| 单词 | 内燃机噪声 |
| 释义 | 【内燃机噪声】 拼译：noise of internal combustion engiines 内燃机是一种应用极广的动力装置，同时也是一种高强度噪声源，对环境干扰很严重。研究内燃机噪声的目的在于揭示它的发声机理，提供适用的预测、分析和控制技术，建立低噪声内燃机的设计理论和方法。内燃机噪声可分为燃烧噪声、机械噪声和气动噪声3部分。燃气爆发力作用于内燃机结构引起的振动传递至外表面而辐射的噪声称为燃烧噪声。活塞、气门、齿轮等构件在运动时的碰撞、冲击，通过结构传递而辐射的噪声称为机械噪声。以上二者又通称为表面辐射噪声，而由进、排气和风扇等气流扰动源引发的噪声则称为气动噪声。 20世纪30～40年代，许多学者着重研究了燃烧过程与燃烧噪声之间的关系，发现最大压力升高率和最高燃烧压力是影响燃烧噪声的两个最主要的参数。1956年英国T．Pride首次测得了完整的气缸压力频谱，为研究内燃机噪声提供了重要手段。1958年英国A．E．W．Austen提出了表征内燃机结构固有声学特性的结构衰减量概念，并实际测定了柴油机的结构衰减曲线，科学地阐明了燃烧噪声的机理。然而，要精确地测定燃烧噪声还必须排除机械噪声的混杂和干扰，英国Ricardo公司于1958年首先提出了在静止的内燃机上模拟缸内燃烧的激励方法。在运转的内燃机上分离两种噪声的方法也有多种，其中以T．Pride提出的传递系数法应用最广。60～70年代，许多学者致力于燃烧噪声数学模型的研究。1977年，英国D．Anderton提出包含内燃机转速、缸径和结构特性等主要参量的燃烧噪声模型。进入80年代后，关于燃烧噪声的研究主要有以下几方面动向：(1)从声源上控制噪声的总趋势促使低噪声燃烧系统的研究不断深入并取得进展，特别是直喷式柴油机应用日广而其燃烧噪声又最为突出。为此，一种分段喷射系统已被应用于汽车发动机上，它能使燃烧激励大幅度下降而又不使排放和燃油耗恶化。此外，英国在Phaser系列柴油机上采用的能形成微涡流区的四角形燃烧室，以及德国Elko公司设计的单油束隔热球型燃烧室，在改善噪声、油耗等性能指标方面均取得一定的成效。(2)进一步探讨燃烧噪声产生的机理，以便通过控制和优化燃烧过程来降低燃烧噪声。美国通用汽车研究所、我国上海内燃机研究所深入研究了燃烧室中的压力振荡现象及其与燃烧噪声之间的关系。日本小岛直哉等提出了根据放热率曲线建立燃烧噪声数学模型的方法，为实现轻声燃烧提供了途径。(3)分离燃烧噪声与机械噪声及声源识别技术是噪声控制中关键的一环，近年来美、中、德等许多国家都在探索更先进的噪声分离技术。如德国应用热力学研究所采用时间一频率一窗技术直接测量燃烧噪声，即使在机械噪声为主的情况下也不受影响。1991年，天津内燃机研究所成功地应用相干输出功率谱函数法来识别燃烧噪声。活塞撞击噪声是内燃机中最主要的一种机械噪声源。早在50年代初，德国A．Meier就分析了活塞横向运动的规律以及活塞销偏置对撞击强度的影响。1957年前苏联V．Zinchencko首先用能量方法推导了活塞撞击的冲量表达式，指出了影响撞击强度的主要设计参数。1968年英国B．J．Fielding指出在活塞横向运动过程中，应同时考虑动能和势能变化两种力学效应对冲击力的影响，这是活塞冲击理论的一个重要发展。1975年英国S．D．Haddad在经过改装的内燃机上对活塞撞击的激励和传递特性进行了模拟研究。70年代德国M．D．Rohrle等设计了多种低噪声活塞结构，如热膨胀自动补偿活塞、组合式活塞、裙部覆盖塑性材料等。80年代以来对活塞撞击机理的研究更趋深入，美国麻省理工学院J．W．Slack从活塞－缸体这个系统出发，分析了它们之间的相互作用，并建立了一个组合的二自由度模型。日本Mitsubishi重工业公司也作了类似的研究，他们所提出的数学模型进一步考虑了油膜的阻尼效应，用它可以计算撞击力的波形和频谱以及缸套振动的加速度谱。表面辐射噪声主要与结构的振动特性和辐射特性有关。60年代末期，T．Priede通过测量气缸体的振幅分布发现整体弯曲模态和板模态是辐射噪声最强的两类模态。1973年英国N．Lalor用有限元计算进一步证实了密集的板模态是高频噪声的主要来源。1972年英国C．M．P．Chan根据统计能量原理首次提出辐射系数的概念以及计算表面辐射声功率的重要关系式。1979年N．Lalor采用静态变形方法研究内燃机结构的振动特性，并指出气缸体的振动并非由阻尼控制而是主要受刚度控制。在此期间，表面噪声源的测试分析技术也有了很大进展，声强和表面声强测量、试验模态分析、相干分析等现代手段基本上取代了传统的铅覆盖法。在低噪声结构设计方面，于60～70年代英国Southampton大学、Ricardo公司、奥地利List内燃机研究所等分别研制了几种低噪声内燃机原型，但由于重量和工艺等原因在生产上未被采用。而用隔声罩来屏蔽机体表面辐射噪声却在一些国家比较流行。英国R．S．Jackson奥地利G．E．Thien等都曾在发展近体隔声罩理论方面作出重要贡献。80年代，各种新的技术手段逐步普及，为设计轻巧、低噪声内燃机结构开辟了广阔前景，各国对表面辐射噪声的研究显得十分活跃。国内外一些著名的内燃机研究部门已成功地应用静态、动态有限元方法设计气缸体和一些主要构件。近年来边界元方法在解决声辐射问题时所表现出的优越性也开始受到重视。应用这类数值方法所建立的噪声预测模型可以在设计阶段进行结构修改，以求达到预期目标。由于高频噪声是内燃机表面辐射噪声的主要成分，因此，由美国R．H．Lyon早年提出的统计能量分析法在处理有关内燃机声辐射、声传递、声响应等问题中也显示出强大的生命力。表面噪声控制技术的研究多数是针对板壳类构件的辐射特性以及对它们进行声学处理的理论和方法。局部隔声技术虽已有实际应用，但在理论上仍有待发展和完善。要使噪声降低到满意的程度，付出的代价往往相当高，近年来英国、日本等国已开始进行内燃机噪声品质的研究，目的是改善噪声的频谱结构，以减轻其对人们主观感觉的干扰程度。在内燃机所有的噪声源中，一般以排气噪声最为突出，因而关于排气消声器理论和设计方法的研究一直引起很多学者浓厚的兴趣。1954年D．D．Davis运用一维平面波理论分析了单级和多级扩张腔的声学特性。1958年日本J．Igarashi利用等效电路四端网络原理计算了消声器的声波传递特性，提出了声学上的传递矩阵理论。70～80年代，此方法又得到了进一步发展，逐步建立了存在气流条件下和更复杂的消声单元的传递矩阵。鉴于这种一维声波模型在高频时计算精度很差，1971年美国M．J．Crocker首次采用有限元法分析消声单元的传声特性，用该法建立的二维声波模型特别适用于分析形状复杂的消声器结构。近年来消声器研究的趋向是：进一步发展消声器系统中声波传播的严格理论，建立考虑气流、声源特性、高次模式波、管壁漏声等因素的数学模型，以便对消声器性能作出足够精确的预测，进一步发展能提高消声器设计质量和效率的优化技术。世界各国对环境问题的普遍关注必将促进噪声控制技术的加速发展，而内燃机日新月异的进步又会提出许多新的声学问题。因此关于内燃机噪声的研究将是一项长期任务，预计今后若干年内研究的热点是：(1)具有最佳综合性能指标的低噪声燃烧系统和低噪声内燃机结构；(2)能够给出足够精确预测的内燃机噪声模型和能正确指导结构修改的分析技术；(3)能满足内燃机工作的要求的、成本低、降噪效果好的新技术、新材料和新工艺；(4)关于内燃机噪声品质的评价方法与控制技术；(5)利用声振信号对内燃机工作状态和性能进行监测的技术与装置。【参考文献】：1 Priede T．SAE Paper 800534，19802 Haddad S D．Design and Applications in Diesel Engineering，EngLand：Ellis Horwood Limited 1984，203～3163 Brandl F K．SAE Paper 870950，1987(江苏理工大学郭骅教授撰) |
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