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阶次分析在发动机进气系统噪声研究中的应用
2018-04-26 11:16:29· 来源：百度文库《阶次分析技术》
除了结构辐射噪声外，进排气系统噪声也是发动机噪声的主要来源，其中的进气系统噪声已成为车辆最主要的噪声源之一。从本质上讲，进气系统噪声与燃烧过程有关系，因此其噪声频谱与发动机转速有直接关系。当进行噪声测量时，大多使车辆处于加速工况，因此在分析中经常采用阶次分析技术，而非频谱分析。
除了结构辐射噪声外，进排气系统噪声也是发动机噪声的主要来源，其中的进气系统噪声已成为车辆最主要的噪声源之一。从本质上讲，进气系统噪声与燃烧过程有关系，因此其噪声频谱与发动机转速有直接关系。当进行噪声测量时，大多使车辆处于加速工况，因此在分析中经常采用阶次分析技术，而非频谱分析。
为何不采用频谱分析方法
因为，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，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。
混叠现象（采样频率过低，会造成波形重构）
相比之下，阶次分析是一种有效的非稳态信号分析方法，采用阶次分析法，对汽车发动机进气系统噪声进行研究测试，可以清晰的分辨发动机转速对于进气噪声的影响及其相互关系，从而为发动机进气系统噪声控制提供参考。
阶次分析的基本原理
阶次分析方法源于角域采样理论。对于发动机升、降速过程中的非稳态噪声信号，若相对于曲轴进行恒角度增量采样，则该时域非稳态信号在角度域是稳态信号，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。
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。
阶次采样一般包含两个采样过程：
1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。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（Nyquist）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。
2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。
阶次分析用于进气系统噪声分析
对于发动机这类旋转机械，通常定义曲轴旋转对应的频率为基频，也就是1阶，基频的n倍被称为n阶。
在发动机进排气系统研究中，并非所有阶次都是所需的，这要视发动机的类型而定，比如对于直列四缸发动机，在一个工作循环内，各缸依次点火，一个工作循环，曲轴转两圈，所以发火频率刚好对应2阶，进排气系统噪声通常在发火频率及其对应的谐次上有较高的值。
上图为某发动机在5000rpm稳定工况时进气口噪声的声压级，由图可见，其声压级具有明显的谐次特性，并且前8阶噪声中，2、4、6、8阶为最突出的谐次。所以对于直列四缸发动机而言，研究其发火频率及其各谐次的噪声才有意义，发火频率的第二谐次对应4阶，第三谐次对应6阶，依此类推，而噪声随着谐次的增加逐渐减弱，所以在四缸发动机进气系统阶次噪声研究中，通常取2、4、6、8阶。对于六缸发动机，通常取3、6、9、12阶。
下图为某直列四缸发动机进气系统噪声2、4、6、8阶频谱，这种阶次频谱图中，横轴为转速，纵轴为噪声值。转速r、阶次n和频率f之间有如下对应关系：
为了使整车噪声能够满足通过噪声（国标）的要求，以及达到较好的车内噪声主观评价，通常进气系统噪声会有限定值。上图中最上面的粗红线是对气动噪声总值的限值，下面的绿线是对各阶次噪声的限值。在进气系统设计时，为了使整车通过噪声能够达到噪声法规的要求，除了应使进气系统噪声总值低于限值之外，通常还需要对进气系统噪声的声品质进行调节，一般通过限制各阶次噪声的方法来实现。
阶次谱除了可以采用类似于上图的表达方式外，还可以采用等高线方式描述，如下图所示。
图中：
X轴一般代表发动机噪声信号频率、或频率与发动机转动频率之间的比值，即阶次；
Y轴代表声压值，一般用颜色或亮度表示，不同颜色或亮度代表不同的声压级；
Z轴代表发动机转速。
通过这种分析方法，不但可以清楚的看出各阶次下的噪声情况，还可以分析噪声在频域内的分布。这种分析方法可以有效的区分哪些噪声与噪声源有关，哪些噪声与消声单元有关，为噪声分析及控制提供便捷的工具。
为何不采用频谱分析方法
因为，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，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。
混叠现象（采样频率过低，会造成波形重构）
相比之下，阶次分析是一种有效的非稳态信号分析方法，采用阶次分析法，对汽车发动机进气系统噪声进行研究测试，可以清晰的分辨发动机转速对于进气噪声的影响及其相互关系，从而为发动机进气系统噪声控制提供参考。
阶次分析的基本原理
阶次分析方法源于角域采样理论。对于发动机升、降速过程中的非稳态噪声信号，若相对于曲轴进行恒角度增量采样，则该时域非稳态信号在角度域是稳态信号，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。
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。
阶次采样一般包含两个采样过程：
1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。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（Nyquist）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。
2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。
阶次分析用于进气系统噪声分析
对于发动机这类旋转机械，通常定义曲轴旋转对应的频率为基频，也就是1阶，基频的n倍被称为n阶。
在发动机进排气系统研究中，并非所有阶次都是所需的，这要视发动机的类型而定，比如对于直列四缸发动机，在一个工作循环内，各缸依次点火，一个工作循环，曲轴转两圈，所以发火频率刚好对应2阶，进排气系统噪声通常在发火频率及其对应的谐次上有较高的值。
上图为某发动机在5000rpm稳定工况时进气口噪声的声压级，由图可见，其声压级具有明显的谐次特性，并且前8阶噪声中，2、4、6、8阶为最突出的谐次。所以对于直列四缸发动机而言，研究其发火频率及其各谐次的噪声才有意义，发火频率的第二谐次对应4阶，第三谐次对应6阶，依此类推，而噪声随着谐次的增加逐渐减弱，所以在四缸发动机进气系统阶次噪声研究中，通常取2、4、6、8阶。对于六缸发动机，通常取3、6、9、12阶。
下图为某直列四缸发动机进气系统噪声2、4、6、8阶频谱，这种阶次频谱图中，横轴为转速，纵轴为噪声值。转速r、阶次n和频率f之间有如下对应关系：
为了使整车噪声能够满足通过噪声（国标）的要求，以及达到较好的车内噪声主观评价，通常进气系统噪声会有限定值。上图中最上面的粗红线是对气动噪声总值的限值，下面的绿线是对各阶次噪声的限值。在进气系统设计时，为了使整车通过噪声能够达到噪声法规的要求，除了应使进气系统噪声总值低于限值之外，通常还需要对进气系统噪声的声品质进行调节，一般通过限制各阶次噪声的方法来实现。
阶次谱除了可以采用类似于上图的表达方式外，还可以采用等高线方式描述，如下图所示。
图中：
X轴一般代表发动机噪声信号频率、或频率与发动机转动频率之间的比值，即阶次；
Y轴代表声压值，一般用颜色或亮度表示，不同颜色或亮度代表不同的声压级；
Z轴代表发动机转速。
通过这种分析方法，不但可以清楚的看出各阶次下的噪声情况，还可以分析噪声在频域内的分布。这种分析方法可以有效的区分哪些噪声与噪声源有关，哪些噪声与消声单元有关，为噪声分析及控制提供便捷的工具。
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