CN109297718B - 一种阶次啸叫噪声的评价方法 - Google Patents

一种阶次啸叫噪声的评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种阶次啸叫噪声的评价方法，其是基于卡尔曼滤波器技术，对旋转机械噪声测试信号处理实现旋转零部件阶次啸叫噪声从旋转机械噪声中分离，然后对分离出来的旋转零部件阶次啸叫噪声信号、旋转机械噪声信号进一步处理，建立NVH工作者主观评价活动数学模型计算出纯音突出量，最终实现对旋转零部件阶次啸叫水平评分。本发明根据客观测试数据对啸叫水平评分，可以降低主观评价活动中的人主观性对评价结果的影响。

Description

一种阶次啸叫噪声的评价方法
技术领域
本发明涉及振动噪声分析技术领域，特别是涉及阶次啸叫噪声的评价，尤其是涡轮增压器啸叫噪声的评价技术。
背景技术
涡轮增压器是一种转速能高达30万rpm的旋转机械，其叶轮与气流的相互作用、轴承的油膜蜗动、转子系统的不平衡等都使得增压器在工作过程中产生各种噪声，这些都给增压器NVH控制带来了挑战。我们知道增压器的阶次啸叫噪声是由转子系统的不平衡导致，可以通过控制转子系统的动不平衡量的方式来控制阶次啸叫噪声水平。因为转子系统不可能做到绝对平衡，所以增压器阶次啸叫噪声也只能尽量降低，不可能完全消除，因此我们对增压器阶次啸叫只能是采取包容接受的态度。这里所说的包容接受并不是指无奈妥协，而是指声学现象中的掩蔽效应。心理声学研究表明：对任何一个单频声，存在一个以该单频声频率为中心频率的临界频带，只有该临界频带内的背景噪声才对单频声有掩蔽作用，并且当单频声的能量比临界频带中背景噪声的能量不高出6dB时，多数听者才能不太容易听到单频声的存在。
目前NVH领域评价增压器阶次啸叫是否可接受的方法大多是先试制多个不同动不平衡量的增压器样件，然后在同一辆车上不断换装、NVH工作者对增压器阶次啸叫进行主观评价，直到从中选出阶次啸叫水平可接受的样件为止，最后再以该样件的动不平衡量作为增压器生产控制标准。这种方法的缺点在于，一是同样的发动机搭不同的车的时候，车内听到的增压器啸叫水平可能不一致，这就会出现对同一款发动机提出不同的增压器控制标准的问题，这是发动机开发团队不愿意看到的情况。二是NVH工作者的工作经验、心理状态等因素会影响主观评价结果，使得对车内增压器阶次啸叫水平过估计或欠估计，过估计会导致项目投入更多的成本对增压器啸叫问题进行整改，欠估计则导致市场抱怨增加最终失去市场。
类似的旋转机械如发动机和附件轮系、发动机和机油泵、手动挡变速器和变速器齿轮等都存在类似的啸叫评价问题。
中国专利文献CN 106840378 A公开了一种“汽车啸叫噪声的评价方法及系统”，其技术方案是首先确认啸叫噪声的阶次，再采用掩蔽效应理论，对啸叫噪声进行噪声切片处理，将阶次的第一范围作为被掩蔽噪声，将阶次的第二范围作为掩蔽噪声，分别得到第一宽带数据和第二宽带数据，然后根据第一宽带数据和第二宽带数据确定啸叫噪声的噪声水平值，从而得出客观的评分数据，最终通过与主观评分进行对比，以确定所述噪声水平值与所述主观评分是否一致。该方法存在的缺陷是：第一，只能处理线性阶次啸叫，不能处理诸如涡轮增压发动机的增压器其阶次啸叫。第二，该方法将阶次的第一范围作为被掩蔽噪声不合理、不精确，无论其第一范围宽度如何取值，都不能充分的将真实的被掩蔽噪声从总的噪声中分离。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出一种阶次啸叫噪声的评价方法，其是基于卡尔曼滤波器技术，对旋转机械噪声测试信号处理实现旋转零部件阶次啸叫噪声从旋转机械噪声中分离，然后对分离出来的旋转零部件阶次啸叫噪声信号、旋转机械噪声信号进一步处理，建立NVH工作者主观评价活动数学模型计算出纯音突出量，最终实现对旋转零部件阶次啸叫水平评分。本发明是根据客观测试数据对啸叫水平评分，旨在解决主观评价活动中的人主观性对评价结果的影响。
本发明的技术方案如下：
一种阶次啸叫噪声的评价方法，所述方法包括：
1、采用基于卡尔曼滤波器，从旋转机械噪声信号中分离提取旋转零部件阶次啸叫噪声信号；
2、基于心理声学掩蔽效应，计算纯音突出量，包括：
2.1、旋转机械噪声信号x(t)跟踪转速信号T1(t)进行傅里叶变换，得到旋转机械噪声功率谱密度矩阵Pxx(f,rpm)，f是信号x(t)跟踪信号T1(t)做傅里叶变换后的离散频率点，rpm则是离散的转速点；
2.2、旋转零部件阶次啸叫噪声信号y(t)跟踪转速信号T1(t)进行傅里叶变换，得到旋转零部件阶次啸叫噪声功率谱密度矩阵Pyy(f,rpm)；
2.3、对Pxx(f,rpm)和Pyy(f,rpm)进行能量相减得到相对于旋转零部件阶次啸叫而言的背景噪声功率谱密度矩阵Pzz(f,rpm)；
2.4、根据旋转零部件转速信号T2(t)和旋转机械转速信号T1(t)确定旋转零部件阶次啸叫频率fc(rpm)，以fc(rpm)为中心频率、以α％恒百分比带宽对Pyy(f,rpm)和Pzz(f,rpm)同步进行积分得到各自在恒百分比带宽内的能量Ly(rpm)和Lz(rpm)，
Figure BDA0001817730010000031
Figure BDA0001817730010000032
2.5、对能量Ly(rpm)和Lz(rpm)进行分贝相减，得到旋转零部件阶次啸叫噪声纯音突出量L(rpm)；
3、建立纯音突出量与评价得分的函数关系，函数
Figure BDA0001817730010000033
将纯音突出量转换为阶次啸叫水平得分VER(rpm)，其中定义L＝0，3，6，9，……dB，线性对应VER＝9，8，7，6，……分。
本发明进一步还包括采用计权方式计算VER(rpm)在观察转速段内的平均得分
Figure BDA0001817730010000034
Figure BDA0001817730010000035
本发明所述步骤1采用基于卡尔曼滤波器，从旋转机械噪声时域信号中分离提取旋转零部件阶次啸叫时域信号，具体包括：将旋转机械噪声信号x(t)和旋转零部件转速信号T2(t)同步输入给卡尔曼滤波器，对卡尔曼滤波器设定α％的恒百分比带宽参数，从旋转机械噪声信号中提取出旋转零部件阶次啸叫噪声信号y(t)。
本发明中，所述旋转机械噪声信号x(t)、旋转零部件转速信号T2(t)和/或T1(t)是通对旋转机械进行噪声测试，同步采集得到。如果旋转零部件与旋转机械有确定的速比关系，可以只采集T1(t)或T2(t)任一一个，另外一个则通过速比关系计算得到。
本发明所述的旋转机械和旋转零部件可以是涡轮增压发动机和涡轮增压器、发动机和附件轮系、发动机和机油泵、手动挡变速器和变速器齿轮等。
本发明的评价方法应用对象包括非线性阶次啸叫和线性阶次啸叫。其中非线性阶次啸叫是指旋转机械和旋转零部件不共用同一回转轴这一类系统的啸叫噪声，两者之间没有确定的速比关系，如涡轮增压发动机和涡轮增压器等。其中线性阶次啸叫指旋转机械和旋转零部件共用同一回转轴这一类系统的啸叫噪声，两者之间有确定的速比关系，如手动挡变速器和变速器齿轮等。
本发明方法的优点如下：
一、本发明方法基于卡尔曼滤波器，实现了从旋转机械总的噪声中充分解耦分离提取出旋转零部件阶次啸叫时域信号。
二、基于心理声学掩蔽效应，提出了一种旋转零部件阶次啸叫评价物理指标——纯音突出量，建立NVH工作者主观评价活动数学模型，使得阶次啸叫水平评分客观化，可以解决主观评价活动中的人主观性对评价结果的影响。
三、建立了纯音突出量与评价得分的函数关系，实现了旋转零部件阶次啸叫主观评价得分与客观测试数据之间的联系。
附图说明
图1为本发明的数据流程图。
图2为测试装置示意图。
图3为发动机噪声colormap。
图4为增压器阶次啸叫噪声colormap。
图5为增压器阶次啸叫评价结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行进一步的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有技术方案，都应属于本发明的保护范围。
以下以涡轮增压器阶次啸叫噪声评价问题为例进行说明：
第一步：信号采集：在发动机台架上对增压发动机(即旋转机械)进行噪声测试，在发动机台架上距发动机排气侧L的地方布置麦克风1只，安装增压器转速表1只、发动机转速表1只，如图2所示。控制发动机按不同负荷从怠速匀加速到额定转速，控制升速率为Δ，台架NVH试验一般控制Δ＝50rpm/s。用PC的数据采集端同步采集发动机噪声信号x(t)、发动机转速信号T1(t)、增压器(即旋转零部件)转速信号T2(t)。
第二步：如图1所示，基于卡尔曼滤波器算法对信号x(t)和T2(t)进行处理。设定滤波器带宽参数α％，一般控制α＝3，得到增压器阶次啸叫噪声信号y(t)。
第三步：发动机噪声信号x(t)跟踪发动机转速信号T1(t)进行傅里叶变换，得到发动机噪声功率谱密度矩阵Pxx(f,rpm)。Pxx(f,rpm)是一个二维数据矩阵，代表发动机噪声能量在频率f、发动机转速rpm两个维度上的联合分布。绘制成本领域的常用的colormap，如图3所示。
第四步，增压器阶次啸叫噪声信号y(t)跟踪发动机转速信号T1(t)进行傅里叶变换，得到增压器阶次啸叫噪声功率谱密度矩阵Pyy(f,rpm)。Pyy(f,rpm)是一个数字矩阵，式中f是信号x(t)跟踪信号T1(t)做傅里叶变换后的离散频率点，rpm则是离散的转速点，Pyy(f,rpm)代表增压器阶次啸叫噪声能量在频率f、发动机转速rpm两个维度上的联合分布。绘制成本领域的常用的colormap，如图4所示。
第五步，将矩阵Pxx(f,rpm)与矩阵Pyy(f,rpm)进行能量相减得到背景噪声功率谱密度矩阵Pzz(f,rpm)。
第六步，根据发动机转速信号T1(t)确定离散转速点rpm对应的时刻trpm。再根据增压器转速信号T2(t)确定时刻trpm对应的增压器转速T2(trpm)。那么增压器啸叫中心频率
Figure BDA0001817730010000051
第七部，根据增压器啸叫中心频率fc(rpm)、滤波器带宽参数α％确定积分带宽下限为(1-0.5α％)fc(rpm)，带宽上限为(1+0.5α％)fc(rpm)。对Pyy(f,rpm)和Pzz(f,rpm)按如下公式在频域进行积分得到Ly(rpm)和Lz(rpm)。
Figure BDA0001817730010000052
Figure BDA0001817730010000053
Ly(rpm)为增压器阶次啸叫噪声在以fc(rpm)为中心频率、α％恒百分比带宽内的能量；
Lz(rpm)为背景噪声在以fc(rpm)为中心频率、α％恒百分比带宽内的能量。
第八步，Ly(rpm)和Lz(rpm)进行分贝相减得到离散转速点rpm对应的纯音突出量L(rpm)，如图5中曲线所示。纯音突出量L(rpm)越大代表增压器阶次啸叫越严重。
第九步，通过函数关系
Figure BDA0001817730010000061
将L(rpm)转化为离散转速点rpm对应的增压器阶次啸叫水平得分VER(rpm)，其中定义L＝0，3，6，9……dB，线性对应VER＝9，8，7，6……分。纯音突出量L(rpm)越大则得分VER(rpm)越低。
第十步，对较低的VER给予较高的权重因子w，对较高的VER给予较低的权重因子w，通过如下公式计算出阶次啸叫水平在观察转速段内平均得分
Figure BDA0001817730010000062
Figure BDA0001817730010000063
w(rpm)是离散转速点rpm对应的权重因子。
如图5中所示平均VER＝7.47分。
可见，采用本发明方法，使得在发动机台架评估增压器阶次啸叫水平成为可能，解决了同一款发动机搭载在不同车型时增压器动不平衡量控制标准不一致的问题。也解决了不同人员对增压器阶次啸叫主观评价结论不一致的问题。
本领域公知，因涡轮增压器与发动机不是同一回转轴系统，所以增压器啸叫阶次相对于发动机转速呈现非线性的关系。本发明能解决涡轮增压器阶次啸叫这一类的非线性阶次啸叫评价问题，同时也能适用于如发动机轮系啸叫、发动机机油泵、手动挡变速器等类更普通的线性阶次啸叫评价问题。

Claims (8)

1.一种阶次啸叫噪声的评价方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)采用基于卡尔曼滤波器，从旋转机械的噪声信号x(t)中分离提取任意旋转零部件阶次啸叫噪声信号y(t)；
(2)基于心理声学掩蔽效应，计算纯音突出量，包括：
(2.1)旋转机械的噪声信号x(t)跟踪旋转机械的转速信号T1(t)进行傅里叶变换得到旋转机械噪声功率谱密度矩阵Pxx(f,rpm)，f是旋转机械的噪声信号x(t)跟踪旋转机械的转速信号T1(t)做傅里叶变换后的离散频率点，rpm则是离散的转速点；
(2.2)旋转零部件阶次啸叫噪声信号y(t)跟踪旋转机械的转速信号T1(t)进行傅里叶变换得到旋转零部件阶次啸叫噪声功率谱密度矩阵Pyy(f,rpm)；
(2.3)对Pxx(f,rpm)和Pyy(f,rpm)进行能量相减得到相对于旋转零部件阶次啸叫而言的背景噪声功率谱密度矩阵Pzz(f,rpm)；
(2.4)根据旋转零部件的转速信号T2(t)和旋转机械的转速信号T1(t)确定旋转零部件阶次啸叫中心频率fc(rpm)，以fc(rpm)为中心频率、以滤波器恒百分比带宽参数α％，对Pyy(f,rpm)和Pzz(f,rpm)同步进行积分得到各自在恒百分比带宽内的能量Ly(rpm)和Lz(rpm)，
Figure FDA0002491835440000011
(2.5)对能量Ly(rpm)和Lz(rpm)进行分贝相减，得到增压器阶次啸叫噪声纯音突出量L(rpm)；
(3)建立纯音突出量与评价得分的函数关系
Figure FDA0002491835440000012
将纯音突出量转换为阶次啸叫水平得分VER(rpm)，其中定义L＝0，3，6，9，……dB，线性对应VER＝9，8，7，6，……分。
2.根据权利要求1所述的阶次啸叫噪声的评价方法，其特征在于，进一步还包括采用计权方式计算VER(rpm)在观察转速段内的平均得分
Figure FDA0002491835440000013
Figure FDA0002491835440000014
其中w为权重因子，对较低的VER给予较高的权重因子w，对较高的VER给予较低的权重因子w。
3.根据权利要求1所述的阶次啸叫噪声的评价方法，其特征在于，所述(1)采用基于卡尔曼滤波器，从旋转机械噪声信号中分离提取旋转零部件阶次啸叫噪声信号，具体包括：将旋转机械的噪声信号x(t)和旋转零部件的转速信号T2(t)同步输入给卡尔曼滤波器，对卡尔曼滤波器设定α％的恒百分比带宽参数，从旋转机械噪声信号中提取出旋转零部件阶次啸叫噪声信号y(t)。
4.根据权利要求1-3之任一项所述的阶次啸叫噪声的评价方法，其特征在于，所述旋转机械噪声信号x(t)、旋转零部件转速信号T2(t)和/或旋转机械的转速信号T1(t)是通对旋转机械进行噪声测试，同步采集得到。
5.根据权利要求4所述的阶次啸叫噪声的评价方法，其特征在于，如果旋转零部件与旋转机械有确定的速比关系，只采集T1(t)或T2(t)任一一个，另外一个则通过速比关系计算得到。
6.根据权利要求1-3之任一项所述的阶次啸叫噪声的评价方法，其特征在于，所述旋转机械和旋转零部件是涡轮增压发动机和涡轮增压器，或者旋转机械和旋转零部件是发动机和附件轮系，或者旋转机械和旋转零部件是发动机和机油泵，或者旋转机械和旋转零部件是手动挡变速器和变速器齿轮。
7.根据权利要求1-3之任一项所述的阶次啸叫噪声的评价方法，其特征在于，所述评价方法适用于非线性阶次啸叫，包括涡轮增压发动机和涡轮增压器啸叫。
8.根据权利要求1-3之任一项所述的阶次啸叫噪声的评价方法，其特征在于，所述评价方法适用于线性阶次啸叫，包括手动挡变速器的阶次啸叫、发动机轮系啸叫、发动机机油泵啸叫。
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