发动机噪声及振动

汽车噪声与振动

——理论与应用

汽车噪声的传递有固体波动和气体波动两种传播形式。通常500Hz以下的低、中频率噪声主要以固体波动形式传播，而在较高的频带内则以空气传播为主。

第十章发动机的振动

第十一章发动机的噪声

在相同条件下，柴油机的排气噪声要比汽油机的排气噪声大，二冲程内燃机的排气噪声要比四冲程的大。柴油机的排气声呈明显的低频性，能量主要集中在基频及其倍频的频率范围内；中频范围主要是排气管内气柱振荡的固有音；高频范围主要包括燃烧声和气流高速通过气口的空气动力噪声。

发动机两种噪声：纯音和混杂音。纯音是窄频带的，用抗性消音器；混杂音是宽频带的，用阻性消声器。

抗性消声器：将能量反射回声源，从而抑制声音。

阻性消声器：声能被吸声材料吸收并转化成热能，从而消声。

发动机噪声估算： 1、柴油机声功率级

)lg(

30)lg(1057b

b b W n n

P n L ++≈ （dBA ） 式中：W L ——柴油机声功率级；

b P ——柴油机标定功率（kW ）； b n ——柴油机标定转速（r/min ）； n ——柴油机实际转速（r/min ）。

2、柴油机机体表面辐射声功率级的近似公式

柴油机机体表面辐射的31倍频程声功率级近似计算公式如下：

)lg(2010001000)

1(lg 1052)(b b b

b W n n

f

f m P P n f L +?

?

????+++≈ 式中：f ——31倍频程中心频率（Hz ）；

m ——柴油机质量（kg ）。

3、汽油机声功率级估算

)lg(

50)lg(1057b

b b W n n

P n L ++≈ （dBA ） 以上公式只是估算，公式已显陈旧。

机体结构特性：

结构特性主要指振型、固有频率和传递函数。

燃烧噪声：由于气缸内燃烧，将活塞对缸套的压力振动通过缸盖—活塞—连杆—曲柄—机体向外辐射的噪声称为燃烧噪声。

机械噪声：活塞对缸套的撞击、正时齿轮、配气机构、喷油系统、辅助皮带、正时皮带等运动件之间的机械撞击所产生的振动激发的噪声称为机械噪声。

进气噪声：

进气噪声是由进气门周期性开、闭而产生的压力波动所产生的。它主要包括三种成分：\ 1、进气门开启时活塞作变速运动所引起的进气脉动噪声； 2、进气门关闭时进气管道中的空气柱共振噪声； 3、气流流经进气门环隙时产生的涡流噪声。

进气门开启时，在进气管中产生一个压力脉冲，随着活塞的继续运动，它逐渐消失；当进气门关闭时，同样产生一个持续一定时间的压力脉冲，这样就产生了周期性的进气噪声。次噪声为低频成分，其基频由下式决定：

τ

z n f ?=

601 式中：n ——内燃机转速（r/min ）；

z ——气缸数目；

τ——冲程系数，四行程2=τ，两行程1=τ。

有时在进气噪声中还会出现明显的12f 、13f 的高次谐波成分，其频率一般都是500Hz 以下的低频范围。

进气门涡流噪声

进气门涡流噪声：空气在进气门通过截面处，以高速流入并形成涡流，从而产生涡流噪声。由于进气门流通截面积是变化的，其噪声一般是宽频带、连续的高频噪声，主要频率成分在1000Hz 以上。

涡流噪声的峰值频率为：

d

v

S f r ?=

式中：r S ——斯特劳哈尔数，一般取05.0=r S ；

v ——气门处进气截面的气流速度（m/s ）；

d ——进气门直径（m ）

。 对于涡轮增加发动机，由于增压器的转速很高，因此，其进气噪声明显高于非增压发动机。 进气噪声的大小：与发动机的进气方式、进气门结构、缸径、凸轮型线等设计因素有关。设计合理的进气系统，包括安装合适的空气滤清器、加装空气消声器等都是降低进气噪声最有效的措施。

风扇噪声：

内燃机的冷却系统通常采用低压轴流式风扇，风扇噪声在内燃机空气动力性噪声中一般都小于排气噪声和进气噪声，但风冷发动机的风扇噪声要比水冷机大，且可能成为主要的噪声源。

风扇噪声是由旋转噪声和涡流噪声组成。

1、旋转噪声的基频就是叶片每秒打击空气质点的次数，其值为：

60

1i n f f ?=

（Hz ）

式中：f n ——风扇转速（r/min ）；

i ——风扇叶片数，对内燃机多为4~6片。 2、涡流噪声又称紊流噪声

它是气流在旋转的叶片界面上分离时，由于气体具有粘性，便滑脱或分裂成一系列的漩涡流，从而辐射一种非稳定的流动噪声。当该涡流引起的振动频率与叶片的固有频率接近时，叶片振动和噪声增加，这一振动往往是叶片折断的一个原因。涡流噪声主要峰值频率可用下式估计：

d

u

S f r ?=

式中：r S ——斯特劳哈尔数，一般取2.0~14.0=r S ；

u ——气流与叶片之间的相对速度（m/s ）；

d ——叶片在垂直于速度平面上投影的宽度（m ）

。 3、风扇转速通常都是很高的，因而除了风扇本身的空气动力性噪声外，还有由于风扇的不平衡及支座的振动、轴承的撞击、传动带的振动、风扇导风罩的振动等产生的一系列的、有些甚至较强的机械噪声。

4、取较大的风扇直径、增加风扇叶片数也可降低风扇噪声。在水冷发动机上叶片数一般为4~6个；在风冷发动机上，多采用机翼型风扇断面，叶片数5~17片。

5、风扇安装位置

随着风扇与散热器之间距离的增加，风扇的冷却能力、流量和噪声都要增加，但距离达到某一最大值后又开始下降。

6、风扇材料

铸铝叶片要比冲压钢板叶片噪声小；采用尼龙叶片要比金属叶片噪声小。 机械噪声：

1、活塞——曲柄连杆机构噪声

配器机构产生的噪声，就总体而言，在低速和中速内燃机中，一般并不突出，但对高速内燃机来说，往往会在机械噪声源中占有较高份额。

配器机构的噪声一般分布在低中频范围内，它的主要低频成分频率可由下式决定：

图9-24 气门机构噪声和摇臂应力图

燃烧噪声：

一般情况下，汽油机的燃烧噪声比较小，只是在发生爆震和表面点火等不平常燃烧时才会产生较高的噪声。柴油机的燃烧噪声与汽油机不同，在总噪声中占有很大的比例，远比汽油机高的多。

柴油机燃烧过程：着火延迟期、急燃期、缓燃期、后燃期，如下图所示：

燃烧阶段对噪声的影响

序号阶段对噪声影响程度及造成原因

1、着火延迟期

此阶段气缸内的压力和温度变化小，对噪声直接影响小，而着火延迟期对整个燃烧过程

的进展有很大影响，所以对燃烧噪声有的潜在影响。

2、急燃期

气缸内气体压力和温度急剧增加并以压力波形式向气缸壁传播和反射，这直接影响到内

燃机的振动和噪声。

影响急燃期内压力增长率的主要因素是：着火延迟期的长短和供油规律。着火延迟期愈

长，在此期间内喷入气缸的燃油愈多，则末压力增长率和最高燃烧压力也就愈高。

3、缓燃期对发动机的高频振动和高频噪声有影响。

4、后燃期气缸内的气体压力和温度已显著下降，对燃烧噪声的影响已不大。

4）影响燃烧噪声的因素

序号影响

因素

影响内容

1、燃烧

室

燃烧室的结构形式及整个燃烧系统的设计对压力增长率?d

dp/、最高燃烧压力

z

p及气缸压力的频谱曲线有明显的影响，因此对燃烧噪声的影响很大。

2、供油

系统

参数

供油

提前

角

从动力性、经济型角度，往往供油提前角偏大；从减小排放和降噪角度考虑，则应适当

推迟供油提前角。

喷油

压力

喷油压力的变化影响燃烧过程，但对燃烧噪声的并没有太大影响。

喷孔

数量

减少喷孔数量——着火延迟期缩短，有助于降低?d

dp/，气缸的压力频谱曲线也相应降低，尤其是中高频将的更多些。但喷孔数量的减少会导致柴油机“油耗率”的恶化。

内燃机噪声源测定方法：

GB1859-89内燃机噪

声声功率级的测定准工

降低内燃机噪声：

一、内燃机降噪基本方法：

对于汽油机由于其本身的高速性，机械噪声可能大于燃烧噪声；对于柴油机由于本身工作的粗暴性，在较低转速下燃烧噪声要高于机械噪声，随着转速的提高，两者之间的相对关系会发生变化；风扇噪声相对较小，但如果转速显著提高或是风冷内燃机，其噪声也会突出增大；进气噪声一般是不突出的，但采用增压后也会明显增加。

降噪基本措施：一是从噪声产生机理入手，致力于降低产生噪声的声源；二是减振隔振。

二、降低燃烧噪声：

燃烧噪声测量：1、卸下风扇除去风扇噪声；2、用通风管从室外引进吸入空气以除去进气噪声；3、将排气管引至室外除去排气噪声，最后所测得的便可认为是燃烧噪声。

降低燃烧噪声的基本方法：适当降低气缸内的压力增长率。要降低柴油机的燃烧噪声可以从以下两个方面进行：

1、降低气缸压力频谱

.

4）采用增压不论是采用增压的同时降低转速或减小缸径以保持功率不变，都可以有效降低燃烧噪声。

2、结构衰减

三、降低机械噪声：

1、降低活塞敲击噪声

活塞对气缸的敲击噪声占机械噪声中的比例最大。

A、减少活塞与气缸之间的间隙；

B、将活塞销中心偏置气缸中心线；

C、其它措施。增加缸套刚度：不仅可以降低活塞的敲击噪声，也可以降低因活塞和缸壁摩

擦而产生的噪声。改进活塞和气缸壁之间的润滑状况，增加活塞敲击缸壁时的阻尼，也