南阳师范学院机电工程学院 宋广进 李果

前言

噪声对于环境及人体的伤害近年来越发受到重视，不仅影响着人们的身体健康，也影响着人们的心理健康，降低人们的幸福指数[1]。目前，随着农业生产机械化、电子化水平的不断提高，农村的噪声污染问题也很突出，影响着农民的生活质量，需要加强重视程度，而农业机械设备的噪声是农村生产生活的主要噪声源之一，影响范围较广泛，危害性也很大，不容忽视。而且，噪声与振动过大也会对农业机械设备的使用寿命和使用安全性产生不利影响，比如过大的噪声振动可能会引起农业机械设备发动机曲轴和凸轮轴的断裂失效、传动齿轮的严重磨损失效等问题。因此，为了降低农业生产的噪声，世界各国对于农业机械设备的噪声都相继出台了相关标准和法规进行限制，各大农业机械设备制造厂商对于农业机械设备的噪声振动性能优化投入占比也越来越大，噪声等级大小也成为了农业机械设备的一个重要性能指标。

其中，发动机作为农业机械设备的主要噪声源需要重点关注，因此，发动机噪声的研究与控制对于农业机械设备的噪声优化来讲是放在首位的。而发动机又是结构比较复杂的总成，包含两大机构五大系统，零部件非常多，常见的奥托循环四冲程发动机工作过程分为四个行程，各个零部件经受循环往复的周期性冲击，空气和可燃混合气的气流运动和燃料燃烧也是周期性循环，循环较快。因此，从发动机的工作过程就可以看出发动机的噪声构成十分复杂，不同结构的噪声类型与噪声等级都不同，比如配气机构既包含气流运动的空气动力噪声，又包含由存在气门间隙和振动引起的机械噪声，所以需要分析不同类型噪声的产生机理与组成才能进一步提出控制方法来降低噪声。本文从发动机噪声的产生机理和组成入手进行阐述，提出降噪的具体方法来降低农业机械设备的噪声水平，改善农村生活的居住舒适度。

1 发动机噪声的组成

发动机是农业机械设备的动力来源，结构复杂，能够产生噪声的零部件很多，根据其工作机理，可将其噪声分为三个方面，分别是空气动力噪声、燃烧噪声和机械噪声[2]。

1.1 空气动力噪声

空气动力噪声是由发动机工作时带动的气流运动产生的，包括进气噪声、排气噪声和风扇噪声。发动机的正常运转需要连续不断的换气，即气缸内部通过进气门和排气门的开闭不断充入新鲜的可燃混合气或者纯空气，排出燃料燃烧后的废气，在进气和排气的过程中由于气流振动所产生的噪声为进气噪声和排气噪声。在进气行程时，进气门开启，活塞下行，活塞的运动速度由零开始逐渐增大，活塞附近的气体随之运动，形成压力脉冲，引发脉冲噪声，当达到行程终了时，进气门关闭，会引起气流速度和压力的波动，引发波动噪声。在排气行程时，排气门开启，燃烧后的废气会以极高的速度排出气缸，经由排气管进入大气，此过程的气流运动不稳定，噪声等级较大，其中排气噪声最大的部分为燃烧后的废气高速通过排气门时的涡流噪声。

除此之外，伴随着燃料的燃烧和活塞的循环往复摩擦，发动机的温度会变得很高，需要连续不断散热冷却，以避免发动机过热，发动机过热对于发动机的性能与寿命有着严重的影响。对于发动机的冷却，除了冷却液的循环流动散热之外，散热风扇的运转也十分重要，能带走发动机的一部分热量，散热风扇的旋转会不断切割空气引发压力脉动，带动周围的空气产生涡流运动，气体脉动噪声和气体涡流的运动产生的噪声即为风扇噪声。而且随着转速的增大，风扇噪声等级迅速增大，甚至会成为最主要的噪声源之一。

1.2 燃烧噪声

发动机的工作过程是将燃料的化学能转化为热能，再将热能转化为机械能进而驱动车辆前行。燃烧过程随着可燃混合气的不断氧化放热，气缸内的温度、压力不断升高，由此引起的气体冲击振动所产生的噪声即为燃烧噪声。通过对发动机燃烧过程分析可知，不同燃烧时期的燃烧特点不同，对发动机燃烧噪声的影响也不同，以柴油机为例，在着火延迟期时燃烧室处于准备阶段，包括可燃混合气形成的物理阶段和混合气发生一些化学反应的化学阶段，在速燃期时燃烧室处于燃料的迅速燃烧膨胀过程，平均压力升高率是影响燃烧噪声的重要指标，在缓燃期时燃料燃烧速度逐渐减慢，在补燃期时气缸压力不断下降，缓燃期和补燃期对燃烧噪声影响不大，所以对发动机燃烧噪声控制时主要考虑着火延迟期和速燃期的影响因素。

由于发动机工作时燃烧过程是周期性不断发生的，四个冲程不断变化，所以气缸内部的压力是不断变化的，由此引发的燃烧噪声也是不可避免的。如果发生不正常燃烧，燃烧噪声会显著增加，比如爆燃和表面点火，会引起较大冲击振动，爆燃会引起锯齿波形的气缸压力曲线波动，燃料放热速度非常快，敲缸声十分明显，表面点火会引发发动机工作的粗暴程度增大，部分零部件过热，还有可能进一步诱发爆燃，二者互相促进，使燃烧过程不断恶化。另外，如果发动机积碳严重会导致局部过热形成炽热点，炽热点可能会过早引燃混合气，造成燃烧过程异常，增大燃烧噪声。燃烧噪声分别通过气缸盖与气缸体下部向上、向下辐射传播[3]。

1.3 机械噪声

发动机的各个运动部件在气体膨胀压力及惯性力的影响下产生的冲击振动所激发的噪声为机械噪声。这些运动部件很多，包括活塞、配气机构、正时齿轮、喷油系统等结构的运动摩擦和由于存在一定间隙及周期性冲击作用产生的撞击噪声等。比如，气门处不仅有空气动力噪声，也有机械噪声，主要是由气门的开启和关闭时的冲击引起的，气门开启时凸轮施加在气门上的冲击力和气门关闭时气门落座的撞击都会产生机械噪声，气门开启或关闭时的速度越快，由此产生的噪声等级也越大。而且，如果气门机构工作过程当中发生弹性变形，会使得气门的开启与关闭不正常，增加气门撞击的次数与强度。由于发动机工作时输出转矩大与工作转速快，各个零部件所承受的冲击也比较大，冲击次数非常多，由此产生的噪声也很大。另外，如果各个运动部件的润滑不充分或润滑油品质变差也会造成机械噪声增大。

2 发动机噪声控制方法

2.1 噪声源识别方法

对农业机械设备发动机的噪声类型及产生机理的分析大体上明确了噪声产生的部位和产生的原因，但是对于噪声的量级和源头的确定还不够具体，需要进一步借助声压检测法或声强检测法的噪声测试技术来进行分析研究。

声压检测法是依据相关测试标准通过建立包络面利用声压传感器来采集不同点位的声压级，通过相关计算得到声功率级，声压检测法对于实验环境要求比较高，对测量设备要求也比较高，而且测试结果容易受到外界环境的影响，需要在消声室或者半消声室进行才比较准确，农业机械设备一般体积较大，构建声压检测法的实验环境比较复杂，花费的成本也比较高，因此，大型农业机械设备不太适合采用声压检测法。

相对于声压检测法来说，声强检测法对于实验环境的要求较低，而且操作简单方便，不需要同时构建出所有测量点位矩阵，可以利用手持式声强传感器依据扫描路线进行移动依次检测，包络面各个离散点位的数据，声强传感器探头移动时注意保证各点位的均匀性以及和测量面的垂直，得出各个测量点位的声强级，得到声强云图，计算出声功率级，比较适用于大型农业机械设备。

通过声压检测法或者声强检测法精确得到噪声源的具体方位和各个部位的噪声等级，然后分析研究不同类型噪声的控制方法，提出降噪措施。

2.2 空气动力噪声控制方法

对于进气噪声和排气噪声的控制应选择合理的且符合空气动力学的进气管、排气管与恰当的气门结构，管内的接口及拐角处设置圆角平滑过渡，避免存在锋利的边缘，对于空气滤清器的滤芯选择也要合理，应选择阻力小的滤芯，减少气体在管路内流动的阻滞，避免在气流在管路中产生较强的涡流、脉动及共振现象等，以降低这些形式的空气动力噪声。另外，还可以加装一个或者多个消声器来削弱进气噪声和排气噪声，消声器的参数也要合理匹配，令消声器的效果达到最佳，比如直径不宜大于360mm 等。对于散热风扇的噪声控制来讲，可以从风扇的材料与结构形式入手，进行改进优化，比如塑料材料的应用、风扇叶片均匀度的改进等，还需优化调整散热风扇与散热器之间的距离，在达到最好的散热效果的同时降低散热风扇的噪声。

2.3 燃烧噪声控制方法

对于燃烧噪声的控制可以基于燃料的燃烧规律来优化燃烧室的形式，降低燃烧过程的压力升高率，比如将燃烧室做成两部分的分隔式燃烧室，提高燃烧过程的柔和性，能够显著降低噪声等级。燃料特性方面对燃烧噪声大小也有影响，柴油可选用高十六烷值的，汽油可选用高辛烷值的，以提高燃料的蒸发性，缩短着火延迟期，进而降低燃烧噪声。

从发动机工作过程控制方面，能够缩短着火延迟期，减弱燃烧粗暴程度，能降低燃烧噪声，比如推迟喷油或点火时间和避免过低的气缸温度等。增压技术的采用可以改善燃料的着火条件，压缩行程结束时气缸内部的温度和压力均比未增压的发动机高，这样也能缩短发动机着火延迟期，而且随着增压压力值的增大，燃烧过程的压力升高率逐渐降低，燃烧噪声的降噪效果就越好。另外，发动机使用一段时间之后缸内积碳增多，要及时维护发动机，清除缸内积碳，使得燃料燃烧更加充分，进一步降低噪声，尤其是对于降低怠速时的抖动和噪声很有效果。

2.4 机械噪声控制方法

对于机械噪声的控制应减少发动机的各个配合零部件的冲击振动，保证合适的配合间隙与精度，避免过大的惯性力引起的剧烈机械振动，如活塞的敲击、缸盖的变形等振动[4]。活塞敲击声的降低也可以从缸套刚度的增加和活塞结构改进入手，比如缸套增厚、缸套增设加强筋或优化活塞裙部结构等。减小相关驱动零部件的质量大小能减小产生冲击的惯性力，降低噪声。

另外，对于燃油供给系统内燃油流动时摩擦造成的噪声控制方面，可对燃油泵、燃油滤清器与喷油器等零部件进行合理选用与设计。对于润滑系统的噪声控制可以机油泵和油底壳的型式选择以及油道的结构改进考虑，比如采用摆线转子式机油泵、干式油底壳以及圆形油道等，发动机在使用过程中还应及时更换机油，避免润滑情况变坏。对于正时齿轮的传动噪声控制应从材料、加工精度与布置方式等方面进行优化，降低噪声，正时皮带在工作过程中会有一定的磨损，要及时进行维护，调整皮带的松紧度，避免由于皮带的颤动或打滑造成噪声增大。对于气门处的机械噪声限制可优化凸轮型线的设计，进而降低气门在刚开始升起和最终落座时的速率，减小冲击，也可提高凸轮的加工精度，减小气门间隙大小，以降低噪声[5]。

2.5 噪声传播控制方法

对于空气动力噪声、燃烧噪声和机械噪声的产生途径控制并不能完全消除噪声，而且发动机各个零部件的振动会传导至外表，进而引发外表的振动响应，导致噪声的辐射传播，仅对各类型噪声产生部位的控制可能达不到预期的降噪目标，因此对于噪声传播过程的降噪优化也十分重要。噪声传播过程的降噪措施有多种形式，可采用相关的隔声降噪与防振方法，阻止噪声的传播辐射，能够阻断各零部件激振力的传递和降低发动机外表的声辐射效率的方式均是可以有效降噪的，比如在发动机外围加装隔音棉与隔音罩、在发动机壳体表层涂抹减振隔声层[6]、优化曲轴箱结构、增设减振支承、油底壳采用双层结构等措施都可以降低传到驾驶员与其他人员耳中的噪声等级，达到降噪的目的。

另外，还可以增设发动机噪声的检测装置，在发动机工作时启动，实时监测发动机的噪声水平和有无异响情况，如果传感器检测到发动机噪声超过正常阈值便启动相应的声光报警功能，让驾驶员及时察觉，并及时维护修理，并且将此故障情况反馈给发动机控制单元，记录下这一故障状态，必要时还可以自动关闭发动机，防止意外事故的发生，保障驾乘人员的生命安全。

3 结语

通过对发动机各部分噪声产生的机理与降噪方法的分析研究，明确了空气动力噪声、燃烧噪声与机械噪声的影响因素与不同类型噪声降噪的一般方法，为农业机械设备的噪声优化打下基础，为进一步减轻农村噪声污染做出贡献，促进人们的身心健康发展。