大功率柴油机声品质研究

摘  要：本文采用仿真人工头记录了大功率柴油机的声音样本，通过分析声音样本的客观参数，建立了声品质主客观评价预测模型，分析了不同工况噪声的声品质特性。分析结果显示：在柴油机不同方位，响度随着转速和负荷的增加而增加;尖锐度随着转速的增加显著提高，但与柴油机的负荷关系不大;粗糙度的变化与测量的位置有关。在9个代表性样本中，声品质评价随着柴油机的转速和负荷的增加明显降低。运用多元线性回归法得到了声品质主观评价模型，平均误差为17.53%。

关键词：柴油机;声品质;噪声;噪声测试.

一直以来，针对商用大功率柴油机的声品质特性的研究较少，但是随着生活质量的不断提升，大功率柴油机的声品质越来越引起用户的关注。针对大功率柴油机的声品质研究，目前能找到相关文献有限。刘海等人使用新的遗传优化算法对变负荷和变转速工况下的柴油机进行了全面的声品质研究，建立了新的客观参数与主观满意之间的非线性映射关系。文献【2】中，尤险峰等人研究了燃烧噪声二级影响因素对柴油机的声品质影响，结果显示控制节气门开度等可以适当控制声品质。本文与天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室合作，利用HEAD Acoustic公司的仿真人工头测试系统及ArtemiS分析软件对某款大功率柴油机的声品质进行了分析，为后续进一步减振降噪指明了方向。

一、测试实验过程

1.测试对象

测试对象为某主机厂生产的大马力柴油机，最大功率为331千瓦。

2.测试环境及设备

测试实验在天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室振动和噪声实验室完成，试验选用的设备是 HEAD Acoustic公司的仿真人工头测试系统（型号为HMS IV.1）及ArtemiS分析软件（型号为Suite 8.0）。

3.测试工况

人工头测试主要以稳态工况下柴油机噪声测试为主，柴油机稳定在测试工况后开始进行噪声测试，噪声样本采集记录了36个不同工况点下，柴油机油泵侧、排气侧和皮带轮侧1.8m处的双耳稳态噪声信号。剔除收到干扰的不稳定声音样本后，得到了108个长度为30s的有效噪声样本。测试工况如表1所示。

二、实验结果分析

1.技术路线

噪声测试处理技术路线主要分为4步：采集108组柴油机在不同工况下的噪声数据样本;通过聚类分析选取出9个代表性样本，使用语義细分法进行主观评价试验，利用声品质分析软件计算噪声样本的客观参数（包括响度、尖锐度、粗糙度）;通过主客观评价回归分析，得到声品质主观评价的预测模型;分析对比108组噪声数据的回归预测结果。

采用Head Acoustic 设备能提供 “声品质”测试参数包括 Loudness（响度）、Roughness（粗糙度）、Sharpness（尖锐度），是国际上柴油机和汽车行业用来形容主观噪声的客观测试参数。

指标 AI 跟心理声学参数关系假定是：AI = a*Loudness + b*Roughness + c*Sharpness +d，确定 a、b、c、d四个常数，就能找到主观噪声评价指标。

2.声品质的主观评价

通过柴油机噪声样本的聚类分析，选择柴油机转速和负荷作为评价指标，选取800rpm负荷0、50%、100%，1200rpm负荷50%，1400rpm负荷0、100%，1900rpm负荷0、50%、100%等9组作为代表性样本，进行主观评价打分，通过与客观参数进行相关性分析后，得到主观评价预测模型。余下的99组样本，通过预测模型得到最终的预测结果。

采用语义细分法来进行噪声的主观评价步骤：选择20名测试人员，进行对比评价;9个代表性声音样本，随机排列形成18个主观评价的声音样本;各测试人员比较每对声音数据;最后完成对9个代表性样本的主观评价打分。最终得到10份噪声声品质主观评价的有效问卷，见表2。

2.3 响度、尖锐度和粗糙度计算

2.3.1 响度计算

根据主观评价得分计算响度值如表3所示。从表3中的响度计算结果可以看出，柴油机噪声在排气侧、皮带轮侧和油泵侧的响度分布在60-160 sone 范围内，并随着转速和负荷的提高而增加。排气侧、皮带轮侧和油泵侧在800转低负荷时，响度最小值分别为75.8、64.2、80.5 sone;在1900转满负荷时，响度值最大为154、137、153 sone。

2.3.2 粗糙度计算

根据主观评价得分计算粗糙度值如表4所示。从表4中的响度计算结果可以看出，在排气侧、皮带轮侧和油泵侧，柴油机的噪声粗糙度分布在0.05-0.18 asper 范围内。在柴油机不同方位，其变化规律也不一致。在排气侧，粗糙度随着转速的增加而增加。在皮带轮侧，粗糙度在1600转低负荷取得最大值，而在1400转以下变化不大。在油泵侧，粗糙度在大转速高负荷出取得最大值。

2.3.3 尖锐度计算

根据主观评价得分计算尖锐度值如表5所示。从表5中的计算结果可以看出，柴油机噪声在排气侧、皮带轮侧和油泵侧的尖锐度分布在4-11 acum范围内。在柴油机不同方位，噪声的尖锐度随着转速的增加而显著提高，随着负荷的增加变化不大。在1600转到1900转的转速范围内，尖锐度值明显高于低转速工况下的数值。

3 声品质主观评价预测模型

从主观评价得分和客观参数结果带入公式：

AI=a×Loudness（响度）+ b×Roughness（粗糙度）+ c×Sharpness（尖锐度）+ d

根据统计分析方法和最小二乘法，求得a=0.0165，b=-16.48637，c=0.21818，d=3.61294。

带入数据进行误差计算，结果如下表6所示。

对该柴油机进行主观噪声预测计算，计算结果如下表7所示结果可以看出，在柴油机排气侧噪声声品质评价中，随着转速和负荷的增加，其评价得分值降低，在高转速下尤为明显。在1400转50%负荷处，声品质的主观评价有一个极大值。在皮带轮侧，高负荷的声品质评价明显低于低负荷工况，声品质在1600转低负荷取得极大值。在油泵侧，声品质随着转速的增加而降低，随着负荷的增加变化不大。

三、声品质主观评价预测模型

将主观评价得分和客观参数结果带入上述AI公式：

=a×Loudness（响度）+ b×Roughness（粗糙度）+ c×Sharpness（尖锐度）+ d

根据统计分析方法和最小二乘法，求得a=0.0165，b=-16.48637，c=0.21818，d=3.61294。

带入数据进行误差计算，对该柴油机进行主观噪声预测计算，计算结果表7可以看出，在柴油机排气侧噪声声品质评价中，随着转速和负荷的增加，其评价得分值降低，在高转速下尤为明显。在1400rpm 50%负荷处，声品质的主观评价有一个极大值。在皮带轮侧，高负荷的声品质评價明显低于低负荷工况，声品质在1600 rpm低负荷取得极大值。在油泵侧，声品质随着转速的增加而降低，随着负荷的增加变化不大。

结论

本文通过对柴油机噪声声品质测试分析，得出以下结论：

（1）本文采集了108组不同工况下的噪声数据样本，利用声品质分析软件计算了噪声样本的客观参数（响度、尖锐度、粗糙度）。结果显示，响度随着柴油机转速和负荷的增加而增加;尖锐度随着转速的增加显著提高，但与负荷关系不大;粗糙度与测试位置有关。

（2）通过20人的评议团，利用语义细分法对选取的9个代表性样本进行了声品质主观评价。结果表明，声品质评价随着柴油机转速和负荷的增加明显降低。

（3）运用多元线性回归法得到了声品质主观评价模型，计算出主观评价模型的平均误差为13.2%。分析柴油机不同工况下的主观评价预测结果，可以看出，随着柴油机的转速和负荷增加，排气侧噪声声品质的评价得分值降低;在皮带轮侧，高负荷工况下的声品质评价得分明显低于低负荷工况下的评价得分，在油泵侧，声品质随着转速的增加而降低，随着负荷的增加变化不大。

参考文献

[1]  刘海，张俊红，倪广健，等. 基于遗传支持向量机的柴油机辐射噪声品质预测技术. 振动与冲击，2013，32（2）：111-114.

[2]  尤险峰，等. 燃烧噪声二级影响因素对柴油机声品质的影响【J】. 车用柴油机，2015，220（5）：75-79.

作者简介：刘世锋，1984年生，男，汉族，安徽省阜阳人，中级职称，天津大学工程硕士，主要从事重型7商用车动力研发。