CN110456310A - 排气系统气流啸叫声快速定位系统及方法 - Google Patents
排气系统气流啸叫声快速定位系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种排气系统气流啸叫声快速定位系统及方法，只需要将出现啸叫问题的排气系统装在气流发生装置上，根据上下游测得的啸叫声音信号，通过互相关时延估计算法，可以快速的确定出啸叫发生的位置。与现有技术相比，本发明提出的排气系统气流啸叫声定位方法不需要试制大量的排气系统样件，只需一套出现啸叫问题的排气系统即可解决现有方法中气流啸叫声定位过程繁琐，成本较高，实验周期较长的问题，具有操作简便效率更高的优点，在排气系统开发方面具有较高的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及声学测试领域，尤其涉及一种排气系统气流啸叫声定位系统及方法。
背景技术
排气噪声是汽车的主要噪声源之一，当排气的高速气流吹过排气系统内部的细小间隙和微小孔径时，会产生高频的啸叫声，对乘用车内的噪声品质产生较大的不利影响。
由于啸叫声发生在排气系统内部，很难对其进行定位，工程师常用的方法是：采用不同形式的子零件组合成不同的排气系统，然后对每一种组合方案进行实验测试，测试完成后，汇总并对比各个方案的测试结果，从而确定啸叫声发生的位置(论文：王伟伟,梁文海,韩宗斌.某车型排气系统啸叫问题分析及解决[J].装备制造技术,2018(1):227-230.)。该方法虽能够较为准确的确定啸叫声发生的位置，但选择不同形式的子零件进行组合时，对工程师的专业技能要求较高，而且该方法需要加工大量的排气系统样件，并需要对样件分别进行测试，整个过程十分繁琐，成本较高，实验周期也较长，无益于缩短新车型的研发周期。
因此，迫切需求开发出一种新的排气系统气流啸叫声定位方法，能够快速便捷地确定问题排气系统气流啸叫声发生位置。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种新的排气系统气流啸叫声快速定位系统及方法，旨在解决现有方法中气流啸叫声定位过程繁琐，对测试人员专业技能要求较高，测试设备及人工成本较高，实验周期较长的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种排气系统气流啸叫声快速定位系统，用于模拟发动机排气气流的气流发生装置与待测排气系统连通，其特征在于：待测排气系统的上、下游管道上分别布置一个声压传感器，上游声压传感器前和下游声压传感器后分别布置一个绝对消声器，上游声压传感器和上游的绝对消声器之间外接一只声源；上游的绝对消声器前设置一个流量计；各声压传感器分别连接至数据采集系统，数据采集系统、声源、流量计均与控制系统相连。
进一步的，气流发生装置通过变频器调节的输出气流量；在气流发生装置进气口安装进气消声系统，气流发生装置出口连接稳压箱，稳压箱后连接泄流阀，泄流阀位于流量计上游；控制系统与变频器及泄流阀连接。
进一步的，下游的绝对消声器下游管道上设置一个管状吸声末端。
进一步的，吸声末端为锥形，锥形的尖端靠近下游的绝对消声器设置。
一种排气系统气流啸叫声快速定位方法，其特征在于采用上述任一项所述的排气系统气流啸叫声快速定位系统，包括如下步骤：
(1)将待测排气系统装在气流发生装置之上，将稳压气流引入待测排气系统之中，
(2)根据待测排气系统出现啸叫时发动机的进气量和喷油量，计算此时的发动机的排气流量Q；
(3)调节气流发生装置使发生的气流量不小于待测排气系统出现啸叫时的实际排气流量Q，在待测排气系统中激励出气流啸叫声；
(4)通过声压传感器采集排气系统内部的气流再生噪声S1(n)和S2(n)并进行频谱分析，确定啸叫声的频带范围(f1,f2)；
(5)根据啸叫声的频带范围(f1,f2)，设计一个通带为(f1,f2)带通滤波器，对上、下游声压传感器各自采集的信号S1(n)和S2(n)进行滤波处理，滤出气流产生的啸叫声音信号s1(n)和s2(n)；
(6)打开声源，播放啸叫声音信号s1(n)，通过调节声源的音量，使上、下游声压传感器采集的声音信号经过带通滤波器(f1,f2)，滤波得到啸叫声s1f(n)和s2f(n)分别比气流产生的啸叫音信号s1(n)和s2(n)高10dB以上，通过互相关时延估计算法得到声源播放的啸叫声到达上、下游声压传感器的时延为Δtf；
(7)关闭气流，继续播放啸叫声音信号s1(n)，上、下游声压传感器采集的声音信号经过带通滤波器(f1，f2)，滤波得到的啸叫声分别为s1s(n)和s2s(n)，通过互相关时延估计算法得到声源播放的啸叫声到达上、下游声压传感器的时延为Δts；
(8)计算上游声压传感器到下游声压传感器之间的声音传播路径长度为
L＝c0×Δts
其中c0为空气中的声音传播速度；
(9)计算从上游到下游的气流平均流速为
v＝L/Δtf-c0
(10)设气流啸叫声发生具体位置距离上、下游声压传感器的声音传播路径长度分别为L1和L2，则
L1/(c0-v)-L2/(c0+v)＝Δt
L1+L2＝L
联立两式即可求得气流啸叫声发生具体位置距离上、下游声压传感器的传播路径长度L1和L2，从而可以确定气流啸叫声发生的位置。
进一步的，步骤(5)通过互相关时延估计算法计算啸叫声到达上、下游声压传感器处的时延的过程如下：
s1(n)＝α1s(n)+n1(n)
s2(n)＝α2s(n-d)+n2(n)
其中，s(n)为气流啸叫声信号，d为时延，α1、α2是啸叫声到达上下游声压传感器处的衰减因子，n1(n)、n2(n)是随机噪声信号；
s1(n)和s2(n)的互相关函数表示为：
R12(τ)＝E[s1(n)s2(n+τ)]
啸叫声信号s(n)与随机噪声信号n1(n)、n2(n)是不相关的，则
则
R12(τ)＝Rss(τ-d)
由相关函数的性质可知，当τ＝d时互相关函数取得最大值，根据以上的分析，求出d即是时延估计值；
将时延d转化为时间形式，为
Δt＝d/Fs
其中，Fs为信号的采样率。
进一步的，气流发生装置的气流量设置为与待测排气系统出现啸叫时发动机的排气流量Q一致，或超过发动机实际排量Q的20％以内。
进一步的，所述声源采用全频喇叭，频响在85Hz-20KHz之间。
本发明提出的排气系统气流啸叫声定位方法，克服了现有方法中气流啸叫声定位过程繁琐，成本较高，实验周期较长的问题。只需要将出现啸叫问题的排气系统装在气流发生装置上，根据上下游测得的啸叫声音信号，通过互相关时延估计算法，可以快速的确定出啸叫发生的位置。因此，与现有技术相比，本发明提出的排气系统气流啸叫声定位方法不需要试制大量的排气系统样件，只需一套出现啸叫问题的排气系统即可，具有操作简便，效率更高的优点，在排气系统开发方面具有较高的应用价值。
附图说明
图1为本发明排气系统气流啸叫声定位系统结构简图；
图2为本发明方法引入气流后排气系统上、下游声压传感器测得的噪声频谱图；
图3为本发明方法过滤出排气系统中气流啸叫声的带通滤波器；
图中，1、鼓风机；2、进气消声系统；3、稳压箱；4、泄流阀；5、流量计；6、上游绝对消声器；7、上游声压传感器；8、出现气流啸叫声的排气系统；9、下游声压传感器；10、下游绝对消声器；11、锥形吸声末端；12、变频器；13、数据采集系统；14、控制系统；15、声源。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本优选实施例中，本发明排气系统气流啸叫声定位系统如图1所示，由鼓风机1作为气流发生装置，控制系统14通过控制变频器12调节鼓风机1的输出气流量，模拟发动机排气气流在排气系统8激励出啸叫声；鼓风机1进气口安装进气消声系统2用于消除进气噪声；鼓风机1出口连接稳压箱3，通过稳压箱3降低气流的脉动，保持气流的压力稳定；稳压箱3后连接泄流阀4，在内部压力过高时，泄流阀4会自动打开泄压以保护鼓风机1；在泄流阀4后面安装流量计5，流量计5的信号输至控制系统14。
流量计5后接一个绝对消声器6，用于消除鼓风机1的气流噪声以及待测排气系统8产生的气流再生噪声；绝对消声器6后旁接一个声源15，声源15与控制系统14相连，声源15采用全频喇叭，在85Hz-20KHz具有良好的频响特性；声源15后面在绝对消声器6后的主管道管壁上安装一个声压传感器7，然后将待测排气系统8安装在声压传感器7后面，在待测排气系统8下游安装另外一个声压传感器9，声压传感器7和9安装在管壁上、下游时，各传感器头部对应的管壁进行微穿孔，减少气流对声压传感器7和9信号采集产生影响；声压传感器7和9分别连接至数据采集系统13，数据采集系统13连接至控制系统14并受其控制。
声压传感器9后面再安装一个绝对消声器10，绝对消声器10后面安装一锥形吸声末端11，绝对消声器10既可以消除待测排气系统8产生的气流再生噪声，又可以消除从吸声末端11传递过来的管口气流噪声。
本发明的排气系统气流啸叫定位方法，按照以下步骤进行啸叫声的定位：
(1)将出现啸叫问题的排气系统8装在啸叫声定位实验台架之上，如图1所示。
(2)根据排气系统出现啸叫时发动机的进气量和喷油量，计算出此时的发动机的排气流量Q。
(3)调节鼓风机1使产生的气流量不小于排气系统出现啸叫时的实际排气流量Q，在排气系统中激励出气流啸叫声，鼓风机1的气流量不超过发动机实际排量Q的20％。
(4)通过布置在排气系统8上、下游的声压传感器7和9，采集排气系统8内部的气流再生噪声S1(n)和S2(n)并进行频谱分析，如图2所示，在频谱图中确定出啸叫声的频带范围(f1,f2)。
(5)根据啸叫声的频带范围(f1,f2)，设计一个通带为(f1,f2)带通滤波器，如图3所示，对上、下游声压传感器7和9各自采集的信号S1(n)和S2(n)进行滤波处理，滤出气流产生的啸叫声音信号s1(n)和s2(n)，则通过互相关时延估计算法计算啸叫声到达上、下游声压传感器处的时延的过程如下：
s1(n)＝α1s(n)+n1(n)
s2(n)＝α2s(n-d)+n2(n)
其中，s(n)为气流啸叫声信号，n为自然数，d为时延，α1、α2是啸叫声到达上下游声压传感器处的衰减因子，n1(n)、n2(n)是随机噪声信号。
s1(n)和s2(n)的互相关函数表示为：
R12(τ)＝E[s1(n)s2(n+τ)]
啸叫声信号s(n)与随机噪声信号n1(n)、n2(n)是不相关的，则
则
R12(τ)＝Rss(τ-d)
由相关函数的性质可知，当τ＝d时互相关函数取得最大值，根据以上的分析，求出d即是时延估计值。
将时延d转化为时间形式，为
Δt＝d/Fs；
其中，Fs为信号的采样率。
(6)打开声源15，播放啸叫声音信号s1(n)，通过调节声源15的音量，使上、下游声压传感器7和9采集的声音信号经过带通(f1,f2)滤波得到啸叫声s1f(n)和s2f(n)分别比气流产生的啸叫音信号s1(n)和s2(n)高10dB以上，通过互相关时延估计算法得到声源播放的啸叫声到达声压传感器7和9处的时延为Δtf。
(7)关闭鼓风机1，继续播放啸叫声音信号s1(n)，上、下游声压传感器7和9采集的声音信号经过带通(f1，f2)滤波得到的啸叫声分别为s1s(n)和s2s(n)，通过互相关时延估计算法得到声源15播放的啸叫声到达声压传感器7和9处的时延为Δts。
(8)上游声压传感器7到下游声压传感器9之间的声音传播路径长度为
L＝c0×Δts
其中c0为空气中的声音传播速度。
(9)从上游到下游的气流平均流速为
v＝L/Δtf-c0
(10)设气流啸叫声发生具体位置距离上、下游声压传感器的声音传播路径长度分别为L1和L2，则
L1/(c0-v)-L2/(c0+v)＝Δt
L1+L2＝L
联立两式即可求得气流啸叫声发生具体位置距离上、下游声压传感器的传播路径长度L1和L2，从而可以确定气流啸叫声发生的位置。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种排气系统气流啸叫声快速定位系统，用于模拟发动机排气气流的气流发生装置与待测排气系统连通，其特征在于：待测排气系统的上、下游管道上分别布置一个声压传感器，上游声压传感器前和下游声压传感器后分别布置一个绝对消声器，上游声压传感器和上游的绝对消声器之间外接一只声源；上游的绝对消声器前设置一个流量计；各声压传感器分别连接至数据采集系统，数据采集系统、声源、流量计均与控制系统相连。
2.根据权利要求1所述的排气系统气流啸叫声快速定位系统，其特征在于：气流发生装置通过变频器调节的输出气流量；在气流发生装置进气口安装进气消声系统，气流发生装置出口连接稳压箱，稳压箱后连接泄流阀，泄流阀位于流量计上游；控制系统与变频器及泄流阀连接。
3.根据权利要求1所述的排气系统气流啸叫声快速定位系统，其特征在于：下游的绝对消声器下游管道上设置一个管状吸声末端。
4.根据权利要求1所述的排气系统气流啸叫声快速定位系统，其特征在于：吸声末端为锥形，锥形的尖端靠近下游的绝对消声器设置。
5.一种排气系统气流啸叫声快速定位方法，其特征在于采用上述权利要求1-4任一项所述的排气系统气流啸叫声快速定位系统，包括如下步骤：
(1)将待测排气系统装在气流发生装置之上，将稳压气流引入待测排气系统之中，
(2)根据待测排气系统出现啸叫时发动机的进气量和喷油量，计算此时的发动机的排气流量Q；
(3)调节气流发生装置使发生的气流量不小于待测排气系统出现啸叫时的实际排气流量Q，在待测排气系统中激励出气流啸叫声；
(4)通过声压传感器采集排气系统内部的气流再生噪声S1(n)和S2(n)并进行频谱分析，确定啸叫声的频带范围(f1,f2)；
(5)根据啸叫声的频带范围(f1,f2)，设计一个通带为(f1,f2)带通滤波器，对上、下游声压传感器各自采集的信号S1(n)和S2(n)进行滤波处理，滤出气流产生的啸叫声音信号s1(n)和s2(n)；
(6)打开声源，播放啸叫声音信号s1(n)，通过调节声源的音量，使上、下游声压传感器采集的声音信号经过带通滤波器(f1,f2)，滤波得到啸叫声s1f(n)和s2f(n)分别比气流产生的啸叫音信号s1(n)和s2(n)高10dB以上，通过互相关时延估计算法得到声源播放的啸叫声到达上、下游声压传感器的时延为Δtf；
(7)关闭气流，继续播放啸叫声音信号s1(n)，上、下游声压传感器采集的声音信号经过带通滤波器(f1，f2)，滤波得到的啸叫声分别为s1s(n)和s2s(n)，通过互相关时延估计算法得到声源播放的啸叫声到达上、下游声压传感器的时延为Δts；
(8)计算上游声压传感器到下游声压传感器之间的声音传播路径长度为
L＝c0×Δts
其中c0为空气中的声音传播速度；
(9)计算从上游到下游的气流平均流速为
v＝L/Δtf-c0
(10)设气流啸叫声发生具体位置距离上、下游声压传感器的声音传播路径长度分别为L1和L2，则
L1/(c0-v)-L2/(c0+v)＝Δt
L1+L2＝L
联立两式即可求得气流啸叫声发生具体位置距离上、下游声压传感器的传播路径长度L1和L2，从而可以确定气流啸叫声发生的位置。
6.根据权利要求5所述的排气系统气流啸叫声快速定位方法，其特征在于步骤(5)通过互相关时延估计算法计算啸叫声到达上、下游声压传感器处的时延的过程如下：
s1(n)＝α1s(n)+n1(n)
s2(n)＝α2s(n-d)+n2(n)
其中，s(n)为气流啸叫声信号，d为时延，α1、α2是啸叫声到达上下游声压传感器处的衰减因子，n1(n)、n2(n)是随机噪声信号；
s1(n)和s2(n)的互相关函数表示为：
R12(τ)＝E[s1(n)s2(n+τ)]
啸叫声信号s(n)与随机噪声信号n1(n)、n2(n)是不相关的，则
则
R12(τ)＝Rss(τ-d)
由相关函数的性质可知，当τ＝d时互相关函数取得最大值，根据以上的分析，求出d即是时延估计值；
将时延d转化为时间形式，为
Δt＝d/Fs
其中，Fs为信号的采样率。
7.根据权利要求5所述的排气系统气流啸叫声快速定位方法，其特征在于气流发生装置的气流量设置为与待测排气系统出现啸叫时发动机的排气流量Q一致，或超过发动机实际排量Q的20％以内。
8.根据权利要求5所述的排气系统气流啸叫声快速定位方法，其特征在于所述声源采用全频喇叭，频响在85Hz-20KHz之间。
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