摘要： 針對某柴電混合動力裝置作為高機(jī)動地面無人平臺動力的低噪聲目標(biāo)特征需求，開展了柴電混合動力裝置噪聲源識別與降噪研究。通過傳聲器直采測試，獲取了原始狀態(tài)噪聲水平與各輻射面基本對比；進(jìn)一步通過基于聲波波束成形原理的非規(guī)則聲陣列測試，完成了主要輻射面的噪聲源識別與高貢獻(xiàn)位置定位；在此基礎(chǔ)上，通過聲源包覆遮擋、復(fù)合涂層噴涂等降噪措施，最終實(shí)現(xiàn)了柴電混合動力裝置表面聲壓級下降2.8～3.0 dB、聲壓下降27%～29%、聲功率下降48%～50%的實(shí)際效果，證明了所述的噪聲源識別方法與降噪措施的有效性。

關(guān)鍵詞： 混合動力；聲源；噪聲測量；噪聲控制

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.06.006

中圖分類號：TK421.6" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B" 文章編號： 1001-2222（2024）06-0038-07

地面無人平臺是一種具有戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)役機(jī)動能力的地面無人車輛，近年來不但在軍事領(lǐng)域有著特殊的應(yīng)用價(jià)值，在消防救災(zāi)、電力巡檢等民用領(lǐng)域的應(yīng)用也日益廣泛［1-3］。

當(dāng)無人平臺用于物資運(yùn)輸、加載裝甲裝備或參與戰(zhàn)斗任務(wù)時(shí)，需較高的負(fù)載能力，在滿足功率、扭矩應(yīng)用要求的同時(shí)，還需兼顧續(xù)航時(shí)長與后勤保障負(fù)擔(dān)。當(dāng)無人平臺用于偵察、監(jiān)視時(shí)，其對噪聲、紅外特性和熱特性也有較高的要求。綜合考慮，混合動力成為地面無人平臺動力的首選［4-7］。

為滿足偵察隱蔽性對噪聲控制的要求，配裝地面無人平臺的混合動力產(chǎn)品的工作噪聲需低于特定水平，為此在產(chǎn)品應(yīng)用前需進(jìn)行全面的噪聲測試和評估，對于噪聲不合格的產(chǎn)品需進(jìn)行降噪處理。

然而，混合動力產(chǎn)品的噪聲成分往往比較復(fù)雜，以柴電混合動力為例，其噪聲成分包括機(jī)械噪聲、燃燒噪聲、空氣動力噪聲以及電磁噪聲等。機(jī)械噪聲是由零部件運(yùn)動過程中受到的往復(fù)慣性力和氣體壓力周期性的振動與沖擊引起的，燃燒噪聲是由氣缸內(nèi)燃燒形成的壓力振蕩通過缸蓋、活塞、曲柄連桿等向外輻射引起的，空氣動力噪聲是由周期性的氣體流動或非穩(wěn)定的氣體擾動引起的，電磁噪聲由交變磁場對定子和轉(zhuǎn)子作用產(chǎn)生周期性的交變力使電機(jī)發(fā)生結(jié)構(gòu)振動進(jìn)而向外輻射引起的［8-13］。

某柴電混合動力裝置是高機(jī)動地面無人平臺的在研動力，系統(tǒng)集成度、輕量化水平和能量轉(zhuǎn)化利用效率較高，較好地滿足了無人平臺的高負(fù)載要求。考慮到用于偵察、監(jiān)視時(shí)的低噪聲目標(biāo)特征要求，有必要對動力裝置的聲學(xué)特性進(jìn)行全面評估，并最大程度改善其噪聲水平，提高無人平臺的生存和作戰(zhàn)能力。本研究以此為背景，針對某柴電混合動力裝置，依托傳聲器直采與聲陣列測試技術(shù)，對其進(jìn)行了噪聲源識別與高貢獻(xiàn)位置定位，并通過針對性的改造優(yōu)化措施，實(shí)現(xiàn)了噪聲水平的有效降低。

1 噪聲源識別方法

噪聲源識別方法主要可以分為三類：傳統(tǒng)的噪聲源識別方法、基于信號處理的噪聲源識別方法和基于聲陣列技術(shù)的噪聲源識別方法。

傳統(tǒng)的噪聲源識別方法包括主觀評價(jià)法、表面振速法、近場測量法等：主觀評價(jià)法受人的主觀因素影響較大，且無法對噪聲進(jìn)行定量測量；表面振速法需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)測量和處理工作；近場測量法由于鄰近表面輻射噪聲的影響，只適合對噪聲源進(jìn)行粗略定位?；谛盘柼幚淼脑肼曉醋R別方法包括頻譜分析法、相干分析法、倒頻譜法等，均屬于基于噪聲測量數(shù)據(jù)處理分析的間接噪聲源識別方法，存在由算法自身引入的局限性，且需要對機(jī)器設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性與聲源屬性具有較為全面的了解才能實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的識別定位?；诼曣嚵屑夹g(shù)的噪聲源識別方法包括聲強(qiáng)法、聲全息法、波束成形法等：聲強(qiáng)法是近場測試，因此測試危險(xiǎn)性相對較大，并且也只能進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況測試；聲全息法對低頻范圍的噪聲識別能力較強(qiáng)，但對高頻域的識別效果不佳；波束成形法可在中遠(yuǎn)距離進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)處理迅速，能以較高的精度識別復(fù)雜結(jié)構(gòu)在全頻域范圍的噪聲源，近年來已廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域［14-16］。

波束成形法是基于傳聲器陣列測試的陣列信號處理方法。由多個(gè)傳聲器組成平面陣列，測得聲壓信號后對信號進(jìn)行延遲和求和處理，延遲將各傳感器接收到的信號轉(zhuǎn)化為相同相位，求和后同方向信號相位相同增強(qiáng)，不同方向相位不同減弱，使傳聲器陣列形成預(yù)定方向上的指向性，實(shí)現(xiàn)定向接收，提取所需的信號源和信號屬性信息，進(jìn)而識別主要聲源的位置［17］。圖1示出波束成形法的基本原理。設(shè)在空間存在一個(gè)強(qiáng)度為f（x，t）的噪聲源和一個(gè)由多個(gè)傳聲器組成的陣列，聲源至每個(gè)傳聲器的距離為｜Si｜，則聲信號自聲源傳至各個(gè)傳聲器所需時(shí)間為εi=｜Si｜/，式中為聲速，聲信號傳至各傳聲器的相對時(shí)間差為Δi=εi－min（εi），則由傳聲器陣列所確定的噪聲源的信號強(qiáng)度為

（x，t）=1M∑Mi=1φifi［x，（t－Δi）］。（1）

式中：φi為各傳聲器的特征系數(shù)，由傳聲器的個(gè)數(shù)、距離及布置方式等決定［18］。

根據(jù)式（1），則空間內(nèi)某點(diǎn)一定時(shí)間內(nèi)的有效聲壓值為

_e（x）≈_e（x，n）≈1n∑n－1k=02（x，tk）。（2）

上述原理決定了波束成形法對于測量信號具有很強(qiáng)的指向性，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對物體輻射噪聲空間位置的有效分辨［19］。

2 樣機(jī)噪聲測試分析

2.1 試驗(yàn)樣機(jī)特征

某柴電混合動力裝置以高功重比、緊湊化和低噪聲目標(biāo)特征為設(shè)計(jì)輸入，結(jié)構(gòu)上將飛輪殼體和電機(jī)定子殼體進(jìn)行共殼體設(shè)計(jì)，用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子代替柴油機(jī)飛輪，將曲軸和轉(zhuǎn)子集成為整體，取消聯(lián)軸器和柴油機(jī)自帶的起動電機(jī)，其起動由具備電動機(jī)功能的起動發(fā)電機(jī)一體實(shí)現(xiàn)。該裝置相關(guān)指標(biāo)見表1。

2.2 測試裝置及測點(diǎn)布置

某柴電混合動力裝置原始狀態(tài)噪聲測試測點(diǎn)示意見圖2。動力裝置固定在試驗(yàn)室彈性地基上，柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)安裝有進(jìn)氣濾清器，排氣系統(tǒng)安裝有消聲器。噪聲測試傳感器采用GRAS-46AE-1/2英寸傳聲器，聲學(xué)采集處理系統(tǒng)采用LMS-SCADAS Lab多功能數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。以恰好包絡(luò)動力裝置聲源的最小假想矩形六面體作為基準(zhǔn)體，在距離基準(zhǔn)體除與地面接觸的底面外的5個(gè)側(cè)面（分別定義為前、后、左、右、上面）中心位置1 m遠(yuǎn)處布置5個(gè)傳聲器，即測量距離d=1 m，進(jìn)行表面聲壓級測試，測試工況為14 kW@2 200 r/min半載工況和28 kW@3 600 r/min滿載工況。背景噪聲修正與環(huán)境修正參照GB/T 1859.2—2015進(jìn)行，環(huán)境修正采用雙表面法，測量距離為d=2 m。

2.3 測試結(jié)果及分析

測量距離d=1 m和d=2 m情況下各傳聲器位置測試結(jié)果見表2。

從表2可以看到，柴電動力裝置上面?zhèn)髀暺髀晧杭壗Y(jié)果明顯低于其他4個(gè)側(cè)面。參照GJB 1488—92，在以上5個(gè)傳聲器中選擇聲壓級最大的3個(gè)進(jìn)行柴電動力裝置表面聲壓級計(jì)算，結(jié)果見表3。

由表3可見，柴電動力裝置在14 kW半載工況和28 kW滿載工況的表面聲壓級均大于97 dB，未能滿足其噪聲技術(shù)指標(biāo)要求。

3 噪聲源測試與辨識

3.1 聲源識別測試設(shè)計(jì)

柴電動力裝置噪聲水平未能滿足技術(shù)指標(biāo)要求，為分析確定噪聲的根源并進(jìn)一步進(jìn)行降噪處理，設(shè)計(jì)基于波束成形法的聲源識別測試。

測試儀器采用基于波束成形技術(shù)的MicrodB 2DCam54非規(guī)則復(fù)合式陣列，包含54個(gè)40PH麥克風(fēng)，如圖3所示。

分別對柴電混合動力裝置聲壓級較大的前、后、左、右4個(gè)側(cè)面進(jìn)行測試，保持麥克風(fēng)陣列平面與測試平面盡量平行，測量距離為0.8 m，測試工況為28 kW@3 600 r/min滿載工況。

3.2 結(jié)果分析與噪聲源定位

柴電混合動力裝置前側(cè)面聲源識別測試結(jié)果如圖4和圖5所示。

以圖4中1/3倍頻程聲壓級峰值對應(yīng)的頻率1 420～1 780 Hz為定位計(jì)算的輸入頻段，得到圖5所示的聲壓級云圖分布。從圖5可以看到，該側(cè)面的聲源定位結(jié)果主要指向電機(jī)冷卻風(fēng)罩，分析其噪聲來源，主要是動力裝置中電機(jī)電磁噪聲以及空氣動力噪聲通過電機(jī)冷卻風(fēng)罩的對外輻射，風(fēng)罩表面設(shè)計(jì)的多孔結(jié)構(gòu)利于電機(jī)散熱，但相對于無孔罩殼，電機(jī)向外輻射出的噪聲能量將大大增加。

柴電混合動力裝置右側(cè)面聲源識別測試結(jié)果如圖6和圖7所示。

以圖6中1/3倍頻程聲壓級峰值對應(yīng)的頻率1 420～1 780 Hz為定位計(jì)算的輸入頻段，得到圖7所示的聲壓級云圖分布。從圖7可以看到，該側(cè)面的聲源定位結(jié)果主要指向電機(jī)側(cè)冷卻風(fēng)扇下方集成支架與裝置本體形成的空隙空間，噪聲來源主要是動力裝置中電機(jī)電磁噪聲以及空氣動力噪聲通過無遮擋空隙的直接對外輻射。

柴電混合動力裝置左側(cè)面聲源識別測試結(jié)果如圖8和圖9所示。

以圖8中1/3倍頻程聲壓級峰值對應(yīng)的頻率1 130～1 410 Hz為定位計(jì)算的輸入頻段，得到圖9所示的聲壓級云圖分布。從圖9可以看到，該側(cè)面的聲源定位結(jié)果主要指向柴油機(jī)氣門室罩，噪聲來源主要是柴油機(jī)燃燒噪聲、機(jī)械噪聲通過氣門室罩表面的綜合對外輻射。

柴電混合動力裝置后側(cè)面聲源識別測試結(jié)果如圖10和圖11所示。

以圖10中1/3倍頻程聲壓級峰值對應(yīng)頻率900～1 120 Hz為定位計(jì)算的輸入頻段，得到圖11所示的聲壓級云圖分布。從圖11可以看到，動力裝置盡管在該側(cè)面有較多的附屬系統(tǒng)，但聲源定位結(jié)果并沒有明顯的部件指向，噪聲來源主要還是動力裝置機(jī)械噪聲、燃燒噪聲、電磁噪聲等通過裝置表面的綜合對外輻射。

4 降噪設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

4.1 噪聲抑制設(shè)計(jì)

根據(jù)第3.2節(jié)獲得的聲源識別與定位結(jié)果，結(jié)合柴電混合動力裝置改造實(shí)施可行性，針對性提出以下3項(xiàng)噪聲抑制措施，并制定驗(yàn)證方案，如表4所示。

措施①：針對前側(cè)面，對電機(jī)冷卻風(fēng)罩表面孔式結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良或有效遮擋；

措施②：針對右側(cè)面，對電機(jī)側(cè)風(fēng)扇下方空隙空間進(jìn)行隔音板材遮擋處理；

措施③：針對左側(cè)面，對柴油機(jī)氣門室罩進(jìn)行隔音降噪專用材料噴涂處理。

各項(xiàng)降噪措施實(shí)施情況見圖12至圖14。其中，降噪措施①為針對電機(jī)冷卻風(fēng)罩加裝遮擋罩殼，罩殼內(nèi)層材料為鉛板，外層材料為鋁板，以此在不破壞冷卻風(fēng)罩多孔結(jié)構(gòu)有效散熱的前提下，降低電機(jī)電磁噪聲及空氣動力噪聲通過冷卻風(fēng)罩的直接對外輻射；降噪措施②為使用鉛板對電機(jī)側(cè)風(fēng)扇下方空隙空間進(jìn)行遮擋處理，以此利用鉛板的高密度、強(qiáng)吸聲特性，在不改變動力裝置本體及集成支架結(jié)構(gòu)的前提下，削弱電機(jī)電磁噪聲以及空氣動力噪聲通過無遮擋空隙的直接對外輻射；降噪措施③為使用高鈦有機(jī)復(fù)合涂層對柴油機(jī)氣門室罩表面進(jìn)行噴涂，

該材料具有良好的減振降噪特性及耐溫性能，以此降低柴油機(jī)燃燒噪聲、機(jī)械噪聲通過氣門室罩表面的直接對外輻射。

4.2 測試驗(yàn)證分析

對表4中各項(xiàng)噪聲抑制驗(yàn)證方案逐一進(jìn)行效果測試，采取的測試方法、測試工況、計(jì)算方法與第2.2節(jié)相同，結(jié)果見表5。

可以看到，前6種方案下，柴電混合動力裝置的表面聲壓級較原狀態(tài)均有所下降，但結(jié)果仍然大于其噪聲限值97 dB；方案七相較于前6種方案噪聲下降最為顯著，且只有方案七表面聲壓級降至97 dB以下，表明針對該柴電混合動力裝置，須同時(shí)落實(shí)前述3種降噪措施，才能獲得目標(biāo)降噪效果。方案七對應(yīng)的詳細(xì)測試數(shù)據(jù)見表6。

為進(jìn)一步分析降噪效果，將表5中方案七實(shí)施前后柴電動力裝置聲壓級測試結(jié)果對應(yīng)轉(zhuǎn)化為聲壓、聲功率，對比結(jié)果分別見表7和表8。

由表7和表8可見，在方案七實(shí)施后，柴電混合動力裝置在14 kW半載工況聲壓下降29%，聲功率下降50%，在28 kW滿載工況時(shí)聲壓下降27%，聲功率下降48%。同時(shí)，降噪后半載、滿載工況的表面聲壓級均小于97 dB，滿足噪聲技術(shù)指標(biāo)要求。以上結(jié)果表明，方案七實(shí)施的3項(xiàng)針對性降噪措施較為有效，而依托傳聲器直采和基于聲波波束成形原理的非規(guī)則聲陣列測試手段進(jìn)行的聲源識別以及高貢獻(xiàn)噪聲定位較為準(zhǔn)確。

5 結(jié)束語

柴電混合動力裝置是地面無人平臺較為合適的動力選擇，其噪聲成分主要包括機(jī)械噪聲、燃燒噪聲、空氣動力噪聲以及電磁噪聲等。通過傳聲器直采和基于聲波波束成形原理的非規(guī)則聲陣列測試技術(shù)的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了柴電混合動力裝置的噪聲源識別與高貢獻(xiàn)位置定位，并以此為基礎(chǔ)，通過聲源包覆遮擋、降噪涂層噴涂等針對性降噪措施，實(shí)現(xiàn)了表面聲壓級下降2.8～3.0 dB、聲壓下降27%～29%、聲功率下降48%～50%的良好效果，對滿足地面無人平臺低目標(biāo)特征要求、提高生存和作戰(zhàn)能力具有積極的作用。

此外，本研究所列舉的各項(xiàng)降噪措施，為試驗(yàn)室研究條件下的針對性可實(shí)施途徑，后續(xù)將結(jié)合地面無人平臺實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，從結(jié)構(gòu)、材料等角度深入研究適用性、通用性更強(qiáng)的降噪措施。

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Noise Source Recognition and Noise Reduction of Diesel-Electric Hybrid Power Unit for Unmanned Ground Platform

KONG Xiangxin，LIU Fengchun，F(xiàn)ENG Haibo，HUANG Xu，CAO Siqi，MAO Yuxin

（China North Engine Research Institute（Tianjin），Tianjin 300406，China）

Abstract： For the low noise target feature of diesel-electric hybrid power unit which was used as the power of high mobility ground unmanned platform， the research on noise source recognition and noise reduction was carried out. The noise level of original state and the basic contrast of each radiation plane were acquired by direct sampling test of microphones， and the noise source recognition and high-contribution location of main radiation plane was obtained by irregular acoustic array test based on the principle of beam-forming. The actual effect of surface sound pressure level reduced by 2.8-3.0 dB， the corresponding sound pressure reduced by 27%-29% and sound power reduced by 48%-50% based on the measures such as covering the noise source， spraying the noise source reduction coating and so on. Finally， the effectiveness of noise recognition method and noise reduction measure was verified.

Key words： hybrid power;noise source;noise measurement;noise control

［編輯： 袁曉燕］

作者簡介： 孔祥鑫（1990—），男，高級工程師，碩士，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)試驗(yàn)技術(shù)與測試方法。