第37卷 第1期2008年2月
小型内燃机与摩托车
S MALL I N TERNAL COMBUSTI O N ENGI N E AND MOT ORCYCLE
Vol.37No.1
Feb.2008
・振动・噪声・
徐红梅 郝志勇 郭 磊
发动机转速(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)01-0083-04
Appli ca ti on of O rder Ana lysis i n I n t ake
No ise Research of Eng i n e
Xu Hongm e i,Hao Zh i yong,Guo L e i
College ofMechanical and Energy Engineering,Zhejiang University(Hangzhou,310027)
Abstract:I ntake noise is one i m portant s ource of engine noise.I n order t o analyze the relati onshi p bet w een inducti on noise and engine s peed,order analysis was app lied t o test inducti on noise in one four-str oke en2 gine.The test firstly analyzed the t otal s ound level of the inlet varying with s peed.Then,according t o the dis2 tributi on of dom inating components,p ri m ary frequencies and corres ponding noise s ources were identified.Fur2 ther more,the working conditi ons in which inducti on noise has a peak value were als o f ound.Such analysis re2 sults have p r ovided s ome p reference f or the op ti m izati on of intake syste m and noise contr ol of engine.
Keywords:O rder analysis,Engine,I nducti on noise
引言
进气系统噪声在发动机总噪声中占有重要分量，对小型高速机，其进气系统噪声有时甚至比发动机自身的燃烧噪声和机械噪声还要高出5dB(A)[1]，因此，分析研究发动机进气噪声，对控制发动机噪声具有重要意义。
频谱分析是一种传统的噪声测试方法，只适用于稳态信号的分析处理。发动机进气噪声是由进气门周期性开闭而产生的压力起伏变化所形成的，在发动机升、降速过程中，其主要频率成分受发动机转速的影响而不断发生变化[1]，采用传统的频谱方法进行分析时，会产生明显的频率混叠现象。阶次分析是一种有效的非稳态信号分析方法。本文采用阶次分析法对汽车发动机进气噪声进行了测试，重点分析了发动机转速对进气噪声的影响及其相互关系，从而为发动机进气噪声控制提供参考依据。
1 阶次分析的基本原理
阶次分析方法源于角域采样理论。对发动机升、降速过程中的非稳态噪声信号，若相对于转轴进行恒角度增量采样，则此时域非稳态信号在角度域是稳态
3基金项目：国家自然科学基金项目(批准号:50575203)。
作者简介：徐红梅(1979-)，女，博士生，从事振动噪声控制和信号处理方面的研究。
信号，再对角度域稳态信号进行FFT 变换则可以得到清晰的图谱，即阶次谱
[2]
。阶次谱一般采用等高线方
式描述，其X 轴一般代表发动机噪声信号频率与发动机转动基频之间的比值，即阶次,Y 轴代表声压值，一般用亮度表示，亮度越大声压级越高，第三轴Z 轴代表发动机转速，与传统的频谱图相比，阶次谱可以精确跟踪发动机运转范围内噪声的各阶次特征分量。
阶次分析的关键是如何实现噪声信号的等角度采样，等角度采样又称阶次采样或阶次追踪。阶次采样时，采样的触发间隔为发动机每转过一定的角度的时间间隔。精确的阶次分析要求对噪声信号进行等角度采样，即采样率的调整要与发动机转速的变化一致，从而保证在发动机转动周期内的采样点数是恒定的
[3～5]
。
图1所示为阶次采样的实现过程。阶次采样包含两个采样过程。第一个过程是等时间间隔采样过程，在这个过程中，对原始的噪声信号和转速脉冲信号分两路以恒定的采样率进行等时间间隔采样，得到同步采样信号
[3]
。阶次分析时，为提高采样精度，其等时
间间隔采样一般采用过采样技术，即以远远高于奈奎斯特采样频率的频率对信号进行采样，并辅以适当的数字滤波器，以达到比原AD 转换器更高的采样精度。第二个过程是插值重采样过程，其过程是根据转速脉冲序列进行转速估计，然后利用此估计转速计算等角度采样发生的时刻序列，在等角度采样时刻附近的时间区间内对同步采样的原始噪声信号进行插值重采样，从而得到阶次分析所需的角度域稳态信号
[3]
。
图1 阶次采样实现过程
2 阶次分析法测试发动机进气噪声
2.1 试验目的
研究表明，进气噪声在发动机总噪声中占有重要分量。试验目的是通过对发动机进气噪声信号进行阶次分析，确定噪声信号的主要频率成分及最大噪声产生时的发动机运行工况，为发动机进气系统优化设计
及发动机降噪研究提供参考依据。2.2 试验仪器与设备试验采用丹麦B&K 公司的P ULSE3560C 型多分析仪系统，其配置主要包括:4190型自由场电容传声器、2669C 型传声器前置放大器以及由电源供电机箱和各种接口模块组成的数据采集前端。在软件处理方面，系统集总声压级分析仪、声强分析仪、倍频程分析仪、FFT 分析仪、转速计以及阶次分析仪等各种分析仪于一体，便于实现噪声信号的采集与分析处理。
转速传感器是实现阶次分析的一个主要传感器。试验采用湘仪动力测试仪器有限公司G W 300型测功机自带的磁电式转速传感器，其基本原理是，当测功机上测速齿轮随转轴转动时，通过传感器线圈的磁通量产生周期性的变化，在线圈中产生近似正弦波的交流电信号，通过对该电信号进行计数处理，就能测出发动机的转速。2.3 试验方法与过程试验是在发动机台架上进行的。根据国家内燃机噪声测量有关标准，在半消声室内对发动机进行噪声测试，测量时进气口安装空滤
器，并将排气噪声引到室外。测试用发动机为一台四缸四冲程车用发动机，测试工况为：发动机半载荷(70N ・m )，挡位2挡，节气门全开，转速由1200r/m in 稳定加速到6000r/m in 。
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
和传声器声压信号，并进行相应的数据分析处理，从而可以到测试工况下不同转速对进气噪声的影响。2.4 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。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。
图2所示为发动机加速过程中空滤器进气口的总声压级(SP L )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，随着发动机转速升高，进气噪声总声压级随之增大，而且，除了在2400r/m in 时有较大波动外，总声压级与转速之间基
本呈线性递增关系。
图3所示为2400r/m in 转速下发动机进气噪声频
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图2 总声压级随转速变化曲线
谱。由于测试用发动机为四缸四冲程发动机，转速为2400r/m in 时，其发火频率为80Hz 。根据图3频谱，空
滤器进气口噪声主要分布在80Hz 、240Hz 、402Hz 以及532Hz 这样几个频率点附近，其中80Hz 频率成分最为突出，正好等于发火频率
。
图3 2400r/m in 噪声频谱
根据发动机工作原理，工作时，由于进气门周期性开闭，会产生周期性压力脉动噪声，其主要频率为f 0=
((2・n ・i )/τ)/60，式中,n 为转速,i 为气缸数,τ为冲程数
[1]
。对四缸四冲程发动机，其压力脉动噪声主
要频率为f 0=2・n /60，发火频率为f 1=(n /2)・4/60=2・n /60，因此，压力脉动噪声主要频率等于发火频率。
由此可以推断，进气噪声中80Hz 频率成分可能是由压力脉动噪声引起。如果把80Hz 看作基频，其它几个频率点的频率基本上为基频80Hz 的整数倍，因此可认为是高次谐波分量。
图4所示为2400r/m in
转速下的发动机进气噪声
图4 2400r/m in 噪声阶次谱
阶次分析谱。从图中可以看出，进气噪声主要集中在2阶、6阶、10阶以及13.5阶这样几个特征分量上，其
中2阶特征分量最为突出。由于发动机转速为2400r/m in，其转动基频为40Hz，因此，特征分量所对应的频
率成分分别为80Hz 、240Hz 、400Hz 以及540Hz，此分析结果与图3频谱分析结果基本上是相一致的。
图5所示为转速由1200r/m in 稳定加速到6000r/m in 过程中发动机进气噪声的阶次分析谱。图中，横
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，在发动机加速过程中，其进气噪声主要集中于2阶、4阶、6阶、8阶、10阶、13.5阶这样几个特征分量。而且，对各阶特征分量，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，对四缸四冲程发动机，其发火频率是转动基频的2倍，所以，图5所示的阶次谱中，其主要特征分量基本上对应于发火频率的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，因此可以认为图中各阶特征分量实则对应于压力脉动噪声的基频和2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
。
图5 加速过程阶次谱
至此可以看出，图2所示声压曲线虽然在2400r/
m in 时有较大波动，但由于其频谱和阶次分析结果与图5所示其它转速下的分析结果相一致，因此，可以认为此声压波动属正常波动，发动机进气噪声与其转速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/m in 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，对图中所示等频线，该频率噪声基本随发动机转速的增加而增大。
图6所示为图5中对应于2阶、4阶、6阶、8阶以及10阶五个特征分量时，发动机进气噪声声压级随转
5
8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
速的变化关系曲线。从图中可以看出，在发动机工作转速范围内，进气噪声各阶特征分量声压级都有随转速上升的趋势，而且加速过程中，除小部分转速范围外,2阶特征分量的声压级一直都高于其他特征分量的声压级。根据转动频率与发火频率以及压力脉动噪声主要频率的相互关系，图中各阶特征分量实则对应于压力脉动噪声的基频和2阶、3阶等高次谐
波分量。也就是说，在发动机加速过程中，压力脉动噪声各次谐波分量都有随转速上升的趋势，而且相对于高次谐波分量，其基频成分对进气噪声影响较大
。
图6 加速过程各阶次分析谱
图7、图8分别为发动机转速稳定在4500r/m in
和
图7 4500r/m in
噪声频谱
图8 5500r/m in 噪声频谱
5500r/m in 时进气噪声的频谱。图中最大声压级所对
应的频率分别为150Hz,188Hz，基本上等于发动机发火频率或压力脉动噪声主要频率，或转动基频的2倍。此频谱分析结果与图5和图6的阶次分析结果相一致，但是基于转速跟踪的阶次分析可以反映整个运转范围内进气噪声随转速的变化关系，从而便于识别最大噪声产生时所对应的发动机运行工况，因此，较之频谱分析，阶次分析更具优势。
3 结论
1)进气噪声与发动机转速密切相关，随着转速的
升高，进气噪声随之增大，而且进气噪声总声压级与转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，发动机进气噪声主要集中于2阶、4阶、6阶、8阶、10阶以及13.5阶这样几个特征分量，对各阶特征分量，随着转速的升高，其声压级随之增大，而2阶特征分量的声压级基本上高于其它特征分量声压级。因此，该发动机在工况范围内,2倍转动基频的进气噪声是一个主要的噪声成分。
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，进气噪声各阶特征分量基本上是与进气管压力脉动噪声主要频率及其2阶、3阶等高次谐波分量相对应的。因此，进气噪声的主要成分来源于进气门周期性开闭引起的气体压力脉动。
参考文献
1 邵恩坡，程汉华.发动机进气噪声产生的机理及其控制
[J ].小型内燃机,1994,23(4):44～47
2 郭瑜，秦树人.旋转机械非稳定信号的伪转速跟踪阶比分
析[J ].振动与冲击,2004,23(1):61～64
3 杨炯明，秦树人，季忠.旋转机械阶比分析技术中阶比采
样实现方式的研究[J ].中国机械工程,2005,16(3):249～252
4 Fyfe K R,Munck D S,ANALYSI S OF COMP UTE D ORDER
TRACKI N G[J ],M echanical System s and signal Pr ocessing,1997,11(2):187～205
5 Bossley K M ,Mckendrick R J,Harris C J,Mercer C .HY 2
BR I D COMP UTE D ORDER TRACKI N G [J ],M echanical Syste m s and Signal Pr ocessing,1999,13(4):627～641
(收稿日期:2006-11-26)
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