘;此外,還在塊面上選擇了距離一定的隨機測量點,以保證實驗數據的高度獨立性。

在本研究中,採用振動速度水平來評估來自塊體表面的結構響應，最終也給出了兩個測量點的動態模擬和台架試驗結果。

數據表明，振動速度水平曲線的變化趨勢和幅值與1號點的台架測試結果基本吻合,儘管由於傳感器的附加質量和系統的必要簡化等邊界條件的不可避免的誤差,在某些頻率上存在着合理的差異。

對於內燃機這樣的複雜系統,必須簡化一些激勵和邊界條件,以確保在最小的計算範圍內的準確性和複雜性。

兩點經過對比之後比較結果相似，一般而言,從動態模擬來看,每一個測量點在0-3000赫茲範圍內的振動速度水平的變化趨勢和幅值與台架試驗一致,證明了柴油機的數值模型和模擬結果對於工程應用是足夠精確的。

由塊體表面發出的噪音的聲音品質優化

本節中使用的方法是從塊體表面得到的聲學響應，一旦如上文所述確定並驗證了塊表面振動速度的正常分量,就通過標準的BEA碼計算出感興趣頻率範圍內的聲功率。

然後,根據質量研究程序 來判定,結構噪音可以通過塊剛度優化來降低音量、銳度和粗糙度,從而使聲音更安靜、更低、更平滑。

一般來說,內燃機塊的輻射聲能以1000-3000赫茲為中心，因此在本研究中,我們分析了這個頻率範圍,以便大幅度縮短計算時間。

我們在文中也介紹了在不同頻率下,來自塊體表面的輻射聲功率水平。在定級條件下,原塊結構輻射聲功率級曲線的總值為86.2DBA,1500-1900赫茲，和2300-2800赫茲存在較大峰值。

塊聲質量優化應滿足以下前提條件:(1)發動機性能除了噪聲、振動和惡劣度(NVH)屬性不應受到負面影響,(2)新塊可以鑄造,沒有結構連接等問題,(3)優化輻射噪聲的聲音質量參數低於原有參數。

優化方案的實施主要有以下幾點,以提高塊剛度,減少輻射噪聲,提高聲音質量。每種方案的計算程序 需要再次進行,以獲得結構反應和健全的質量的新塊。

因此,提出了實現理想頻率分離的各種方案，每一個新方案都是通過觀察是否降低的聲音功率水平塊。

如果是,可以利用該方案建立下一個更好的方案;如果不是,則應提出另一個不同的方案，經過這一優化程序,確定了該塊的推力側、防推力側和飛輪側的優化設計。

總之,該優化方案在以下方面改進了該塊的聲學特性:1.聲功率級總值幾乎降低1DBA,因此輻射聲能降低20%。

音量、銳度和粗糙度大大降低了6%以上,分別會使聲音更安靜、更低沉和更平滑，最優塊作為其他部件(尤其是薄壁部件)輻射噪聲的主要勵磁源,可以降低部件的NVH響應,最終提高發動機的聲音質量。

發動機的自由端對NVH的研究具有重要意義,對實驗台試驗和發動機艙的聲學性能有重要影響。

此外,我們還在排氣管的末端放置一個吸管,以便將廢氣快速排放到室外空間，由於泵浦噪聲會擾亂推力側的聲音響應,而且迄今為止還沒有提出統一的發動機聲音質量客觀評價國際標準,因此選擇了一個距離自由端點一米的測量點來測量柴油機的聲音質量。

此外,本文還根據最優三維模型鑄造了一個新的塊,以驗證聲音質量仿真和優化理論的有效性，並且為了獲得時間範圍內的聲音質量參數及其總體值,在評級條件下替換最佳塊之後,進行了一次聲音質量評價的台試。

在額定條件下,優化柴油機的音量、銳度和粗糙度分別比原有柴油機低33.36索內(10.78%)、0.13烏頭(6.47%)和0.08阿斯珀(12.70%)。

另外,在相同的條件下,使用了五位聲學專家對自由端的聲音質量進行主觀評價，對優化設計前後的聲學性能變化的調查表明,自由端的聲音被認為是更安靜、更低沉、更平滑的,分別是由於音量、粗糙度和銳度的下降。

總之,驗證了數值和實驗方法的聲音質量模擬方法的可行性和有效性,該方法降低了柴油機結構輻射噪聲,提高了柴油機的聲音質量。

在汽車領域，噪聲問題是一個重要的考量因素，特別是內燃發動機的噪聲問題。

本研究聚焦於結構輻射噪聲，認為這是當前主要的噪聲源，通過優化設計來減少結構輻射噪聲，提升發動機的聲音質量，從而提高消費者對汽車質量的感知。

這對於提升汽車聲音質量、改善消費者體驗具有重要意義，為汽車製造商提供了有益的參考和指導。