噪声测试及噪声源识别技术

噪声测试及噪声源识别技术实际工程应用中对噪声源进行测试与分析时比较通用的方法有主观评价法、分别运转消去法、声强测量法、频谱分析法。近年来声学测量技术和测量设备的进步与发展，出现了一些能简便和快速识别噪声源的手段和方法。能现场测量的测试方法并且能够即时处理与分析通过测量得到的信号以及能大大提高测量数据的可靠性成为新识别方法的大体发展趋势。这些先进的新识别方法包括信号分析法，声全息测试技术等。主观评价法人的听觉相比较传统的噪声测量设备有更加精确的区分各种声音的能力，实际工程中声压或响度等应用最多的参考指标也是依据人的主观感受来设定的。因为人的差异所以主观评价法会得到差别比较大的结果，如果要取得准确度比较高的结论就要进行大量的测验来改进方法和积累经验，主观评价方法的主要缺点是很难对声源进行定量的评价。分别运转消去法在汽车运行过程中，汽车中成百上千个零部件在共同运转，若想找到某部分向外辐射的噪声最大，以往通常应用消去法。先在特定的条件下对实验对象进行测量得到它的总体噪声，然后暂停或停止可能辐射出很大噪声的部分，或者应用铅覆盖法对发出较大的噪声进行控制。再在相同的条件下测量研究对象的辐射噪声，应用声压级的叠加原理，通过对两次噪声的测试结果进行分析可计算出这部分所发出的工作噪声。依次使用相同的方法，可以测得各个部分的辐射噪声大小，通过这种方法可以确定汽车的主要噪声源。在汽车噪声测试过程中，如果要消去某一部份的辐射噪声就要停止这部分的运转或控制其工作噪声往往是非常难以实现的，有时候可能实现不了，分别运转消去法实际工作中常用于汽车发动机系统的噪声量级分析，在相同的工作状态下，去掉再装上某一个件，然后在相同的测量点分别测试两种状态下的噪声数值，然后应用能量相减的原理减去所计算得到噪声量的大小，就是某一零部件所辐射的噪声。在实际测量过程中，只使用去掉某一个部件或仅仅用隔声方法来屏蔽某一辐射噪声中的任何时候一种都达不到实际测试的要求，一般要两种方法结合使用。分别运转法在汽车噪声源识别工程中的应用：一般在汽车加速或匀速行驶过程中进行整车噪声的测量，对声源各种组成噪声进行分解，第一步就是对整车噪声进行测量，接着应用消去法一个一个消去声源的各组成噪声。排气噪声、风扇噪声、燃料噪声可通过消去法消去，轮胎噪声、发动机噪声、传动系统噪声可以进行分离。分别运转法在汽车动力总成噪声源识别过程中的应用：对发动机噪声进行测量时需要在特定的试验室内而且要在发动机工作状况稳定的条件下进行。先测量发动机的各部件的整体总噪声，再应用顺序消去法来测量出组成发动机的各部件噪声。风扇噪声、燃烧噪声、进气噪声等都可以通过消去法进行测量。如果要精确研究发动机各组成表面的辐射噪声大小时，可以使用铅屏蔽方法：将铅板制作成一个与发动机各表面相对应的密封隔声罩，铅罩里面贴上各种玻璃纤维和其它的吸声材料，用来降低铅罩内部空间的混响。在测量过程中，用铅罩将发动机表面覆盖严密，让它的隔声量要在10dB之上，然后打开铅罩的某一个口，让发动机的辐射表面的某一个部分显露出来，在与辐射表面相距一定距离上多找一些点进行声压级测量，这点测量到的结果就是此处声辐射面上的各处辐射噪声声压级，所以通过这种方法可以测量出发动机主要的辐射面积上的主要辐射区域。铅屏蔽方法与消去法相比较起来，当某些零部件停止工作也时不会影响测量结果，只要覆盖的质量好，相应的隔声效果就比较好，实际工程中它是应用很多和可信的方法。但是它不能隔离低频噪声，所以一般只用来对中、高频噪声进行声源识别；此外，使用此方法对汽车进行噪声测量过程中时间成本较高，并且对测试过程中的声学环境有很高的要求，所以用些方法来识别噪声源成本较高。频谱分析方法不同的噪声源都对应有特定的频率特点，比如汽车发动机辐射的噪声就与燃烧过程中的点火频率相关，风扇叶片的频率影响风扇噪声，进气和排气门的开闭频率影响进气和排气系统的噪声，轮胎的花纹间距直接影响轮胎的噪声。通过噪声的频谱特征来分析找出主要噪声源。对噪声频谱图进行分析，不便可以得到噪声源的频率分布特点，进而判断测量的噪声是低频还是中高频噪声，还可以确定某些特定的噪声峰值是怎么产生的。频谱分析方法是建立在傅立叶积分基础上的，是通过傅立叶级数变化得到的，x(t)为非周期性的噪声信号，当这个噪声信号满足特定的条件时，此噪声信号的频谱X(f)可以用下面的公式计得：TOC\o"1-5"\h\zx(f)=rx(t\-gtdt(3-1)-s此公式就称作为傅立叶正变换。x(f)是一个复数，Re(f)是它的实部，Im(f)是它的虚部：X(f)=Re(f)+jIm(f)(3-2)由下面两个公式分别可以得到它的模和相位：X(f)=<Re2(f)+Im2(f)(3-3)①(f)=arctghm(f)/Re(f)](3-4)在实行工程中对测量到的噪声进行频谱分析过程中，应用2-4公式可以计算得到噪声信号的幅值谱。应用噪声信号x(t)相关函数RG)的定义为：XRG)=lim』h(t认+.)dt(3-5)XT*T0公式中的RG)为x(t)的自相关函数；T为噪声信号观察时间；T为时间差。功率X谱密度是自相关函数的傅立叶变换、(f)：TOC\o"1-5"\h\zS(f)=jsRG>-j2兀ftdx(3-6)xx-s功率谱密度函数Sx(f)与自相关函数RxG)相互为傅立叶变换对，另外功率谱密度函数还可以用非周期噪声信号x(t)的幅值谱X(f)表示成：S(f)=lim-|x(f)2(3-7)XTsTSx(f)是一个偶函数，在汽车工程测试中都是采用单边频谱分析方法，所以功率谱密度函数可以用单边功率谱表示成：G(f)=2S(f)=lim—|x(f)2(3-8)xxTsT由上面的公式可以得出功率谱是幅值谱的平方，它具有的频率结构更加明显，应用于分析噪声的频率结构时更有效和直观。噪声频谱分析方法也有局限性，工程应用中通常只能对某一点进行测量和频谱分析，但是汽车测试中的主要噪声源的确定是相对于整车来分析的，所以在实际项目中通常将噪声频谱分析法与其它的汽车噪声声场分析方法结合使用。在汽车噪声测试过程中先应用声强测量分析法对整体车噪声进行分析确定辐射噪声的主要位置，接这对主要噪声源所发出的噪声进行频谱分析，确定发出主要噪声的总成和零部件。在分析汽车的噪声谱过程中，通常会出现某一噪声谱峰值的频率是由几个不同的噪声源所辐射出来的噪声构成。往往不是由某个单一的噪声源激励而产生。当出现这种情况时，一般采用更改汽车或发动机的工作状态再结合其它测试方法，测得新的噪声频谱并分析测量的噪声频谱成分随工作状态的变化而产生的成分变化，这样可以确定出主要的噪声源，合理的确定出主要噪声源和次要噪声源。组成汽车和发动机噪声源所发出的噪声有不同的形成原理，每一个噪声源的所辐射的噪声都有其独特的特性，噪声分为低、中、高频，它们对应的能量在频谱范围内分布也相应不同，通过分析得到了各声源噪声的频谱特性，可以从整车或发动机的总体噪声频谱中确定出各噪声源的噪声贡献量，可以方便的确定出主要噪声源。工程中先用窄带分析仪器对整车或发动机在某一运转状态下的噪声谱进行测量。窄带分析仪有非常高的频率分辨率，能很精确的判断出噪声中各组成部分的贡献量。汽车的结构和运行工作状态对车内各种噪声源的频率范围影响很大，所以要结合一些计算方法来进行推测。计算出这些噪声源的基频和各阶次谐波频率，将各噪声源的频谱与总噪声频谱进行对比分析来确定各噪声源的贡献量。单对汽车发动机进行研究，依照测试要求应用标准的测试方法对选取的测试点进行测试可以得到该点的总体噪声级和对应的噪声频谱。实际工程中，测得的频谱图上一般会出现一些峰值，这些频率处集中了测点噪声的主要能量贡献。频谱图中最高的峰值处集中了该噪声最主要的能量。如果出现一台汽车发动机有多个噪声源，测点处的总噪声为发动机各噪声源所发出的噪声在测点处叠加而来，测点处的总噪声对应的频谱相就也为各个噪声源频谱在测点处的空间向量叠加而成。因此，对某个噪声源进行测试并分析频谱，当出现的峰值频谱与总噪声频谱的特定峰值一一对应时，就可以确定总体噪声中在某个特定频率的噪声是由对应的噪声源贡献的，，可以认为此噪声源是总体噪声在这个频率上的主要贡献源。上述就是频率分析方法用来识别噪声的理论根据。振动产生噪声，所以声辐射表面的振动频谱与辐射出的噪声有很强的相关性，实际测量过程中往往难以精确的测量各噪声源的噪声频谱，利用辐射噪声与振动谱之间的相关性，可以用测量噪声源表面的振作谱来取代相应的噪声谱，分析测得的振动谱与总噪声谱，能够精准的确定主要噪声源。声压分析法声压只有大小，没有方向是个标量。空间中某一点处的声压受到各个声源在各个方向上的影响，因此从某一点处测得的声压并不能判断出影响它的主要噪声源。但是在一些特殊的环境中，如近场测量法和通管测定法，在排除了其它方向上对测点噪声影响的前提下，也能通过测得的声压结果中分析中主要的噪声源，应用这些方法来判断主要噪声源时，操作往往很复杂，测试效率也不高，但是在没有产生其它更好的测试方法前，这种方法还是能为实际工程所应用。在汽车噪声测试中还可以应用近场测量法：在对声学环境没有特殊要求的情况下，如果噪声测量点离声源有比较远的距离，此时测量到的噪声主要为混响声;如果噪声测量点离声源很近，测量到的噪声主要为直达声，直达声主要是由距离最近的声源辐射而来，这就是我们常用的近场噪声测试法。工程实际中通常使用声级计来对噪声进行近场测量，在噪声测试过程中将声级计上的传声器靠近需要测量的部件，尽量避免非测量部件辐射噪声对所测量噪声的影响，对测量得到声压级进行分析可以确定噪声源的位置和判断出主要的噪声源。测量时将传声器与被测量表面一直保持固定的近距离，在被测量表面各点依次进行测量，通过这种测量方法可以确定辐射表面上噪声辐射最大的区域以及测量到声辐射的大小，进而可以更准确的判断主要噪声源。近场测量的方法操作简单容易实现，对测量仪器和分析技术要求不高。但是近场测量法并不是集所有优点于一身也有非常大的局限性，如果测量过程中有很严重的混合响声，近场测量法就无法进行噪声测试;同时也很难做到避免附近表面的辐射噪声对测试结果的影响。为了解决上述测量中产生的问题，应用声导管测量法对近场测量做出了比较大的改进。通管测定法：通管测定法是应用一个表面慢慢变化的通管，让通管的大端靠近被测量的部件表面，小端口靠近测量用的声级计上的传声器上，从而测量出需要的部件表面的辐射声压级，对测量到的噪声压级的大小进行分析来确定主要噪声源。测试过程中要尽量避免管外的噪声对管内有影响，采用大密度的材料来制作通管并在它的管内表面粘贴吸收反射声音的特殊吸声材料。在通管和被测量部件的连接处要加上一些特殊的软质材料。实际工程中有些通管测定法也会使用直管来间接测量通管所指的声压，通过发动机表面局部面积S。的体积速度q可以得到发动机表面速度V:oVo=Qo/So(4-1)Qo=Po・Hp1(4-2)公式中，与为声压，Hpi为通管的传递函数。为了保证测试的准确性，通管的内表面要使用特殊的隔音材料，还要求通管内的声波与平面波近似。声强测量法相比较表面声强测量法来分析和识别主要噪声源，声强测量法有更加精确的特点。由于声强测量的探头有两个距离很近的传声器，所以声压和振动速度信号之间的相位差问题对其没有影响，并且应用声强探头进行测量时不用接触到被测部件，所以声强测量法可以用来测量那些不能用表面声强法中加速度传感器测量的高温表面产生的辐射噪声。用声强测量法可以测量那些高温表面辐射噪声的声功率和噪声频谱。采用声强测试时对测试环境并没有特殊的要求，而且也可在被测件的近场进行测试，测量方法简单计算速度快，这些是声强测量方法的优点。对于实际工程来说这些优点不但可以节省大量时间，还可以采集大量对机器结构改进和设计有用的数据。声强定义是沿着声音传播方向上单位面积内通过的声功率。声强不仅可以反映噪声有多大，并且还可以表征噪声辐射的方向。工程应用中常利用声强的这些特点来测量车辆中的主要噪声来源，声强测量法对于非测量方向的噪声有很强的搞干扰能力，能很好的区分非测量噪声。正是因为这些优点，所以汽车也能在室外环境中进行整车的近场声强测试，并测试受环境的干扰很小，可以避免使用价格非常高的消声室。近场声强测试有很强的抗非测试噪声的能力，所以汽车NVH分析中声强测量法也常用来研究车内的噪声特性。声强的方向和大小特性和声强中探头的对方向的灵敏性是声强测试法识别噪声的基础。这时改变声强探头的位置并使声波的入射角与传声器方向小于90度时，声强探头输出正或负声强，在0-180度范围内声强的绝对值随夹角的增加而增大。因为方向的特性，可以快速的找出噪声源，也可能判断出大概的噪声源位置。声强测量方法是采用两个噪声传声器进行测量，一次测量可以测出噪声源周围两个点声压值，而且可以在测量方向上测量处噪声声强。根据声强的定义，它还可以用单位时间内、单位面积的声波对前后方向附近的媒介所做的功来表示:i=一~2~~^p1+p2'Tp1-p2》t（5-1）公式中，p为空气密度；y为传声器间距；t为测试时间；Ip是时间平均声强在测试方向上的分量。在汽车工程测试中利用声强测量法可以用来鉴别汽车的主要噪声源，空间声场里有多个噪声源时，声波由多个方向辐射来而组成，这时空声场环境变得十分复杂，很不方便判断噪声源的位置。这时可以利用声强探头的指向性特点，将探头沿空间坐标轴转动，能判断出声音能量的流向，从而可以确定噪声源的位置。对于范围很大的违辐射表面，一般将大的表面划分成多个小的方格面积，把声强探头对准声辐射方格面积的中心，来测试噪声源的声强和频谱，通过声强和频谱可以反映出辐射表面的声强分布特性，将测试得到的信号用计算机来处理，能绘出三维声强分布图。声全息分析法基于频率的声全息分析法（稳态的声场的空间变换）声全息噪声分析法是利用多个传声器组成阵列然后在空间某表面上测量噪声幅值和相位，再利用波的传播原理重建被分析声源上的声场分布。声全息噪声分析原理可以很方便的用来对运动过程中的声源的声场