苏ICP备112451047180号-6
基于固体噪声信号的柴油机噪声分析
摘要
鉴于当代的柴油车已经具有良好的燃料消耗和较低的有害排放等特点，在 “噪降柴油机”的实验项目中，我们分析了通过将合适的声学传感器信号集成到柴油发动机的噪声,排放,可靠性和油耗管理系统所能实现的改进。实验首先作了空气噪声与固体噪声之间的相关性研究。进而，实验中尝试着根据主观标准（响度与条幅系数）将其中空气噪声所产生的烦恼度进行划分。由于空气噪声无法直接测量，因此必须在标准车辆中进行固体噪声的分析。如果一般车辆与标准车辆之间确实存在相互关系，那么由柴油机的管理系统来对噪声的烦恼度加以控制这一目标就有可能实现。如此一来，固体噪声和空气噪声就能以相同的方法进行量化，然后再对两者进行回归分析。在发动机保持部分负荷的范围内，实验将发动机调整到不同的转速和负荷，测量其参数并运用上述方法加以分析。除去喷油和停油正时对结果的影响外，结果表明固体噪声与空气噪声之间有着很强的相互关系。
1、简介
在今后的现代内燃机领域中，柴油机不仅将成为低油耗发动机的标杆，也将成为低噪声发动机的代表。但是，只有当柴油机在起动、暖机阶段以及低速低负荷工况下所产生的特有的爆燃问题降低到可接受的水平，这一目标才能成为可能。
“噪声控制内燃”项目由Forschungsvereinigung Verbrennungskraft-maschinen（FVV）所提供资金支持进行，这一研究项目分析了通过将合适的声学传感器信号集成到柴油发动机的噪声,排放,可靠性和油耗管理系统所能实现的改进。本项研究符合法规要求，达到了所规定的各项指标加权条件下的最佳油耗状态，同时也实现的最佳的排放和空气噪声辐射的控制。但是标准声学参数如A声级不足以对空气噪声的排放进行评价。
为了得到更好的结果，可以将诸如干扰度以及心理冲击度等心理声学参数运用于噪声评价之中。首先，我们在玛德格堡大学往复式机械专业教授的指导下进行了柴油机实验，通过实验我们获取与这些心理声学参数有直接关系的发动机运转参数。再将空气噪声和固体噪声信号都用于计算这些心理声学参数。这篇文章表明了最初用于评价空气噪声的算法，同样也可使用与评价固体噪声的评价。
2、研究方法
在FVV的研究项目“客观方法用于主观评价”中, 其采用的客观参数来自于声学专家们在2006年的Hoppermanns 上所提出主观评价指标。这些指标的建立就是为评价空气噪声提供依据。为了计算得到烦恼度必须先计算响度（L）以及调幅系数（M）。从而部分负荷运转下的柴油爆燃等级就可以由以下公式计算得出：
(1)
所得到的目标参数的结果是一个介于1到10之间的数值，这一数值衡量了柴油机爆燃所发出噪声使人产生不愉悦情绪的程度，数值1代表噪声完全让人无法接受，数值10代表噪声小到无法被察觉。如今还有一个新的思路，那就是利用已有的回归模型来间接评估柴油机爆燃的噪声：
式中的响度可由柴油机的固体噪声和转速计算得出：
如图1所示，只有实线的部分能用来计算与部分负荷运转下的柴油机爆燃和调幅因子相关的空气噪声信号，而这条实线由柴油机的固体噪声以及转速计算得出:
2.1响度的计算
响度是一个计算心理声学参数的相关量(Fastl和Zwicker 在2007年提出了响度这一概念)。它描述了两个声音响度的相对比率，这一参数的设置可使当响度数值增加一倍时，所代表的声响正好使人对声音的感觉增加一倍。频率参数则由临界频带率来划分，临界频带率的带宽大致上为倍频程的三分之一。处理噪声信号的第一步是将其根据频率按三分之一倍频程展开。随后计算功率谱，再用三分之一倍频程进行整合。到此为止，主观感知的响度就可由基于通用标准DIN 45631 / ISO 532 b所标记的信号基准来辨别。此外,噪声的整体响度（N）是各噪声在临街频带率上的响度（Ns）相加求得：
Timoney et al在2004年给出了一个这一响度模型的应用实例。通过分析由以下方程加权求得的各响度就可以得到处于部分负荷运转下的柴油机爆燃噪声所生成的结果（L），再将其拟合成临界频带率（如图1所示）:
式中的k代表临界频带率
2.2调制谱的计算
柴油机爆燃噪声所产生心理冲击由调幅系数（M）来衡量。为了计算调制谱，必须进行两步工作（由Bodden and Heinrichs在1999提出）。第一步是用一组滤波器进行短时距傅里叶变换：
图2展示了载波频率加权下的空气噪声信号的调幅频谱以及与部分负荷运转下柴油机爆燃相符合的调幅区间，其中每个频率指标k代表了相应载波频率下的包络线形状。
第二步是沿着每一频率指标下的压力绝对值的窗口化时间序列运用傅里叶变换来计算调幅频谱：
最后将调制光谱归一化:
根据调幅频谱，听觉补偿音高（临街频带率）可由Zwicker于1961年提出的公式计算求得：
最后一步，将调幅系数（M）按临街频带率的在第二发动机顺序（meo）下的加权和来计算:
式中的k代表临界频带率
图2显示了在第二发动机顺序的强调幅下一台四缸柴油机在1110rpm转速下爆燃的调幅频谱。
3、结果
整个系列实验在玛德格堡大学的往复式机械专业教授指导下进行。实验中，在控制单元的全程控制下，一台完全标定下的系列四缸柴油机在规定的参数下运行。使柴油机在转速1500转每秒、转矩为50牛米的工况点运行，改变柴油机的喷油正时以及喷油量（如数据1所示），运用DoE法对不同喷油正时以及喷油量下工作的柴油机进行共86次测量。第二组数据是根据柴油机在部分负荷运转下的不同的31个工况点进行测量得出。在这一组测量中，柴油机的转速在1000到2000转每秒的范围内变化，负荷在50到120牛米的范围内变化。
此外，柴油机主喷射的起始时刻变化规律如数据2所示。所有的这些参数都是预先确定的与柴油机爆燃相关的且主要的因素。为了使柴油机的电子控制单元可以对这些参数实现精确可控以及实现精确测量，试验中使用了Accurate Technologies ATI Vision的控制程序。还有就是，诸如空气路径的温度和压力之类的输入参数以及柴油机的渐变和输出参数、诸如气缸扫气，固体噪声和空气噪声之类的瞬变参数都会运用Muller BBM PAK测试软件在不同的位置处测得。
为此三个麦克风定位在柴油机一米的距离处:
麦克风1 –空气流道的下游处
麦克风2 –空气流道进风处
麦克风3 —空气流道上侧。
在18个测量位置处测量发动机的固体噪声：
KS 1 - 6 -空气流道的下游处
KS 7 – 11-空气流道进风处
KS 12 - 15 -空气流道上侧
KS 16 -18-空气流道侧向。
第一步，由集成在电控单元上的传感器进行加速度测量并计算得到速度量。然后，在计算得到固体噪声和空气噪声的响度等级和调幅系数。第二步，根据分别计算得到的响度等级和调幅系数，对固体噪声与空气噪声进行的回归分析。速度作为一个次级影响参数同样被纳入到回归分析中。该步骤可归纳为通过由式（1）得出的固体噪声等级计算出柴油机爆燃程度。测量所得的数据分为调试和校验数据两部分。每个位置上的麦克风都已经过校正，似的麦克风中的传感器可以适应固体噪声。为了提高分析的准确性，我们采用了相关性系数（r）作为评价标准。所有测量位置上的麦克风和固体噪声数据都表明两者之间存在很高的相关性，如表3所示。图表3展示了由麦克风3与振动传感器3所得到数据（数据1与数据2）之间的相互关系。其中关于柴油机爆燃的计算与建模的最大误差小于百分之五。
4结论
实验表明，这些心理声学参数分析、响度以及调幅频谱的计算同样可以调整适用与固体噪声参数。柴油机爆燃程度同样可以计算得出，其计算误差不大于百分之五。另外，结果表明固体噪声和空气噪声之间的高度相关性结论可以在柴油机处于其他不同的工况点运行条件下得出。目前，关于这一方法中评价噪声的心理声学参数测试任有待进一步发展。
图3 根据麦克风1以及固体噪声测量数据所得出的数据1和数据2计算得出的柴油机爆燃在固体噪声和空气噪声之间的相互关系
表1 固体噪声与空气噪声之间相关性分析的结果（r1代表数据1，r2代表数据2）
参考文献
Bodden, M. and Heinrichs, R. (1999). Analysis of the time structure of gear rattle. In Proceedings of the Internoise 99, 1273{1278. Inst of Noise Control Engineer, Fort Lauderdale, USA.
Fastl, H. and Zwicker, E. (2007). Psychoacoustics: Facts and Models, volume 3rd ed. Springer-Verlag New York, Inc.
Hoppermanns, J. (2006). Objektivierung subjektiver beurteilungen. Abschlussbericht, VKA, Lehrstuhl fr Verbrennungskraftmaschinen, RWTH Aachen.
Timoney, J., MacManus, L., Lysaght, T., and Schoenwiesner, M. (2004). Implementing loudness models in matlab. In DAFx04 Proceedings. 7th Int. Conference on Digital Audio Effects (DAFx'04), Naples, Italy.
Zwicker, E. (1961). Subdivision of the audible frequency range into critical bands. The Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 33, No. 2, p248.
摘要
鉴于当代的柴油车已经具有良好的燃料消耗和较低的有害排放等特点，在 “噪降柴油机”的实验项目中，我们分析了通过将合适的声学传感器信号集成到柴油发动机的噪声,排放,可靠性和油耗管理系统所能实现的改进。实验首先作了空气噪声与固体噪声之间的相关性研究。进而，实验中尝试着根据主观标准（响度与条幅系数）将其中空气噪声所产生的烦恼度进行划分。由于空气噪声无法直接测量，因此必须在标准车辆中进行固体噪声的分析。如果一般车辆与标准车辆之间确实存在相互关系，那么由柴油机的管理系统来对噪声的烦恼度加以控制这一目标就有可能实现。如此一来，固体噪声和空气噪声就能以相同的方法进行量化，然后再对两者进行回归分析。在发动机保持部分负荷的范围内，实验将发动机调整到不同的转速和负荷，测量其参数并运用上述方法加以分析。除去喷油和停油正时对结果的影响外，结果表明固体噪声与空气噪声之间有着很强的相互关系。
1、简介
在今后的现代内燃机领域中，柴油机不仅将成为低油耗发动机的标杆，也将成为低噪声发动机的代表。但是，只有当柴油机在起动、暖机阶段以及低速低负荷工况下所产生的特有的爆燃问题降低到可接受的水平，这一目标才能成为可能。
“噪声控制内燃”项目由Forschungsvereinigung Verbrennungskraft-maschinen（FVV）所提供资金支持进行，这一研究项目分析了通过将合适的声学传感器信号集成到柴油发动机的噪声,排放,可靠性和油耗管理系统所能实现的改进。本项研究符合法规要求，达到了所规定的各项指标加权条件下的最佳油耗状态，同时也实现的最佳的排放和空气噪声辐射的控制。但是标准声学参数如A声级不足以对空气噪声的排放进行评价。
为了得到更好的结果，可以将诸如干扰度以及心理冲击度等心理声学参数运用于噪声评价之中。首先，我们在玛德格堡大学往复式机械专业教授的指导下进行了柴油机实验，通过实验我们获取与这些心理声学参数有直接关系的发动机运转参数。再将空气噪声和固体噪声信号都用于计算这些心理声学参数。这篇文章表明了最初用于评价空气噪声的算法，同样也可使用与评价固体噪声的评价。
2、研究方法
在FVV的研究项目“客观方法用于主观评价”中, 其采用的客观参数来自于声学专家们在2006年的Hoppermanns 上所提出主观评价指标。这些指标的建立就是为评价空气噪声提供依据。为了计算得到烦恼度必须先计算响度（L）以及调幅系数（M）。从而部分负荷运转下的柴油爆燃等级就可以由以下公式计算得出：
(1)所得到的目标参数的结果是一个介于1到10之间的数值，这一数值衡量了柴油机爆燃所发出噪声使人产生不愉悦情绪的程度，数值1代表噪声完全让人无法接受，数值10代表噪声小到无法被察觉。如今还有一个新的思路，那就是利用已有的回归模型来间接评估柴油机爆燃的噪声：
式中的响度可由柴油机的固体噪声和转速计算得出：
如图1所示，只有实线的部分能用来计算与部分负荷运转下的柴油机爆燃和调幅因子相关的空气噪声信号，而这条实线由柴油机的固体噪声以及转速计算得出:
2.1响度的计算
响度是一个计算心理声学参数的相关量(Fastl和Zwicker 在2007年提出了响度这一概念)。它描述了两个声音响度的相对比率，这一参数的设置可使当响度数值增加一倍时，所代表的声响正好使人对声音的感觉增加一倍。频率参数则由临界频带率来划分，临界频带率的带宽大致上为倍频程的三分之一。处理噪声信号的第一步是将其根据频率按三分之一倍频程展开。随后计算功率谱，再用三分之一倍频程进行整合。到此为止，主观感知的响度就可由基于通用标准DIN 45631 / ISO 532 b所标记的信号基准来辨别。此外,噪声的整体响度（N）是各噪声在临街频带率上的响度（Ns）相加求得：
Timoney et al在2004年给出了一个这一响度模型的应用实例。通过分析由以下方程加权求得的各响度就可以得到处于部分负荷运转下的柴油机爆燃噪声所生成的结果（L），再将其拟合成临界频带率（如图1所示）:
式中的k代表临界频带率
2.2调制谱的计算
柴油机爆燃噪声所产生心理冲击由调幅系数（M）来衡量。为了计算调制谱，必须进行两步工作（由Bodden and Heinrichs在1999提出）。第一步是用一组滤波器进行短时距傅里叶变换：
图2展示了载波频率加权下的空气噪声信号的调幅频谱以及与部分负荷运转下柴油机爆燃相符合的调幅区间，其中每个频率指标k代表了相应载波频率下的包络线形状。
第二步是沿着每一频率指标下的压力绝对值的窗口化时间序列运用傅里叶变换来计算调幅频谱：
最后将调制光谱归一化:
根据调幅频谱，听觉补偿音高（临街频带率）可由Zwicker于1961年提出的公式计算求得：
最后一步，将调幅系数（M）按临街频带率的在第二发动机顺序（meo）下的加权和来计算:
式中的k代表临界频带率
图2显示了在第二发动机顺序的强调幅下一台四缸柴油机在1110rpm转速下爆燃的调幅频谱。
3、结果
整个系列实验在玛德格堡大学的往复式机械专业教授指导下进行。实验中，在控制单元的全程控制下，一台完全标定下的系列四缸柴油机在规定的参数下运行。使柴油机在转速1500转每秒、转矩为50牛米的工况点运行，改变柴油机的喷油正时以及喷油量（如数据1所示），运用DoE法对不同喷油正时以及喷油量下工作的柴油机进行共86次测量。第二组数据是根据柴油机在部分负荷运转下的不同的31个工况点进行测量得出。在这一组测量中，柴油机的转速在1000到2000转每秒的范围内变化，负荷在50到120牛米的范围内变化。
此外，柴油机主喷射的起始时刻变化规律如数据2所示。所有的这些参数都是预先确定的与柴油机爆燃相关的且主要的因素。为了使柴油机的电子控制单元可以对这些参数实现精确可控以及实现精确测量，试验中使用了Accurate Technologies ATI Vision的控制程序。还有就是，诸如空气路径的温度和压力之类的输入参数以及柴油机的渐变和输出参数、诸如气缸扫气，固体噪声和空气噪声之类的瞬变参数都会运用Muller BBM PAK测试软件在不同的位置处测得。
为此三个麦克风定位在柴油机一米的距离处:
麦克风1 –空气流道的下游处
麦克风2 –空气流道进风处
麦克风3 —空气流道上侧。
在18个测量位置处测量发动机的固体噪声：
KS 1 - 6 -空气流道的下游处
KS 7 – 11-空气流道进风处
KS 12 - 15 -空气流道上侧
KS 16 -18-空气流道侧向。
第一步，由集成在电控单元上的传感器进行加速度测量并计算得到速度量。然后，在计算得到固体噪声和空气噪声的响度等级和调幅系数。第二步，根据分别计算得到的响度等级和调幅系数，对固体噪声与空气噪声进行的回归分析。速度作为一个次级影响参数同样被纳入到回归分析中。该步骤可归纳为通过由式（1）得出的固体噪声等级计算出柴油机爆燃程度。测量所得的数据分为调试和校验数据两部分。每个位置上的麦克风都已经过校正，似的麦克风中的传感器可以适应固体噪声。为了提高分析的准确性，我们采用了相关性系数（r）作为评价标准。所有测量位置上的麦克风和固体噪声数据都表明两者之间存在很高的相关性，如表3所示。图表3展示了由麦克风3与振动传感器3所得到数据（数据1与数据2）之间的相互关系。其中关于柴油机爆燃的计算与建模的最大误差小于百分之五。
4结论
实验表明，这些心理声学参数分析、响度以及调幅频谱的计算同样可以调整适用与固体噪声参数。柴油机爆燃程度同样可以计算得出，其计算误差不大于百分之五。另外，结果表明固体噪声和空气噪声之间的高度相关性结论可以在柴油机处于其他不同的工况点运行条件下得出。目前，关于这一方法中评价噪声的心理声学参数测试任有待进一步发展。
图3 根据麦克风1以及固体噪声测量数据所得出的数据1和数据2计算得出的柴油机爆燃在固体噪声和空气噪声之间的相互关系
表1 固体噪声与空气噪声之间相关性分析的结果（r1代表数据1，r2代表数据2）
参考文献
Bodden, M. and Heinrichs, R. (1999). Analysis of the time structure of gear rattle. In Proceedings of the Internoise 99, 1273{1278. Inst of Noise Control Engineer, Fort Lauderdale, USA.
Fastl, H. and Zwicker, E. (2007). Psychoacoustics: Facts and Models, volume 3rd ed. Springer-Verlag New York, Inc.
Hoppermanns, J. (2006). Objektivierung subjektiver beurteilungen. Abschlussbericht, VKA, Lehrstuhl fr Verbrennungskraftmaschinen, RWTH Aachen.
Timoney, J., MacManus, L., Lysaght, T., and Schoenwiesner, M. (2004). Implementing loudness models in matlab. In DAFx04 Proceedings. 7th Int. Conference on Digital Audio Effects (DAFx'04), Naples, Italy.
Zwicker, E. (1961). Subdivision of the audible frequency range into critical bands. The Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 33, No. 2, p248.