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平地机水箱换热器噪声声强分析研究

点击:1630 日期:[ 2014-04-26 22:00:34 ]
                            平地机水箱换热器噪声声强分析研究                                     汪菲1,阎维佳2                      (1.天津大学;2.鼎盛天工工程机械股份有限公司)     摘要:工程机械产品的噪声控制必须先寻找噪声源。在多种噪声源识别方法中选择了声强分析方法作为工程机械噪声源识别的主要手段,并以1台PY180G型平地机后端面为例,利用声强技术研究了表面辐射声场的分布情况,分析了辐射噪声与后端水箱换热器结构特性的关系,揭示了风扇噪声对平地机后端噪声的重要影响,确定了平地机后端辐射噪声的主要声源及其声学特性,提出了相应的降低噪声的技术方案。     关键词:噪声;声强分析;平地机;水箱换热器     平地机是城市建设和道路施工的重要设备。为了控制工程机械设备的噪声污染,我国在1996年颁布了GB16710.1—1996《工程机械噪声限值》强制性 标准。欧美等工业发达国家针对工程机械设备的噪声限值也日趋严格。2005年5月5日欧盟颁布的《有关室外使用设备环境噪声排放》法规规定,从2006年1月起,实施该法规第二阶段噪声排放标准。对于平地机而言,当发动机净安装功率P大于 55 kW时,车外辐射噪声声功率级不得大于 82+11lgP dB,驾驶室司机耳旁噪声声压级不得大于85 dB。     噪声源的识别是进行整车噪声控制的基础与前提。要控制平地机的噪声,首先要从分析和识别噪声源入手,然后再根据试验分析结果对主要噪声源实 施有效的改进措施,最终才能达到降噪目的。现在国际上较常用的噪声源识别测量分析方法有:分别运转法、铅覆盖法、表面振动速度测量法、近场声压测量法、声强测量法和声全息测量法等。本次 针对PY180G型平地机的噪声试验研究是在室内进行的。测试环境无消声措施,整车外形较大,不便于覆盖和拆卸,也无法分别运转,因此选择声强测量法对该平地机进行噪声源识别分析和研究。     1.平地机声强试验研究     声强法识别噪声源主要有以下两种方法:声功率排序法,即根据每个部件的声功率的排序来确定作为主要噪声源的零部件;等声强线图法,根据被测表面的等声强线图来确定主要噪声源所在的位置和区域。本次试验选用了等声强线法对PY180G型平地机进行了测试和噪声源的识别研究。     声强I是通过垂直于声传播方向的单位面积上的平均声能量流。                           将(4)式带入(2)式计算质点的速度,并将计算 结果和(3)式一起带入(1)式,就得到了声强。声强是矢量,因此声强测量受环境的影响较小。在背景噪声较小的情况下,用等声强线图法进行整车噪声源识别是一种比较准确、方便的方法。     PY180G型平地机的声强测试场地为鼎盛天工 工程机械股份有限公司的产品试验车间,如图1所示。试验仪器采用丹麦B&K公司的3560C型PULSE8.0多通道分析仪和3599型声强测试探头。                          试验时平地机定置不动,踩下制动踏板,各工作装置均不工作,变速器处于空挡,发动机维持在额定转速2 200 r/min。     后端测量面网格划分如图2所示。油底壳位置 至排气口设置了18行×16列=288个测点。测点行间距和列间距均为15 cm,测量网络距被测表面 20 cm。                           以网格间的交叉点作为测点,将声强探头垂直 于被测表面,测出每个测点处表面法线方向上的声 强数据。试验得到各测点的声强数据后,采用PLUSE系统声强后处理软件,即可画出被测表面的 等声强云图,进而识别噪声源位置。 表1是围绕着PY180G型平地机主体结构左右 两侧面和后端面测量得到的辐射噪声声功率和声强排序。根据实测结果比较可知,除了进排气噪声以外,后端面的辐射噪声平均声强最高,总声功率级排序第一。显然,降低后端噪声会对整机噪声的控制有明显的作用。由于发动机进排气噪声可以通过选配合适的消声器妥善解决,所以本文针对作为平地机最主要噪声源的后端水箱换热器表面辐射噪声进行声强分析诊断,并提出降低后端噪声的解决方案。     2.声场分析与声源识别     PY180G型平地机后端面辐射噪声的声强测试 结果如图3所示。图中声强云图根据颜色明暗确定声强大和小。颜色越亮,声强值越大,颜色越暗,声强越小。测试结果表明,后端面噪声声场呈现出以换热 器及冷却风扇为中心的高声强环带。声强最大位置出现在水箱换热器中心处,该处也对应于换热器后面的风扇中心位置,中心点最大声强级为105.0 dB。根据换热器以及冷却风扇的结构特点和安装关系可知,该平面的辐射噪声成分主要来源于发动机冷却风扇运转产生的空气动力噪声,以及气体高速流动 在换热器中引起的再生噪声和涡流噪声。可见,平地机后端面水箱换热器由于受到风扇的空气动力学作用所产生的机外辐射噪声最为突出,是必须要采取降噪措施的最主要噪声源。本文由于篇幅所限,重点对辐射噪声最大的后端面进行噪声声强测试分析,并根据声场分布和频带识别研究主要噪声源及其声学特性。     图3中标出的围绕水箱换热器方框区域的主要噪声是由发动机冷却风扇引起的,其声功率级为 101.1 dB。在排气口区域以排气噪声为主的噪声声 功率级为85.9 dB。由此可以看出,排气噪声对后端面的声功率影响很小,占总声功率的1.36%。发动机 冷却风扇的噪声占总声功率的44.5%,能量主要集中在100 Hz~2 000 Hz之间。     图4至图7分别为平地机后端面不同频段噪声 的声强分布图。从声强云图中可以看出,141 Hz~ 282 Hz、282 Hz~708 Hz、708 Hz~1 410 Hz三个频 带噪声能量较大,声功率为0.021 043 W,占该被测 面总声功率的72.8%。22 Hz~141 Hz低频段及1410 Hz~8 910 Hz高频段声功率为0.007 882 W,仅 占总声功率的27.2%。     从这4个频段声强分布图可以看出,141 Hz~ 1410 Hz频带内主要为冷却风扇的旋转噪声和涡流 噪声,其中141 Hz~282 Hz频带排气噪声也会产生 一定的影响。从声强梯度图表现的结构位置看,中心 区域的风扇效应,换热器边缘的缝隙效应都是噪声 控制的重点区域。     3.水箱换热器辐射噪声改进措施     根据噪声源识别的结果,平地机后端的主要噪声源位置在水箱换热器表面,该区域噪声的主要成分为换热器背后的发动机冷却风扇高速运转产生的 空气动力噪声的透射声,以及风扇推动的空气在换热器中高速流动引起的再生噪声和涡流噪声。此外,由于该平地机水箱散热器安装窗口过大,也造成了更多的风扇空气动力噪声从窗口边缘缝隙中泄漏出来。由于平地机噪声的控制和技术改造要兼顾产品 成本和工程实施的可行性,为此提出改进措施如下:     (1)将发动机罩后部换热器安装口的尺寸减小至与换热器同样大小,并密封换热器和发动机罩之间的间隙。     (2)发动机冷却风扇与换热器的距离取值为风扇直径的10%~15%,此时有较好的冷却能力和较低的噪声水平。     (3)在保证发动机散热的前提下,降低风扇转速。发动机冷却风扇采用不等间距的叶片,增大叶片直径,增大叶片宽度,增大叶弦角。增大叶片直径应 注意控制风扇叶尖最大线速度。另外可考虑采用非金属叶片,缩小风扇与导风罩护风圈的间隙,防止气流紊乱,可在降低噪声的同时提高散热效率。     (4)为了防止风扇噪声对地面反射后传播噪声,在发动机风扇正下方加装贴有双层吸声棉的吸音底罩。     (5)加固风扇导风罩,提高导风罩的结构刚度, 导风罩与车架的连接处安装弹性橡胶垫,减少由于 导风罩振动引起的噪声。     (6)堵塞导风罩的安装缝隙,防止漏风。     参考文献     [1]蒋孝煜,连小珉.声强技术及其在汽车工程中的应用 [M].北京:清华大学出版社,2001.     [2]沙云东,盛元生.用声强法测量内燃机噪声的有效性研 究[J].内燃机工程,2001,22(1):48-53.     [3]Yoshihiro Hirao,Kohei Yamamoto a,Kentaro Nakamura. Development of a hand-held sensor probe for detection of sound components radiated from a  specific device using surface intensity measurements[J].Applied Acoustics, 2004, 65(7):719-735.      [4]M.J.Crocker.Fundamentals of the Direct Measurement of Sound Intensity and Practical Applications[J].Acoustical Physics,2003,49(2):199-214. 
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