噪聲源分離理論基礎(chǔ)概述目錄TOC\o"1-3"\h\u25195噪聲源分離理論基礎(chǔ)概述 163661.1發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲機(jī)理研究 1217431.2發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲信號(hào)特征 3269271.1.1激勵(lì)的非平穩(wěn)性和周期性 3243271.1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的時(shí)變性 34831.1.3結(jié)構(gòu)響應(yīng)的復(fù)雜性 4306121.3發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源識(shí)別方法 4310781.3.1傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源識(shí)別方法 446581.3.2基于信號(hào)處理的噪聲源識(shí)別方法 51.1發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲機(jī)理研究根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲根據(jù)機(jī)械噪聲與負(fù)荷的相關(guān)性，可以進(jìn)一步將機(jī)械噪聲細(xì)分成不隨負(fù)荷變化的機(jī)械噪聲和隨負(fù)荷變化的機(jī)械噪聲。又可以由不同激勵(lì)源的激勵(lì)作用產(chǎn)生，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲分成燃燒噪聲和機(jī)械噪聲。其中，燃燒噪聲是可燃混合氣在氣缸內(nèi)燃燒引起氣體壓力周期性變化對(duì)燃燒室部件造成沖擊形成的噪聲；機(jī)械噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)的部件之間以及存在運(yùn)動(dòng)的部件和固定件之間由變化的機(jī)械作用力激勵(lì)所發(fā)出的噪聲，例如齒輪嚙合噪聲、活塞撞擊噪聲，閥門滴答聲和渦輪增壓器噪聲等。在整車噪聲中，占比最大的就是發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。汽油機(jī)噪聲主要是流體噪聲、燃燒噪聲、機(jī)械噪聲。流體噪聲主要是指在進(jìn)排氣的過(guò)程中，由空氣動(dòng)力作用于發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)部件所產(chǎn)生的輻射噪聲，主要包括進(jìn)氣噪聲和排氣噪聲。為了降低流體噪聲，可以為發(fā)動(dòng)機(jī)安裝消聲器[13]。發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲所包含的各種噪聲的產(chǎn)生機(jī)理不是相同的，那么要想控制各種噪聲必須采用針對(duì)性的措施，故每種噪聲的抑制措施也不盡相同。汽油機(jī)噪聲不同的噪聲源如圖2-1所示。圖2-1發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源根據(jù)能量守恒定律，發(fā)動(dòng)機(jī)總噪聲的聲功率等于其所有獨(dú)立噪聲源噪聲聲功率之和，這一關(guān)系可以表示為，W（2-1）式中，Wt表示發(fā)動(dòng)機(jī)總噪聲的聲功率，Wi表示第i個(gè)獨(dú)立噪聲源噪聲的聲功率。對(duì)于在整車所組成的聲音場(chǎng)中的某一個(gè)固定噪聲測(cè)點(diǎn)，在某一時(shí)刻，被該測(cè)點(diǎn)測(cè)量得到的聲源的聲功率與其聲壓的關(guān)系可用公式表示為，W=（2-2）式中，W表示聲源的聲功率，S表示測(cè)量聲音點(diǎn)的表面積，ρ表示聲場(chǎng)介質(zhì)的密度，c表示聲速，p表示該測(cè)點(diǎn)所測(cè)得聲源的聲壓。令式(2-2)中Sρ?c=k，則W=k?p2。在測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)充當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲傳播的聲場(chǎng)，并且聲音傳播所經(jīng)過(guò)的表面積基本不變，所以當(dāng)被測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的型號(hào)一定時(shí)，其對(duì)應(yīng)的k當(dāng)被測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)選定時(shí)，對(duì)于某一個(gè)噪聲測(cè)量點(diǎn)，一段時(shí)間內(nèi)，可以測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)總噪聲的聲壓pt，其由發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲在該測(cè)點(diǎn)這段時(shí)間內(nèi)的燃燒噪聲與兩種機(jī)械噪聲的聲壓組成，并且聲壓平方與聲功率成正比例關(guān)系，綜合上述公式可以表示為，p（2-3）式中，pc表示燃燒噪聲的聲壓，pm1表示不隨負(fù)荷變化機(jī)械噪聲的聲壓，pm2表示隨負(fù)荷變化機(jī)械噪聲的聲壓，上述4種噪聲的聲壓均為時(shí)域上的聲壓數(shù)據(jù)。1.2發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲信號(hào)特征根據(jù)上一節(jié)對(duì)傳遞路徑和產(chǎn)生機(jī)理的闡述，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲激勵(lì)源繁多且復(fù)雜、傳遞路徑和激勵(lì)源對(duì)應(yīng)的部件極多，但是發(fā)動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行的過(guò)程中是存在周期運(yùn)動(dòng)的。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲信號(hào)的主要特征如下：1.1.1激勵(lì)的非平穩(wěn)性和周期性發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力型復(fù)合機(jī)械體，其中的許多激勵(lì)源能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)噪聲產(chǎn)生影響。綜合來(lái)看，激勵(lì)包括燃燒和機(jī)械兩類，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中兩類激勵(lì)均有非平穩(wěn)性和周期性特征。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)中的參與運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件產(chǎn)生的激勵(lì)稱為機(jī)械激勵(lì)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)把往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。所以曲柄連桿機(jī)構(gòu)對(duì)氣缸套的作用力變化符合非平穩(wěn)和周期性的特征[14]。除了曲柄連桿機(jī)構(gòu)之外，配氣機(jī)構(gòu)、燃料供給系統(tǒng)以及定時(shí)噴油的噴油泵符合非平穩(wěn)和周期性的特征。可燃混合氣在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)發(fā)生燃燒時(shí)，溫度和壓力都會(huì)發(fā)生劇烈變化，并且因?yàn)榉植疾唤y(tǒng)一，還會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)高頻振蕩。1.1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的時(shí)變性發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)源眾多源于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有時(shí)變性，可以從機(jī)械機(jī)構(gòu)和熱耦合作用這兩方面進(jìn)行分析?；钊麑?duì)缸套產(chǎn)生作用力的大小和方向隨時(shí)間不斷地變化。發(fā)動(dòng)機(jī)工質(zhì)在燃燒過(guò)程中，產(chǎn)生的熱耦合作用力同樣具有時(shí)變性特征[15]。1.1.3結(jié)構(gòu)響應(yīng)的復(fù)雜性發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力型復(fù)合機(jī)械體，各部件相互耦合，其結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性不盡相同。機(jī)械部件所引起的噪聲信號(hào)具有不同的出現(xiàn)階段和頻率段，不僅有激勵(lì)部件的固有頻率，還可能有強(qiáng)迫振動(dòng)引起的頻率。繁多的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件以及對(duì)應(yīng)工作特點(diǎn)都決定發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的復(fù)雜性。1.3發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源識(shí)別方法發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)極其復(fù)雜，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲是所有運(yùn)動(dòng)部件綜合作用的結(jié)果。如何從采集到的復(fù)雜噪聲信號(hào)中解算出其中占比較大的主要噪聲，進(jìn)一步將運(yùn)動(dòng)部件與之對(duì)應(yīng)起來(lái)是目前降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在以往的大量研究中，所采用的方法主要有兩大類：一是傳統(tǒng)的識(shí)別方法；二是基于現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的識(shí)別方法。1.3.1傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源識(shí)別方法（1）鉛覆蓋法鉛覆蓋法是一種非常早應(yīng)用到噪聲源識(shí)別領(lǐng)域的方法，隔音材料（通常是鉛板）應(yīng)為專門密封的隔音蓋，以包住所有發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，并且包住之后的聲壓級(jí)要求比自然狀態(tài)減少十分貝。暴露需要測(cè)量的區(qū)域，然后使用儀器測(cè)量聲壓級(jí)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的發(fā)動(dòng)機(jī)，總體測(cè)量結(jié)果差強(qiáng)人意。這種方法的缺點(diǎn)是工作量相當(dāng)大，步驟非常復(fù)雜和準(zhǔn)確度比較低，特別是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)。（2）近場(chǎng)測(cè)量法接近場(chǎng)的測(cè)量基于接近和遠(yuǎn)離聲源的聲壓級(jí)的變化。在被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)表面上保持固定不變的短距離，用聲級(jí)計(jì)應(yīng)逐點(diǎn)測(cè)試，并且最大讀數(shù)的掃描點(diǎn)處即是發(fā)動(dòng)機(jī)中的主要噪聲源。接近場(chǎng)測(cè)量方法需要把不要受到其他聲源的影響作為重點(diǎn)，但是這種方法在實(shí)際工程應(yīng)用中容易受到其他外部噪聲的干擾，所以結(jié)果的精準(zhǔn)度會(huì)大打折扣。當(dāng)聲強(qiáng)在空間中分布比較復(fù)雜時(shí)中分析輻射表面，則此種方法不適合完成識(shí)別。在噪聲源所處位置很突出的情況下，這是一種簡(jiǎn)便且有效的識(shí)別方法。（3）聲強(qiáng)法聲強(qiáng)是一種代表聲能變化大小與方向的矢量，可以有效防止組件在特定方向上被其他聲源的干擾。聲強(qiáng)法可用于實(shí)地測(cè)量，不僅能夠測(cè)定出聲源的聲強(qiáng)水平，還能夠針對(duì)生源完成定位。該法在聲源識(shí)別領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用，主要方法是聲功率排序法和等聲強(qiáng)線法[16]。（4）表面振動(dòng)法此方法基本原理是結(jié)構(gòu)的表面振動(dòng)與加速度存在正比關(guān)系，通過(guò)此關(guān)系建立其聲功率數(shù)學(xué)表達(dá)式為：W=σ(2-4)式中：W表示輻射聲功率；σ表示輻射比；ρ0c表示空氣聲輻射阻抗；s表示表面積；(該方法對(duì)測(cè)量環(huán)境要求不高，采用的加速度計(jì)對(duì)四周環(huán)境不太敏感，可得每個(gè)組件噪聲在整個(gè)機(jī)器噪聲的占比，但加速度計(jì)數(shù)量要非常多，測(cè)點(diǎn)要非常精準(zhǔn)，這一點(diǎn)對(duì)于測(cè)量來(lái)講是很困難的。（5）聲全息法聲全息法的理論基礎(chǔ)是聲波在傳輸過(guò)程中具有相互干涉作用，并據(jù)此來(lái)測(cè)試聲場(chǎng)相關(guān)信息，然后完成物體圖像的重新構(gòu)建，可以分為近場(chǎng)、常規(guī)和遠(yuǎn)場(chǎng)聲全息[17]。1.3.2基于信號(hào)處理的噪聲源識(shí)別方法信號(hào)處理方法和常規(guī)分離方法都是來(lái)源于實(shí)驗(yàn)的，信號(hào)處理方法的后處理相比于常規(guī)方法更容易，手段十分多變，從確定聲音源頭的位置角度來(lái)看也非常精確。分析的范圍不光包括瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)噪聲源。主要的分析角度是時(shí)域和頻域。以下是對(duì)于現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)主要方法的介紹：（1）時(shí)域分析法時(shí)域分析法即為通過(guò)跟蹤時(shí)間對(duì)測(cè)得的噪聲信號(hào)進(jìn)行刻畫的一種方法，主要包括時(shí)域平均和相關(guān)性分析。其中，時(shí)域平均的處理目標(biāo)是周期性噪聲信號(hào)，首先選擇噪聲信號(hào)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行整周期的運(yùn)算，來(lái)除掉其中的隨機(jī)和不具有周期性的因素。相關(guān)性分析的處理目標(biāo)也是周期性噪聲信號(hào)。為了確定各個(gè)獨(dú)立噪聲源對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的所占比例，需要在時(shí)間域中檢查信號(hào)的相關(guān)性。時(shí)域分析的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)周期信號(hào)的有效分析，但對(duì)不具有周期性的噪聲信號(hào)效果較差。（2）頻域分析法頻域分析法的基本原理就是應(yīng)用傅里葉變換為了得到互功率譜和自功率譜，將信號(hào)從時(shí)間域變換到頻率域中進(jìn)行刻畫，這種方法的研究對(duì)象通常為穩(wěn)態(tài)信號(hào)。常用方法有倒頻譜分析法和頻譜分析法[18]。前者用來(lái)表示噪聲信號(hào)功率的平均值在某一頻率上的詳細(xì)位置；后