CN113029330B - 一种发动机机械噪声测试方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种发动机机械噪声测试方法，克服了现有技术中机械噪声测试受其它噪声源干扰的缺点。利用缸压传感器和声强探头，同步测试发动机的缸压和声压信号，并在声压信号中分离出燃烧噪声成分，获得机械噪声成分，并根据声强探头中两个麦克风中的机械噪声成分，计算出机械噪声声强值。与现有技术相比，本发明提出的机械噪声测试装置及方法测得的机械噪声精度更高，其结果能够为发动机的机械噪声优化指明方向。

Description

一种发动机机械噪声测试方法及装置
技术领域
本发明属于汽车噪声、振动与声振粗糙度NVH(Noise、Vibration、Harshness的英文缩写)实验技术领域，尤其是涉及一种发动机机械噪声测试装置及方法。
背景技术
发动机的噪声包括燃烧噪声和机械噪声，其中机械噪声是发动机上最主要的噪声源之一，其对发动机的声品质具有重要的影响。由于发动机的机械噪声和燃烧噪声混合到一起，采用麦克风直接测试机械噪声源信号时，既会受到燃烧噪声的干扰，也会受到附近的其它噪声源的干扰。
为了消除燃烧噪声的影响，工程中常采用测功机倒拖发动机，然后再测试其噪声并认为测得的结果是发动机的机械噪声。但是，在实际运行工况中，发动机的机械噪声包括两部分：倒拖时的机械噪声和负荷引起的机械噪声。因此，仅在倒拖工况下测得的噪声只是发动机总机械噪声的一部分，自然精度不高，甚至结果不可用。也有工程师采用隔声和吸声材料包裹发动机后，只露出待测试的机械噪声源，然后在运行工况下测试其噪声，这种方法能够消除其它机械噪声源的影响，但是却无法消除燃烧噪声的影响。
利用声强探头测试机械噪声源时，由于声强具有方向性，在测试过程中其它方向噪声源的干扰会被显著削弱。但是直接采用声强探头测试机械噪声，发动机的燃烧噪声依然混合在其中，无法消除燃烧噪声的干扰。
如申请号为201910762951.5公开的一种燃烧噪声快速分离方法，通过将缓加速工况的瞬态信号离散为大量的近似稳态信号片段，并分别进行局部传递函数的计算和燃烧噪声的分离，然后汇总分离出的燃烧噪声片段，获得发动机整体的燃烧噪声时域信号。在不同负荷下重复缓加速实验，并组合各次实验噪声分离的结果，快速的获得全工况下发动机燃烧噪声、负荷相关的噪声以及倒拖时的机械噪声对总噪声的贡献量图，为发动机的噪声水平优化指明方向。该方法虽然一定程度上能够较为精确的测试发动机的机械噪声，但是该方法采用几个点的声压数据，依然无法消除其他噪声干扰，且计算过程复杂，计算量大，对于设备要求高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种能够削除其他噪音干扰，并综合测试机械噪声和负荷噪声的发动机机械噪声测试方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种发动机机械噪声测试方法，包括以下步骤：
S01.采用测功机倒拖发动机，然后同步测试发动机的缸压和曲轴转角信号，确定出发动机缸压峰值与曲轴转角信号缺口的角度差，即确定出各个气缸上止点与曲轴转角信号缺口的角度差；
S02.在发动机运行工况下，同步测试发动机的缸压、曲轴转角和声强阵列信号；
S03.根据运行工况下的曲轴转角信号和步骤S01中测得的角度差，确定出每一个燃烧周期的上止点，然后以上止点为基准，对缸压信号和声强阵列中的所有的麦克风测得的声压信号进行加窗，并采用加窗后的缸压和声压信号，通过下式计算出各个麦克风测得信号中的燃烧噪声成分为
C(t)＝P(t)*H(t)
式中，P(t)为缸压信号，H(t)为缸压到燃烧噪声的脉冲响应函数，其通过下式计算
Figure GDA0003666433940000021
H(t)＝FT-1[H(f)]
式中，f为频率，SPS为缸压和总噪声信号的互谱，SPP为缸压信号的自谱。FT-1为逆傅里叶变换；
S04.每个麦克风测得的发动机总噪声信号减去燃烧噪声成分，得到发动机机械噪声为
M(t)＝S(t)-C(t)。
式中，S(t)为每个麦克风测得的发动机总噪声。
本发明提出的发动机机械噪声测试方法，通过声强测试消除其它方向噪声源的干扰，然后通过分离方法分在总噪声中剔除掉燃烧噪声，剩余的部分认为是机械噪声，这样从根本上消除了燃烧噪声对机械噪声测试的影响。克服了现有技术中机械噪声测试受其它噪声源干扰的缺点，能够精确的测试出发动机的机械噪声的声功率。与现有技术相比，本发明提出的基于燃烧噪声分离和声强测试的机械噪声测试方法测得的机械噪声精度更高，其结果能够为发动机的机械噪声优化指明方向。
进一步的，还包括以下步骤：
S05.隔离柱的长度取为d，则声强探头两麦克风中心处的质点速度可根据下式计算
Figure GDA0003666433940000031
式中，ρ0为空气密度，MB(t)为各个声强探头的第二麦克风中的机械噪声信号，MA(t)为声强探头的第一麦克风中的机械噪声信号；
S06.声强探头两麦克风中心处的声压可根据下式计算
Figure GDA0003666433940000032
S07.每个声强探头测得的机械噪声声强为
I(t)＝M中心(t)·u(t)
S08.根据每个声强探头测得的机械噪声声强值，绘制声强分布云图，计算出所测机械噪声源的声功率。
本发明还提供一种应用于上述测试方法的发动机机械噪声测试装置，包括发动机、曲轴位置传感器、缸压传感器、声强阵列、数据采集系统和计算机，其中曲轴位置传感器和缸压传感器安装在发动机上，声强阵列布置在发动机旁并指向待测试的机械噪声源；曲轴位置传感器、缸压传感器、声强阵列与数据采集系统通信连接，数据采集系统与计算机通信连接。
进一步的，其中的声强阵列均采用p-p型声强传感器，包括第一麦克风、第二麦克风以及隔离柱；所述第一麦克风、第二麦克风分别固定在隔离柱的两端。
进一步的，所述隔离柱的长度可调；所述声强阵列的所有隔离柱长度保持一致。
进一步的，所述声强阵列为n×m阵列。
进一步的，所述缸压传感器为火花塞式缸压传感器，安装在汽油发动机的气缸火花塞安装孔内。
进一步的，对于柴油发动机，缸压传感器安装在各个气缸的预热塞安装孔内，或者在各个气缸上方的缸盖开孔用以安装缸压传感器。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提出的发动机机械噪声测试方法，通过声强测试消除其它方向噪声源的干扰，然后通过分离方法分在总噪声中剔除掉燃烧噪声，剩余的部分认为是机械噪声，这样从根本上消除了燃烧噪声对机械噪声测试的影响。克服了现有技术中机械噪声测试受其它噪声源干扰的缺点，能够精确的测试出发动机的机械噪声的声功率。与现有技术相比，本发明提出的基于燃烧噪声分离和声强测试的机械噪声测试装置及方法测得的机械噪声精度更高，其结果能够为发动机的机械噪声优化指明方向。
本发明采用声强阵列测试，由于阵列测的是一个面，不但能知道单个位置点的噪声特性，还能了解整个面的，同时还可有得到这个面的具体哪个位置辐射噪声大。
采用长度可调的隔离柱，可实现同一套检测设备可测试不同波长的声音。测试装置普适性强。
附图说明
图1为本发明实施例公开的发动机机械噪声测试装置；
图2为图1中p-p型声强传感器的结构简图。
图中，1、发动机；2、曲轴位置传感器；3、缸压传感器；4、声强阵列；5、数据采集系统；6、计算机；7、第一麦克风7；8、隔离柱；9、第二麦克风9。
具体实施方式
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。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。
参考图1，本优选实施例中，发动机机械噪声测试装置，包括发动机1、曲轴位置传感器2、四只缸压传感器3、声强阵列4、信号采集系统5和计算机6。曲轴位置传感器2、缸压传感器3和声强阵列4均通过信号电缆连接到数据采集系统5之上，数据采集系统5通过信号线与计算机6连接。声强阵列4正对向发动机上待测机械噪声源，声强阵列4与发动机的机械噪声源的距离在30cm左右。
声强阵列4中均采用p-p型声强传感器，可以为n×m的阵列，也可以为环形阵列，阵列大小根据发动机大小来定，本实施例采用6×8阵列，每个声强传感器距离检测位置都是很准确的。可通过支架固定多个声强传感器形成阵列，支架可以为矩形框架，其中设置n×m个卡孔，单个声强传感器卡在卡孔内。支架结构以及声强传感器与支架的固定结构为常规结构，在此不再详述。请同时参阅图2，每个p-p型声强传感器分别由两只相位一致的第一麦克风7和第二麦克风9以及隔离柱8组成。第一麦克风7和第二麦克风9分别固定在隔离柱8的两端，第一麦克风7和第二麦克风9与隔离柱的固定结构为现有技术，不再详述。隔离柱8的长度可调，长度可调结构可通过多种手段实现，如隔离柱8可通过螺纹同轴连接的两段管体，通过拧动实现长度调节。隔离柱8长度选择是根据测量的波长来定的，测量的声音波长越长，隔离柱调节长，波长小隔离柱长度调短。隔离柱的长度一般取为100mm、50mm、25mm和12.5mm。
对于汽油发动机，可以拆除各个气缸的火花塞，分别装上火花塞式缸压传感器3。对于带预热塞的柴油发动机，可以拆掉各个气缸的预热塞，并分别装上缸压传感器3。如果柴油发动机不带预热塞，可在各个气缸的正上方缸盖上开孔，然后再装入缸压传感器3。
工作原理：
当需要对某发动机进行噪声测试时，先根据发动机噪声波长调节隔离柱8的长度，然后将曲轴位置传感器2、四只缸压传感器3、声强阵列4、信号采集系统5安装在对应位置，声强传感器垂直与发动机表面，连接好数据采集系统、计算机6即可进行测试。
使用本发明提出的发动机机械噪声测试装置进行机械噪声测试的方法，包括以下的步骤：
(1)将发动机1装在测功机台架上，采用测功机倒拖发动机1转速为1000rpm，然后同步测试发动机1的各个缸压和曲轴转角信号，完成测试后，处理数据确定出各个缸压的峰值与曲轴转角信号缺口的角度差，即确定出各个气缸上止点与曲轴转角信号缺口的角度差。
(2)在发动机1运行工况下，同步测试发动机1的缸压、曲轴转角和声强阵列的信号。从1000rpm到发动机最高转速，每隔200rpm测试一次定转速工况下的信号。各个转速下的负荷率分别为25％、50％、75％和100％。
(3)根据运行工况下的曲轴转角信号和第(1)步测得的角度差，确定出每一个燃烧周期的各个气缸的上止点，然后以上止点为基准，对缸压信号和声强阵列4中的所有的麦克风测得的声压信号进行加窗，并采用加窗后的缸压和声压信号，通过下式计算出各个麦克风测得信号的燃烧噪声成分
C(t)＝P(t)×H(t)
式中，P(t)为缸压信号，H(t)为缸压到燃烧噪声的脉冲响应函数，其通过下式计算
Figure GDA0003666433940000061
H(t)＝FT-1[H(f)]
式中，f为频率，SPS为缸压和总噪声信号的互谱，SPP为缸压信号的自谱。FT-1为逆傅里叶变换。
(4)每个麦克风测得的发动机1总噪声信号减去燃烧噪声成分，得到发动机1机械噪声为
M(t)＝S(t)-C(t)
式中，S(t)为每个麦克风测得的发动机1总噪声；
(5)设隔离柱8的长度为d，则声强探头的两个第一麦克风7和第二麦克风9的中心处的质点速度可根据下式计算
Figure GDA0003666433940000062
式中，ρ0为空气密度，MB(t)为各个声强探头的第二麦克风9中的机械噪声信号，MA(t)为声强探头的第一麦克风7中的机械噪声信号。
(6)声强探头两个第一麦克风7和第二麦克风9的中心处的声压可根据下式计算
Figure GDA0003666433940000063
(7)每个声强探头测得的机械噪声声强为
I(t)＝M中心(t)·u(t)
(8)根据每个声强探头测得的机械噪声声强值，绘制声强分布云图，计算出所测机械噪声源的声功率。
本发明提出的发动机机械噪声测试方法，通过声强测试消除其它方向噪声源的干扰，然后通过分离方法分在总噪声中剔除掉燃烧噪声，剩余的部分认为是机械噪声，这样从根本上消除了燃烧噪声对机械噪声测试的影响。克服了现有技术中机械噪声测试受其它噪声源干扰的缺点，能够精确的测试出发动机的机械噪声的声功率。与现有技术相比，本发明提出的基于燃烧噪声分离和声强测试的机械噪声测试装置及方法测得的机械噪声精度更高，其结果能够为发动机的机械噪声优化指明方向。
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)

1.一种发动机机械噪声测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01.采用测功机倒拖发动机，然后同步测试发动机的缸压和曲轴转角信号，确定出发动机缸压峰值与曲轴转角信号缺口的角度差，即确定出各个气缸上止点与曲轴转角信号缺口的角度差；
S02.在发动机运行工况下，同步测试发动机的缸压、曲轴转角和声强阵列信号；
S03.根据运行工况下的曲轴转角信号和步骤S01中测得的角度差，确定出每一个燃烧周期的上止点，然后以上止点为基准，对缸压信号和声强阵列中的所有的麦克风测得的声压信号进行加窗，并采用加窗后的缸压和声压信号，通过下式计算出各个麦克风测得信号中的燃烧噪声成分为
C(t)＝P(t)×H(t)
式中，P(t)为缸压信号，H(t)为缸压到燃烧噪声的脉冲响应函数，其通过下式计算
Figure FDA0003666433930000011
H(t)＝FT-1[H(f)]
式中，f为频率，SPS为缸压和总噪声信号的互谱，SPP为缸压信号的自谱，FT-1为逆傅里叶变换；
S04.每个麦克风测得的发动机总噪声信号减去燃烧噪声成分，得到发动机机械噪声为
M(t)＝S(t)-C(t)
式中，S(t)为每个麦克风测得的发动机总噪声；
S05.隔离柱的长度取为d，则声强探头两麦克风中心处的质点速度根据下式计算
Figure FDA0003666433930000012
式中，ρ0为空气密度，MB(t)为各个声强探头的第二麦克风中的机械噪声信号，MA(t)为声强探头的第一麦克风中的机械噪声信号；所述第一麦克风、第二麦克风分别固定在隔离柱的两端；
S06.声强探头两麦克风中心处的声压可根据下式计算
Figure FDA0003666433930000013
S07.每个声强探头测得的机械噪声声强为
I(t)＝M中心(t)·u(t)
S08.根据每个声强探头测得的机械噪声声强值，绘制声强分布云图，计算出所测机械噪声源的声功率。
2.一种应用于权利要求1所述测试方法的发动机机械噪声测试装置，其特征在于，包括发动机、曲轴位置传感器、缸压传感器、声强阵列、数据采集系统和计算机，其中曲轴位置传感器和缸压传感器安装在发动机上，声强阵列布置在发动机旁并指向待测试的机械噪声源；曲轴位置传感器、缸压传感器、声强阵列与数据采集系统通信连接，数据采集系统与计算机通信连接。
3.根据权利要求2所述的发动机机械噪声测试装置，其特征在于，其中的声强阵列均采用p-p型声强传感器。
4.根据权利要求3所述的发动机机械噪声测试装置，其特征在于，包括第一麦克风、第二麦克风以及隔离柱；所述第一麦克风、第二麦克风分别固定在隔离柱的两端。
5.根据权利要求4所述的发动机机械噪声测试装置，其特征在于，所述隔离柱的长度可调；所述声强阵列的所有隔离柱长度保持一致。
6.根据权利要求2所述的发动机机械噪声测试装置，其特征在于，所述声强阵列为n×m阵列。
7.根据权利要求2所述的发动机机械噪声测试装置，其特征在于，所述缸压传感器为火花塞式缸压传感器，安装在汽油发动机的气缸火花塞安装孔内。
8.根据权利要求2所述的发动机机械噪声测试装置，其特征在于，对于柴油发动机，缸压传感器安装在各个气缸的预热塞安装孔内，或者在各个气缸上方的缸盖开孔用以安装缸压传感器。
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