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第37卷第1期小型内燃机与摩托车Vol37 Na 12008年2月SMALL NTERNAL COM BUST DN ENG NE AND MOTORCYCLEFeh 2008·振动·噪声·阶次分析在发动机进气噪声研究中的应用徐红梅郝志勇郭磊(浙江大学机械与能源工程学院浙江杭州310027摘要：进气噪声是发动机主要噪声源之一。为研究发动机转速对进气噪声的影响，采用阶次分析方法对一台车用四缸发动机的进气噪声进行了试验研究，首先分析进气口总声压级随转速的变化关系，并根据进气噪声阶次分析的特征分量分布，初步识别了其主要频率成分及相应噪声源，以及最大噪声产生时的发动机运行工况，分析结果可为发动机进气系统优化设计及噪声控制提供一定的参考依据。关键词：阶次分析发动机噪声测试中图分类号：TK411文献标识码：A文章编号：1671-0630(2008)01-0083-04Application ofOrder Analysis in IntakeNoise Research of Engnegine The test firstly analyzed the total sound level of the nlet varyingw ih speed Then accord ng to the disKeyw ords Order analysis Engne hduction noise引言而不断发生变化山，采用传统的频谱方法进行分析进气系统噪声在发动机总噪声中占有重要分量，时，会产生明显的频率混叠现象。阶次分析是一种有对小型高速机，其进气系统噪声有时甚至比发动机自效的非稳态信号分析方法。本文采用阶次分析法对汽身的燃烧噪声和机械噪声还要高出5B(A)山，因此，车发动机进气噪声进行了测试，重点分析了发动机转分析研究发动机进气噪声，对控制发动机噪声具有重速对进气噪声的影响及其相互关系，从而为发动机进要意义。气噪声控制提供参考依据。频谱分析是一种传统的噪声测试方法，只适用于1阶次分析的基本原理稳态信号的分析处理。发动机进气噪声是由进气门周阶次分析方法源于角域采样理论。对发动机升、期性开闭而产生的压力起伏变化所形成的，在发动机降速过程中的非稳态噪声信号，若相对于转轴进行恒升、降速过程中，其主要频率成分受发动机转速的影响角度增量采样，则此时域非稳态信号在角度域是稳态◆基金项目：国家自然科学基金项目（批准号：0575203）。http://www.cnki.net84小型内燃机与摩托车第37卷信号，再对角度域稳态信号进行FT变换则可以得到次分析，确定噪声信号的主要频率成分及最大噪声产清晰的图谱，即阶次谱21。阶次谱一般采用等高线方生时的发动机运行工况，为发动机进气系统优化设计式描述，其X轴一般代表发动机噪声信号频率与发动及发动机降噪研究提供参考依据。机转动基频之间的比值，即阶次，Y轴代表声压值，一22试验仪器与设备般用亮度表示，亮度越大声压级越高，第三轴Z轴代试验采用丹麦B&K公司的PULSE3560C型多分表发动机转速，与传统的频谱图相比，阶次谱可以精确析仪系统，其配置主要包括：4190型自由场电容传声跟踪发动机运转范围内噪声的各阶次特征分量。器、2669C型传声器前置放大器以及由电源供电机箱阶次分析的关键是如何实现噪声信号的等角度采和各种接口模块组成的数据采集前端。在软件处理方样，等角度采样又称阶次采样或阶次追踪。阶次采样面，系统集总声压级分析仪、声强分析仪、倍频程分析时，采样的触发间隔为发动机每转过一定的角度的时仪、FFT分析仪、转速计以及阶次分析仪等各种分析仪间间隔。精确的阶次分析要求对噪声信号进行等角度于一体，便于实现噪声信号的采集与分析处理。采样，即采样率的调整要与发动机转速的变化一致，从而转速传感器是实现阶次分析的一个主要传感器。保证在发动机转动调期内的采样点数是恒定的习。试验采用湘仪动力测试仪器有限公司GW300型测功图1所示为阶次采样的实现过程。阶次采样包含机自带的磁电式转速传感器，其基本原理是，当测功机两个采样过程。第一个过程是等时间间隔采样过程，上测速齿轮随转轴转动时，通过传感器线圈的磁通量在这个过程中，对原始的噪声信号和转速脉冲信号分产生周期性的变化，在线圈中产生近似正弦波的交流两路以恒定的采样率进行等时间间隔采样，得到同步电信号，通过对该电信号进行计数处理，就能测出发动采样信号)。阶次分析时，为提高采样精度，其等时机的转速。间间隔采样一般采用过采样技术，即以远远高于奈奎23试验方法与过程斯特采样频率的频率对信号进行采样，并辅以适当的试验是在发动机台架上进行的。根据国家内燃机数字滤波器，以达到比原AD转换器更高的采样精度。噪声测量有关标准，在半消声室内对发动机进行噪声第二个过程是插值重采样过程，其过程是根据转速脉测试，测量时进气口安装空滤器，并将排气噪声引到室冲序列进行转速估计，然后利用此估计转速计算等角外。测试用发动机为一台四缸四冲程车用发动机测度采样发生的时刻序列，在等角度采样时刻附近的时试工况为：发动机半载荷(70N·m),挡位2挡，节气间区间内对同步采样的原始噪声信号进行插值重采门全开，转速由1200rmin稳定加速到6000rmin样，从而得到阶次分析所需的角度域稳态信号【)。将转速传感器安装在测功机测速齿轮旁边，传感器对准齿顶或齿槽，适当调整传感器与齿轮间隙，使其原始信号为2~3mm。根据北美某汽车公司标准，测试发动机进气噪声时，传声器轴线必须与空滤器进气口轴线呈转速脉冲信号时间45角，传声器距离空滤器进气口100mm。测试时，3560C型多分析仪系统同时记录转速传感器转速信号插值重采样和传声器声压信号，并进行相应的数据分析处理，从而可以找到测试工况下不同转速对进气噪声的影响。重采样后信号24测试结果分析首先分析转速变化对进气噪声总声压级的影响。间角度域信号根据发动机进气噪声产生机理，随着转速的升高，其进气噪声随之增大。转速图2所示为发动机加速过程中空滤器进气口的总图1阶次采样实现过程声压级(SL)变化曲线，其横坐标为发动机转速，纵坐标为A计权声压级。从图中可以看出，随着发动机转2阶次分析法测试发动机进气噪声速升高，进气噪声总声压级随之增大，而且，除了在21试验目的2400rmin时有较大波动外，总声压级与转速之间基研究表明，进气噪声在发动机总噪声中占有重要本呈线性递增关系。第1期徐红梅等：阶次分析在发动机进气噪声研究中的应用85100阶次分析谱。从图中可以看出，进气噪声主要集中在952阶、6阶、10阶以及135阶这样几个特征分量上，其(2400r/min,85dB(A))中2阶特征分量最为突出。由于发动机转速为2400r/mim其转动基频为40Hz因此，特征分量所对应的频85率成分分别为80Hx24H云400Hz以及540Hz此分析80结果与图3频谱分析结果基本上是相一致的。100020003000400050006000图5所示为转速由1200r/min稳定加速到6000r/转速/r/min)mim过程中发动机进气噪声的阶次分析谱。图中，横图2总声压级随转速变化曲线坐标代表阶次，纵坐标代表转速，图片亮度代表声压级大小，亮度越大，声压级越大。从图中可以看出，在发谱。由于测试用发动机为四缸四冲程发动机，转速为动机加速过程中，其进气噪声主要集中于2阶、4阶、62400r/min时，其发火频率为80Ha根据图3频谱，空阶、8阶、10阶、135阶这样几个特征分量。而且，对滤器进气口噪声主要分布在80H云240Hx402Hz以及532Hz这样几个频率点附近，其中80Hz频率成分各阶特征分量，随着发动机转速的升高，其声压级随之增大。根据以上发火频率计算公式，对四缸四冲程发最为突出，正好等于发火频率。动机，其发火频率是转动基频的2倍，所以，图5所示80的阶次谱中，其主要特征分量基本上对应于发火频率60的1倍、2倍、3倍、4倍、5倍以及7倍。同时，由于压力脉动噪声主要频率等于发火频率，因此可以认为图40中各阶特征分量实则对应于压力脉动噪声的基频和22阶、3阶等高次谐波分量。因此，加速过程中发动机进气噪声主要是由压力脉动噪声引起。500100015002000250030005500-86.8图32400rmn噪声频谱78.6450069.2根据发动机工作原理，工作时，由于进气门周期性58.6开闭，会产生周期性压力脉动噪声，其主要频率为6=350050.842.0(V)P/((2·n·)几)/60式中，n为转速，为气缸数T为250032.4冲程数刊。对四缸四冲程发动机其压力脉动噪声主23.6150014.0要频率为f6=2·n/0发火频率为f=(n/2)·460=024681012141618202·n/60因此.压力脉动噪声主要频率等于发火频率。阶次由此可以推断，进气噪声中8Hz频率成分可能是由图5加速过程阶次谱压力脉动噪声引起。如果把8z看作基频，其它几至此可以看出，图2所示声压曲线虽然在2400r/个频率点的频率基本上为基频80Hz的整数倍，因此mm时有较大波动，但由于其频谱和阶次分析结果与可认为是高次谐波分量。图5所示其它转速下的分析结果相一致，因此.可以认图4所示为2400r/min转速下的发动机进气噪声为此声压波动属正常波动，发动机进气噪声与其转速80之间基本呈线性关系。其声压级之所以偏高是因为空滤器对2400r/mim转速下的部分频率成分消噪效果不明显。此外，以上阶次谱中，白色光标代表的是一条等频线，其频率值等于转动基频与对应阶次的乘积，等频线表示某一频率噪声随转速的变化情况，对图中所示等12频线，该频率噪声基本随发动机转速的增加而增大。阶次图6所示为图5中对应于2阶、4阶、6阶、8阶以86小型内燃机与摩托车第37卷速的变化关系曲线。从图中可以看出，在发动机工作5500r/min时进气噪声的频谱。图中最大声压级所对转速范围内，进气噪声各阶特征分量声压级都有随转应的频率分别为150Hz188z基本上等于发动机发速上升的趋势，而且加速过程中，除小部分转速范围火频率或压力脉动噪声主要频率，或转动基频的2倍。外，2阶特征分量的声压级一直都高于其他特征分量此频谱分析结果与图5和图6的阶次分析结果相一的声压级。根据转动频率与发火频率以及压力脉动噪致，但是基于转速跟踪的阶次分析可以反映整个运转声主要频率的相互关系，图中各阶特征分量实则对应范围内进气噪声随转速的变化关系，从而便于识别最于压力脉动噪声的基频和2阶、3阶等高次谐波分量。大噪声产生时所对应的发动机运行工况，因此，较之频也就是说，在发动机加速过程中，压力脉动噪声各次谐谱分析，阶次分析更具优势。波分量都有随转速上升的趋势，而且相对于高次谐波3结论分量，其基频成分对进气噪声影响较大。1)进气噪声与发动机转速密切相关，随着转速的90升高，进气噪声随之增大，而且进气噪声总声压级与转6阶80速之间基本呈线性递增关系。2)根据进气噪声阶次分析结果，发动机进气噪声10主要集中于2阶、4阶、6阶、8阶、10阶以及135阶这样几个特征分量，对各阶特征分量，随着转速的升高，50其声压级随之增大，而2阶特征分量的声压级基本上10阶高于其它特征分量声压级。因此，该发动机在工况范20003000400050006000围内，2倍转动基频的进气噪声是一个主要的噪声成转速/(r/min分。图6加速过程各阶次分析谱3)根据发动机发火频率、转动频率以及进气口压力脉动噪声主要频率之间的相互关系，进气噪声各阶图7、图8分别为发动机转速稳定在4500r加in和特征分量基本上是与进气管压力脉动噪声主要频率及100其2阶、3阶等高次谐波分量相对应的。因此，进气噪a150Hz声的主要成分来源于进气门周期性开闭引起的气体压90力脉动。85参考文献】邵恩坡，程汉华.发动机进气噪声产生的机理及其控制75【月小型内燃机，199423(4)：44-47050010001500200025003000fHz2郭瑜，秦树人.旋转机械非稳定信号的伪转速跟踪阶比分图74500rmim噪声频谱析[刀.振动与冲击，200423(1)：61~643杨炯明，秦树人，季忠.旋转机械阶比分析技术中阶比采100样实现方式的研究[月.中国机械工程，200516(3)：249804 Fyfe K R.Munck D S ANALY SIS OF COM PUTED ORDER60TRACK NG[J].M echan ical Systems and signal Process ing4050010001500200025003000Systm s and S gnal Processing 1999 13(4):627~641(收稿日期2006-1-26)图85500rmim噪声频谱C1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net