标定参数对柴油机怠速声品质影响的研究

马世奇 宋恩栋 宋祥太

(1.上海内燃机研究所,上海 200438;2.上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心,上海 200438)

0 前言

柴油机因其良好的排放特性,近年来得到了广泛应用,其振动-噪声-平顺性(NVH)的问题受到了广泛关注[1-3]。柴油机噪声为宽频噪声,频率成分复杂,难以通过传统的A计权声压级来描述人耳对柴油机噪声的感受[4]。心理声学参数作为与人的心理、生理特性密切相关的评价指标,可以比较准确地描述人耳听觉特性,客观地反映出不同噪声信号对人耳主观感受的影响[5-7]。通过分析柴油机噪声的心理声学参数可以有效地控制噪声对人耳的影响,对柴油机相关参数的改进具有重要意义。近年来,心理声学参数已经广泛地应用于整车噪声品质以及发动机噪声品质等领域[8-10]。

本文针对某柴油发动机怠速噪声大的问题,以传统噪声评价参数和心理声学参数对不同标定状态下的柴油机怠速噪声进行评价,分析不同标定状态下的怠速噪声品质,找到影响柴油机怠速噪声品质各参数的因素,为改善柴油机怠速噪声品质提供相关的标定建议。

1 柴油机怠速噪声测试

试验以搭载在某皮卡车型上的4缸柴油机作为研究对象。测试地点在半自由声场振动和噪声试验室里进行,环境温度控制在25℃,测试过程中试验室处于封闭状态,没有风速的影响。测量设备为LMS公司生产的Test Lab声学与振动分析系统,采集整车6个位置的辐射噪声,分别为车内主驾右耳处一个测点,发动机前后近场2个测点以及车前方距车舱1 m的左、中、右3个测点。

因发动机顶面有喷油泵和高压共轨系统等附件,会导致较大的附件噪声,且不同标定参数状态下声压级变化相对明显,因此选择发动机顶面近场点作为观测点,其他测点作为参考。因发动机转速变化对怠速噪声的影响较大,会掩盖其他标定参数对汽车怠速声品质的影响,因此保持怠速转速为800 r/min。选取8个标定参数作为试验控制因子,每个控制因子设置3个水平,具体内容见表1。

采用正交试验法L27(38)进行试验,针对每个试验编号,进行3次声音信号的采集,采样频率设置为40 960 Hz,每次采样时间长度为7.5 s。

表1 设计因素及水平表

2 怠速噪声信号特征提取

心理声学把声音的物理特性与人耳主观感受联系起来,声品质参数用来描述人耳对噪声的主观感觉,属于心理声学的范畴。国内外的声品质研究人员普遍采用基于Zwicker心理声学理论的声品质评价指标,包括响度、波动度、粗糙度和尖锐度等。

2.1 响度

将1 000 Hz纯音的声压级为40 d B时的响度定义为1 sone。响度的计算使用Zwicker法(根据标准ISO532B),基于临界带宽计算,并对掩蔽效应进行了修正。计算公式为

式中：ETQ为绝对听阈下激励;E0为基准声强下激励;E为声音激励;z为临界频带;N'(z)为特征响度;N为总响度。

2.2 尖锐度

尖锐度可理解为声音频谱上的重心,即高频成分与总噪声的比值。高频成分增加则尖锐度增加,反之则减少。在以1 000 Hz为中心频率的带宽(小于150 Hz)以内,声压级为60 dB的窄带噪声定义为1 acum。尖锐度的计算公式为

式中：z为临界频带;N'(z)为特征响度;N为总响度。

2.3 波动度

波动度描述调制频率为0.5～20 Hz的声音变化给人的听觉感受,定义1000 Hz的纯音,声压级60 d B,调制频率为4 Hz,调幅100%的信号波动度为1 vacil。计算公式为

式中：L(z)为声激励变化量;z为临界频带;fmod为调制频率;N'max(z)为特征响度最大值;N'min(z)为特征响度最小值。

2.4 粗糙度

当调制频率大于20 Hz时,人耳分辨不出每次声音强度的变化,听到的声音是粗糙的。定义1 000 Hz的纯音,声压级为60 dB,调制频率为70 Hz,调幅100%的信号粗糙度为1 asper。粗糙度用于评价调制频率为20～200 Hz的声音信号,计算公式为

式中：ΔL(z)与式(5)相同;z为临界频带;fmod为调制频率。

2.5 噪声信号特征具体计算方法

本次试验在提取了响度、波动度、粗糙度和尖锐度4个心理声学参数的同时,还提取了噪声信号的总A计权声压级。响度的计算依据ISO 532B的Zwicker法,尖锐度采用DIN 45692的计算方法,波动度和粗糙度为LMS Test Lab软件的计算方法。

3 测试结果分析

3.1 不同标定状态的怠速噪声特征参数表现

针对每个试验编号,进行3次该标定状态下噪声信号的采集。噪声信号特征参数的计算结果取3次试验的平均值,具体的计算结果见图1。

图1 怠速噪声信号特征参数计算结果

图1中试验19的总声压级、响度和粗糙度均为最低值,尖锐度和波动度为中等水平。对应的标定状态为2次喷油量比为1.1、轨压20 MPa、第一次预喷时间间隔1 000μs、第二次喷油时间间隔800μs、主喷提前角0°、TVA关闭85%、EGR阀开度30%、每行程预喷油量为2.4 mg。

尖锐度最低值所对应的试验是试验18,对应的标定状态为2次喷油量配比为1.05、轨压40 MPa、第一次预喷时间间隔600μs、第二次喷油时间间隔800μs、主喷提前角4°、TVA关闭5%、EGR阀开度30%、每行程预喷油量为3.0 mg。

试验12的波动度值最低,其他噪声特征参数处于中等水平。对应的标定状态为2次喷油量配比1.05、轨压20 MPa、第一次预喷时间间隔800μs、第二次喷油时间间隔1 000μs、主喷提前角4°、TVA关闭5%、EGR阀开度30%、每行程预喷油量为3.6 mg。

3.2 正交试验分析

利用方差分析选择对因变量具有显著影响的因子。使用SPSS软件对试验数据进行方差分析。因子对目标的影响可以通过显著性水平来评估,设FA为因子A的F值：若FA≤F0.95(fA,f e'),认为因子A对因变量没有影响;若F0.95(fA,f e')＜FA≤F0.99(fA,f e'),认为因子A对因变量有影响,显著性水平记为“**”;若FA＞F0.99(fA,f e'),认为A对因变量有显著影响,显著性水平记为“***”。方差分析得分结果如表2～6所示,表中的e'表示误差。

表2 总声压级方差分析

由表2可知,因子B、C、D、G、H对总声压级有影响,且B、G、H的影响显著。从图2可以看出,因子G对总声压级影响最明显,对应的均值幅值上变化了0.8 dB。

从表3可知,因子B、F、G、H对响度有明显影响,且在图3中呈现了不同的变化趋势,其中因子B对响度的影响最大,幅值变化了2.15 sone。

由表4可知,因子A、B、D、E、F、G对尖锐度有影响,且除因子D外其他因子对尖锐度有明显影响。从图4可以看出,因子F对尖锐度影响最大,均值的幅值变化了0.04 acum。

图2 因子B、C、D、G、H在3个水平上总声压级的均值

表3 响度方差分析

图3 因子B、F、G、H在3个水平上响度的均值

表4 尖锐度方差分析

图4 因子A、B、D、E、F、G在3个水平上尖锐度的均值

由表5可知,对粗糙度有影响的有因子B、C、G、H,且因子B、G、H对粗糙度有明显影响。从图5看出,因子G对粗糙度的影响最大,均值幅值变化了0.12 asper。

表5 粗糙度方差分析

图5 因子B、C、G、H在3个水平上粗糙度的均值

从表6可以看出,对波动度有影响的只有因子F、G,仅因子G对波动度有明显影响。由图6可知,在因子G的影响下,波动度均值幅值变化了0.08 vacil。

针对显著性水平为“***”的因子,绘制了如图7所示的正交试验结果图,图7中向上的箭头表示因变量随着因子水平的增加而增大,向下的箭头表示因变量随着因子水平的增加而减小。

从图7可以看出：因子A仅对尖锐度有显著影响,尖锐度随A的增加而增大;因子B仅对波动度没有显著影响,总声压级、响度和粗糙度随B的增加而增大,尖锐度随B的增加而减小;因子C和D对因变量没有呈现显著影响;因子E仅对尖锐度有显著影响,且尖锐度随因子E的增加先减小后增大;因子F对响度和尖锐度有显著影响,响度随因子F的增加而减小,尖锐度随因子F的增加而增大;因子G对所有因变量均有显著影响,总声压级和尖锐度随因子G的增加而减小,响度和粗糙度随G的增加先减小后增大,波动度随G的增加而增大;因子H对总声压级、响度和粗糙度有显著影响,且均随着H的增加而增大。

表6 波动度方差分析

图6 因子F、G在3个水平上波动度方差分析

图7 正交试验结果变化趋势

4 结论

在正交试验的8个因子中,轨压、EGR阀开度和预喷油量总量对怠速声品质参数的影响较多,2次预喷油量配比、主喷提前角和TVA关闭程度对怠速声品质的影响较少,而第一次预喷时间间隔和第二次预喷时间间隔对怠速声品质的影响不显著。

怠速声品质的优化需要根据车辆的市场定位进行,根据多辆竞品车辆的怠速噪声表现提取相应的怠速声品质客观评价参数,同时需要组织专业人员对竞品车怠速声品质进行主观评价,得到怠速声品质参数的优化目标。最后结合上述结论,通过对标定参数进行适当调整,达到优化怠速噪声声品质的目的。