优化内燃发动机的结构辐射噪声，对提升汽车的声音质量有何帮助？

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在现代社会中，汽车已经成为人们生活中不可或缺的一部分，而在汽车的设计和制造过程中，噪声问题一直是一个至关重要的考虑因素。

特别是在汽车的发动机部分，内燃机噪声常常被消费者认为是评判汽车品质和耐久性的重要标准之一。在这种背景下，声音质量仿真和优化理论的研究显得尤为重要。

本研究聚焦于解决汽车内燃发动机的声音质量问题，特别是关注了结构辐射噪声这一主要的噪声源。研究的核心目标是通过优化设计来降低发动机的结构辐射噪声，从而提升汽车的声音质量。

声音质量仿真和优化理论

车辆内外的噪声是消费者判断汽车耐久性和质量的最重要因素之一，在各种因素的影响下，内燃发动机噪声是不可避免的，特别是发动机在较高的转速下会更为明显。

本研究旨在提高未与车厢腔体或其他腔体耦合的柴油发动机的声音质量，换句话说，结构辐射噪声主要由全局结构模态主导，特别是诸如缸体这样的大型组件的模态。因此，我们选择缸体的全局模态来分析和优化缸体和发动机的辐射噪声。

通过提高结构刚度可以分离模态频率和激励峰频，这是也是我们采取减少结构辐射噪声的有效方法。

有人也研究了类似的方法，优化了宽带辐射噪声问题，他使用了肋骨加固的圆柱壳，最终也证明了不同方法的可行性。

研究也尝试过考虑静态刚度和欧几里得距离多目标函数，使用有限元分析（FEA）和边界元分析（BEA）来减少柴油发动机缸盖的结构辐射噪声。

然而，优化后的缸盖受到原始边界条件的影响，影响了优化后的结构响应结果。

其他科学家建立了一个内燃发动机的柔性多体动力学模型，预测了缸体的声音和振动响应，以减少噪声。

他们使用模态简化技术将给定的动态有限元模型减少为自由度较少的模型，同时保持系统的动态特性，可他们未考虑发动机的声音质量（SQ），这可能导致双耳听觉无法感知声功率的降低。

于是实验决定从发动机和缸体表面入手，从而使辐射的声音功率减小；同时也减小了结构辐射噪声的响度、尖锐度和粗糙度，使声音更加安静低沉和平滑，最终改善了柴油发动机的声音质量。

来自块体表面辐射噪音的声音品质模拟

声音质量包括主观和客观评价，其工程应用可追溯到20世纪80年代末。主观评价基于实验心理学。

本文不在此详细讨论，而客观评价建立了声音的心理和物理参数之间的关系，采用了神经网络技术、时频分析和客观参数回归分析的方法。

响度直接影响声音质量参数的其他参数，是声音质量客观评价理论中最基本的参数之一，因此本研究提出了一种结构辐射声音响度的仿真模型，其结果用于计算尖锐度和粗糙度。

考虑到声音的遮盖效应，一般研究都采用临界带来描述频率选择性与双耳听觉的关系，将可听频率范围分成24个频带。

然而，在声学仿真问题中，某些特定目标的特定频率范围被选为计算域，这不仅可以解决工程问题，还可以节省大量计算时间。

如果需要分析声音事件的声音质量属性，例如发动机缸体表面辐射的声能集中在1000-3000

，则只选择了很少的临界带进行分析，这严重影响了结果的准确性。

在本研究中，等效矩形带宽取代临界带，并将可听频率范围划分为大约40个频带，这通过考虑耳蜗的声学传递函数，提高了双耳和单耳听觉的声学敏感性。

在之后的研究中我们要简单地了解一下本文使用的柴油机模型，柴油机的有限元模型,包括块、汽缸盖(盖)、曲轴、飞轮、油盘、进/排气流形、变速箱和辅助装置，是用来计算和评价结构动力响应的。

所有这些数值模型都是由六面体元素组成,通过模态实验验证,将发动机的飞轮侧连接到变速箱上,使该数值模型与工作台试验一样完整,从而提高了动态模拟的精度。

选择柴油机具有最大输出功率的额定状态，并且进一步分析该块的结构动力响应，为了保证仿真精度,我们建立了完整的有限元模型,并将其置于支架内,以形成一个三点支承。

此外,为了保证操作可靠性,还需要在部件之间建立正确的连接， 发动机自由端的阻尼器对于衰减曲轴的扭转振动非常重要,不同的轴承一定要被用来装配相应的部件，例如推力轴承负责防止曲轴在轴向上穿梭。

对结构施加精确的激励也是保证精确动态结果的重要因素，该块受到以下几种激励方式:一是汽缸内燃烧引起的气体压力通过汽缸盖螺栓输送到油缸内。

二是汽缸-活塞接触引起的横向力通过汽缸衬垫输送，最后是气门系统运动引起的冲击力直接应用于阀座(即阀门座力)或从轴承传送到油块。

在上述激励中,气体压力是通过在燃烧室顶部的适当钥匙孔穿孔和设置数据采集压力传感器进行实验测量的。

作为典型的四汽缸内燃机,动力冲程顺序为1-3-4-2,连续动力冲程之间曲柄角度不变,为180°以确保结构平稳,正如V6发动机的序号是1-5-3-6-2。

显示在频率域活塞顶部的气体力一般来说都在600赫兹以下,也是影响发动机的振动主要原因;然而,它的曲线在较高的频率有峰值,这主要影响结构辐射的噪声。

在不同曲柄角度和频率下,汽缸内燃烧诱导气体压力升高，本研究已将分贝单位成功转化，汽缸-活塞接触感应力又称侧向力,由两方面组成:第一是活塞往复惯性运动引起的准静态力,相对于发动机的基本参数和气体压力。

第二是活塞产生的冲力,在活塞倒转时发生,由流体润滑、汽缸-活塞间隙和径向弹性变形等因素引起活塞作用。

研究中用活塞动力学计算了第三个圆柱体在不同曲柄角下的侧向力,圆筒-活塞的间隙为0.108毫米，计算结果表明,活塞逆转时,在曲柄角700°处,力能超过8000N。

在阀门系统运动引起的激励中,阀门的阀座力、凸轮轴轴承力和摇杆轴承力主要是造成发动机噪声的因素，研究过程显示在不同曲柄角下的第三个圆柱的进气门阀座力不同。

在曲柄角度跨度为0-246°的情况下,第三个圆柱体正在进行进气门行程,在此过程中,进气门保持打开,力保持在0N，当曲柄角度达到246度时,由于进气门的结束,阀门关闭,最大力出现。

幅值为668N最后,将完整的边界条件强加于柴油机的动力学模型中,可以得到来自块表面的结构响应。

为了验证动态模拟的准确性,在标准的半消声室中,对柴油机进行了台架试验,以测量在定值条件下块表面的振动响应。

信号采样频率和振动传感器的有效频率响应范围分别为10.24千赫和0-10千赫，在台架试验中,柴油机的转速稳定在3600R/分钟;此外,还在块面上选择了距离一定的随机测量点,以保证实验数据的高度独立性。

在本研究中,采用振动速度水平来评估来自块体表面的结构响应，最终也给出了两个测量点的动态模拟和台架试验结果。

数据表明，振动速度水平曲线的变化趋势和幅值与1号点的台架测试结果基本吻合,尽管由于传感器的附加质量和系统的必要简化等边界条件的不可避免的误差,在某些频率上存在着合理的差异。

对于内燃机这样的复杂系统,必须简化一些激励和边界条件,以确保在最小的计算范围内的准确性和复杂性。

两点经过对比之后比较结果相似，一般而言,从动态模拟来看,每一个测量点在0-3000赫兹范围内的振动速度水平的变化趋势和幅值与台架试验一致,证明了柴油机的数值模型和模拟结果对于工程应用是足够精确的。

由块体表面发出的噪音的声音品质优化

本节中使用的方法是从块体表面得到的声学响应，一旦如上文所述确定并验证了块表面振动速度的正常分量,就通过标准的BEA码计算出感兴趣频率范围内的声功率。

然后,根据质量研究程序 来判定,结构噪音可以通过块刚度优化来降低音量、锐度和粗糙度,从而使声音更安静、更低、更平滑。

一般来说,内燃机块的辐射声能以1000-3000赫兹为中心，因此在本研究中,我们分析了这个频率范围,以便大幅度缩短计算时间。

我们在文中也介绍了在不同频率下,来自块体表面的辐射声功率水平。在定级条件下,原块结构辐射声功率级曲线的总值为86.2DBA,1500-1900赫兹，和2300-2800赫兹存在较大峰值。

块声质量优化应满足以下前提条件:(1)发动机性能除了噪声、振动和恶劣度(NVH)属性不应受到负面影响,(2)新块可以铸造,没有结构连接等问题,(3)优化辐射噪声的声音质量参数低于原有参数。

优化方案的实施主要有以下几点,以提高块刚度,减少辐射噪声,提高声音质量。每种方案的计算程序 需要再次进行,以获得结构反应和健全的质量的新块。

因此,提出了实现理想频率分离的各种方案，每一个新方案都是通过观察是否降低的声音功率水平块。

如果是,可以利用该方案建立下一个更好的方案;如果不是,则应提出另一个不同的方案，经过这一优化程序,确定了该块的推力侧、防推力侧和飞轮侧的优化设计。

总之,该优化方案在以下方面改进了该块的声学特性:1.声功率级总值几乎降低1DBA,因此辐射声能降低20%。

音量、锐度和粗糙度大大降低了6%以上,分别会使声音更安静、更低沉和更平滑，最优块作为其他部件(尤其是薄壁部件)辐射噪声的主要励磁源,可以降低部件的NVH响应,最终提高发动机的声音质量。

发动机的自由端对NVH的研究具有重要意义,对实验台试验和发动机舱的声学性能有重要影响。

此外,我们还在排气管的末端放置一个吸管,以便将废气快速排放到室外空间，由于泵浦噪声会扰乱推力侧的声音响应,而且迄今为止还没有提出统一的发动机声音质量客观评价国际标准,因此选择了一个距离自由端点一米的测量点来测量柴油机的声音质量。

此外,本文还根据最优三维模型铸造了一个新的块,以验证声音质量仿真和优化理论的有效性，并且为了获得时间范围内的声音质量参数及其总体值,在评级条件下替换最佳块之后,进行了一次声音质量评价的台试。

在额定条件下,优化柴油机的音量、锐度和粗糙度分别比原有柴油机低33.36索内(10.78%)、0.13乌头(6.47%)和0.08阿斯珀(12.70%)。

另外,在相同的条件下,使用了五位声学专家对自由端的声音质量进行主观评价，对优化设计前后的声学性能变化的调查表明,自由端的声音被认为是更安静、更低沉、更平滑的,分别是由于音量、粗糙度和锐度的下降。

总之,验证了数值和实验方法的声音质量模拟方法的可行性和有效性,该方法降低了柴油机结构辐射噪声,提高了柴油机的声音质量。

在汽车领域，噪声问题是一个重要的考量因素，特别是内燃发动机的噪声问题。

本研究聚焦于结构辐射噪声，认为这是当前主要的噪声源，通过优化设计来减少结构辐射噪声，提升发动机的声音质量，从而提高消费者对汽车质量的感知。

这对于提升汽车声音质量、改善消费者体验具有重要意义，为汽车制造商提供了有益的参考和指导。