挖掘机消声器效果的测量与分析
引言
挖掘机的发动机在工作过程中会产生诸多高强度噪声，例如进排气噪声、壳体辐射噪声、齿轮噪声等，其中排气噪声是工作过程中重要的噪声源之一，严重影响了挖掘机产品的整机性能。对排气噪声进行测量与分析，是降低挖掘机排气噪声、保护环境、提高挖掘机整机性能的研究工作中非常重要的一个环节。 噪声大小是评价挖掘机等工程机械性能的一个重要技术指标，且受到国家法规的制约。对排气噪声进行控制的措施通常是在发动机上配置一个高性能的消声器，有很多专家学者对消声器排气噪声的测量进行了深入的研究，探索出一系列相关的噪声测量方法，R.Singh和T.Katra早在1977年就利用脉冲法测量了消声器的噪声情况。国内的凌震莹采用多倍频恒定束宽线列阵波束形成的方法，对潜艇辐射噪声进行了宽带测量。利用声强测量法对一些典型噪声源的声学特性进行了测量。 排气噪声的产生是由于气缸排气门突然开启，具有较高压力的高温气体从气缸内经排气系统排出，冲到排气管道内气门附近的气体上，产生压力剧变而形成压力波动，压力波动随着排气门的周期性开闭而呈周期性变化，产生周期性的低频噪声。 高强度的发动机排气噪声将严重影响挖掘机等工程机械的整机性能。分析消声器的消声性能，对挖掘机排气消声器出口处消声量大小的测量和分析（即噪声测量技术）则成为衡量挖掘机排气噪声的一项重要技术，它不仅是噪声控制工程的主要技术步骤，也是环境保护、劳动保护工作中检测噪声是否符合有关规定的手段。 1 消声器性能评价指标 1.1传递损失 传递损失是消声器入射声能与透射声能的相对比较，是消声器入射声功率级与透射声功率级之差。如果消声器的进口端与出口端截面 的面积相同，并且可以近似地假定声压沿截面均匀分布，那么传递损失也就是入射声波声压级与透射声波声压级之差。传递损失是消声器独有的属性，与管道系统及噪声源无关。 插入损失是在装置消声器前后，自噪声源向外辐射噪声的声功率级之差。如果装置消声器前后声场的分布情况近似于保持不变，那么插入损失是在给定测点处装置消声器前后的声压级之差。严格地说，插入损失只能反映整个系统（包括消声器、管道及噪声源）在装置消声器前后声学性能的变化，并不能直接反映消声器本身的消声性能。换言之，插入损失不是消声器独有的性能。 在实际测量消声器的消声性能时，一般都是对消声器的插入损失进行研究，这主要是由于在测量消声的传递损失时需要测量消声器入口入射声波的声压级。因为消声器的入口处一般处于工程机械的机箱内部，测量过程中受发动机壳体辐射噪声以及排气歧管管口处的各种零部件产生噪声的影响，可能会使噪声的测量产生一定的误差。所以在实践中对消声器的消声性能进行评价测量时，一般考察的是消声器的插入损失。本文即是测量某工程机械厂轮式全液压挖掘机发动机排气消声器的插入损失。 2 测量环境的影响 在消声器的噪声测量工作中，存在着许多影响消声器排气噪声测量的外界因素。测试环境能改变被测噪声源的声场分布情况，影响从声源产生的声波的传播方向，因此它必然会对噪声测量产生影响。为了使测量结果尽量准确、可靠，必须考虑各测量环境因素对噪声测量的影响。在测量中，需要考虑的环境因素主要有本底噪声、反射声和风噪声等。 2.1本底噪声及其修正 本底噪声也叫背景噪声，是指在实际测量中，被测噪声源停止发声时还会存在的其他周围环境的噪声。本底噪声会影响到测量的准确性，测量时应当避免本底噪声带来的影响。 对排气消声器进行噪声测量时，由于本底噪声的影响，使所测得的总噪声级是被测对象噪声和本底噪声的合成，从而使被测对象的噪声无法直接测出。当本底噪声和发动机排气噪声两者之差大于10dB时，本底噪声的影响可以忽略不计，否则应在所测机器噪声中扣除噪声修正值△L。 表1所示为排气噪声和本底噪声的差值低于10dB的噪声修正值。 2.2反射声的影响 被测噪声源附近或传声器周围有较大的反射体时，会给测量带来较大的误差，如墙壁、地面、机械设备、人体等都是反射体。测量时，传声器应尽量远离反射体，两者之间的距离最好保持在1m以上。测量过程中测量人员应该侧向声源，以尽量降低反射声的影响。 2.3风噪声的影响 在有风的环境下进行噪声测量时，风吹到传声器上使膜片上的压力发生变化，引起风噪声。风噪声也会影响到测量的准确性。室外测量，最好在无风的情况下进行；如风力小于三级，可使用防风罩罩住传声器后再进行测量；当待测的噪声强度不高而风力超过三级时，不宜进行测量。 3 测量要素选择 3.1测量时间 当周围环境的噪声很大时，应选择环境噪声最小时（例如深夜）测量。测量选择在工厂下班后进行，这时环境噪声比较小，对测量结果的影响不大。 3.2测量地点 消声器作为测量过程中的噪声源，在靠近机器区域的声场（即近场区）是不稳定的，传声器的位置稍有变化就会引起较大的声级变化，所以在噪声测量时应尽量避免这一区域。近场区以外则是自由场区，在这个区域中离声源的距离增加一倍，声压降低6dB，现场测量应选择在这个区域进行。当测量位置距离声源太远且距离墙壁或其他物体太近时，反射很强，这个区域成为混响区，也应避免在这一区域进行测量。 在某工程机械公司实际测量轮式全液压挖掘机排气消声器的噪声特性时，由于该公司内部既没有消声室，又没有混响室，装配车间内部设备比较多，声传播情况比较复杂，因此噪声测量试验选择在一片较为空旷的场地上进行，该场地距离公司厂区外公路大约400m，可以比较好地满足消声器排气噪声的噪声测量要求。试验选择在晚上进行，此时场区内噪声比较大的机械大多已经停止运行，并且天气晴朗，无风，可以不考虑气流的影响，因此外部环境对本次的测量影响不是太大。
3.3测点的选取 测点（即声级计与消声器排气口的相对位置）的选择对于最终的噪声测量结果有非常重要的影响，所以在进行噪声测量时，必须注明测点位置。不同的噪声测量内容有不同的测点布置方法，测点的分布要以各种噪声测量规范为依据。根据文献，测量工程机械消声器排气噪声时，声级计轴线应与地面平行，且与排气口端等高，测点位置距离地面的高度应该大于1m。测点位置要求距离消声器排气口0.5m，与消声器排气口轴线成45°，以避开消声器的风口和气流。测点与其他反射面的距离大于两倍的测距，并且保证在测量过程中保持不变，以保证声波相同的入射方向。
3.4其他测量要素 由于测量人员在面对声源时，对于声源发出的声波而言是一个比较大的反射面，反射回去的声波对测量结果会有一定的影响，因此最好使测量人员侧向声源，这样以来反射面积缩小，对于测量结果的影响也比较小。 4 测量仪器及安装 4.1测量仪器 信号采集器采用南京安正软件工程有限公司的振动及动态信号采集分析系统（CRASV6.1），主要利用了其中的AdCras（数据采集及处理）、SsCras（信号机系统分析）、Ntrp（噪声及振声相关分析）三个模块。 为了屏蔽外界的干扰信号，减少外界噪声信号的干扰，保证数据传输的准确性，应采用品质较好的屏蔽线作为数据线。该排气噪声测量系统对噪声信号记录的实时性较强，数据格式也比较容易进行读写和储存。 4.2测量仪器的安装 图2为测量所配置的噪声测量系统的配置简图，依次按照声级计、信号采集器、计算机的顺序使用屏蔽线连接。其中，声级计的输出接口有交流和直流两种，在噪声测量过程中采用交流档。信号采集器有16个通道，选择第一通道。在测量之前要对声级计进行校准和调试。图3为噪声信号采集现场。 5 排气噪声数据测量 5.1A声级计算公式 测量得到各测点倍频程声压级值，并根据相关文献的规定，换算成A声压级LA。 5.2噪声信号的采集 5.2.1本底噪声测量 深夜厂区内各种机械停止运行，这时比较适合进行噪声测量，测量地点选择在公司的试车场，测量到的环境噪声倍频程声压级分贝值见表3，噪声频谱曲线见图4。 5.2.2替代管排气噪声测量 轮式全液压挖掘机采用潍柴ZH4100型四缸四冲程发动机，在几种不同转速的情况下，测得了发动机消声器使用替代管时的排气噪声值如表4所示；噪声频谱曲线如图5所示。 可以看出，本底噪声和发动机各个负载转速在各个频段内的噪声分贝值都相差在10dB以上，最低负载转速时的排气噪声分贝值两者之差也有39.5dB，大于10dB，测量过程中本底噪声对于测量结果的影响可以忽略不计。因此只考虑发动机的排气噪声情况。 从图4可以看出，在低负载转速和高负载转速的情况下，发动机的排 5.2.3设计消声器排气噪声测量 笔者参考消声器各消声单元结构的消声特性，为轮式全液压挖掘机自行设计了D～J等7种不同结构消声器，并对这7种消声器的排气噪声值进行了测量分析。7种消声器的结构见图6，实物见图7。图6中，网格处代表各种不同穿孔孔径的穿孔管。 各种型号的消声器在3种主要负荷转速下的降噪量见表6。 由图11可以看出，7种复合结构消声器在各种负载转速下的排气噪声曲线走向大体一致。1200r·min—1和2500r·min—1负载转速下，7种消声器的排气噪声相差不大，E型消声器消声效果最好，分别达到了13.7dB和16.1dB。G型消声器没有使用穿孔管消声结构，消声效果较差。在1800r·min—1负载转速下，各消声器在低频段的消声量差别较大，E型消声器在0～50Hz之间消声效果较差，但是总体说来，E、F、H型消声器效果较好，D型消声器效果最差；中高频段的消声效果相差不大，相比而言，E型消声器的中高频消声效果较为平稳。 6 结语 从结构上看，消声效果较好的E、F、H都采用了穿孔管结构，说明穿孔管在消声中起到了重要的作用。研究发现，穿孔孔径越小，穿孔率越小，消声器的消声量越大，但是过小的穿孔孔径和穿孔率会导致压力损失的增大，因此进行消声器设计时，应平衡两方面，设计出具有较大消声量和较小压力损失的消声器。