汽制技术基础

传感器技术基础传感器技术基础声音振动转速车速要测试量NVH的基本概念NVH——Noise,Vibration,HarshnessNoise——噪声主要分析频率范围：20Hz~5000Hz通过频率特性、幅值和品质来评价Vibration——振动主要分析频率范围：0.5Hz~50Hz?通过频率特性、幅值和方向来评价Harshness——？国内有多种翻译，如粗糙度、平顺性等，但都不是很妥贴主要指的是由于振动噪声的综合影响导致的粗糙、刺耳和不和谐的感觉主要与路面的激励有关研究频率范围：低频NVH优化工作的重要意义满足国家法规——关系到汽车产品能不能上市销售满足用户需求——关系到汽车产品用户买不买只要使用车就能感受到是汽车档次的标志性性能之一NVH性能是一个综合性能，影响因素多而复杂，不能仅靠某个或某几个零部件的优良性能来实现NVH涉及的主要内容车外噪声车内噪声车内振动车外噪声按照GB1495-2002的方法进行测试，并且作为强制性标准来执行不同类型的车辆，执行不同的标准，目前轿车执行74dB(A)的限值 通过噪声测试示意图20m保持车速或转速油门尽可能快地全开油门尽可能快地松开记录最大噪声值MicMic15m车外噪声的影响因素发动机本体噪声机械噪声燃烧噪声附件噪声进气系统噪声排气系统噪声排气口噪声消声器辐射噪声轮胎噪声车内噪声目前无强制性标准要求以用户满意作为基本要求评价方法主观评价客观测试主观评价怠速声音大小与音质各关键点的振动能否接受加速声音大小与音质声音增大是否平稳，有没有突出的峰值（轰鸣声）匀速低速中速高速异响客观测试车内声压随发动机转速的变化(OverallLevelVS.RPM)加速减速一般选择能覆盖整个转速范围的二档进行测试车内声品质指标随发动机转速的变化语言清晰度尖锐度粗糙度车内噪声频谱随发动机转速的变化(彩色图,坎贝尔图)匀速噪声滑行噪声120km/h以上开始，空档滑行到20km/h，测试车内噪声随车速的变化车内振动车内关键部位的振动主要部位：方向盘、换档杆、仪表台板、地板、后视镜主要与发动机隔振、部件结构振动特性有关平顺性指的是乘坐振动特性按照国家标准进行计算与悬架系统、车身模态、座椅等有关噪声的描述噪声是一种声音，具有声音的一切物理特性一切不需要的声音都可认为是噪声物体的振动是噪声产生的根源，称为声源物体振动时，引起了媒质中质点的振动，并依靠媒质传播开来，形成能传递的机械波在空气中，声音的传播体现为空气压力波的传播可以用气压的变化来度量声音的大小在理论上，可以用平面波和球面波两种模型来研究声音声音的传播实质上是能量的传播不能单靠隔的方式来处理噪声问题，还要考虑让声能量能有通道转换为其他能量形式声波在传播过程中，可以发生反射、折射、衍射和干涉等波传播现象声音的度量声压声功率声强声品质声压噪声的大小用声压来度量，即由空气压力波动的幅值来度量声压从可听阈到痛阈，范围很大，达到若干数量级，不便于比较通常用对数表示，称为声压级（dB）Pe为声压，单位为PaP0=2×10-5Pa，为人耳对1000Hz空气声能感觉到的最低声音。0dB就是2×10-5PaSPL——SoundPressureLevel声压没有方向性，是个标量声压测量是其他声学测量的基础声压相加声压相加实质为能量相加能量增加1倍，声压增加3dB两个相同的声音同时作用时，声压增加3dB.声能量降低一半，才能将噪声降低3dB背景噪声低于被测噪声10dB时，对测试结果没有影响比如被测噪声70dB，背景噪声为60dB，则在有背景噪声时测试结果为： L（70dB+60dB）=10lg(107+106)=70.4dB声压相加在有若干噪声源同时作用时，必须对最大噪声源进行控制才能有明显作用，而仅对多个小的噪声源进行控制则对总的声压级没有大的影响比如：有70dB噪声源1个，65dB噪声源3个，则总声压级为L（70dB+65dB+65dB+65dB）=10lg(107+3*106.5)=71.19dB若将3个65dB都降低3dB，总声压级为：L（70dB+62dB+62dB+62dB）=10lg(107+3*106.2)=70.6dB若将70dB的噪声源降低3dB，总声压级为：L（67dB+65dB+65dB+65dB）=10lg(106.7+3*106.5)=69.1dB声功率(SoundPower)声源发出声音的能力通常用声功率来表示声功率是指单位时间内声源发出的声能量或通过某块面积上的声能量声功率是标量，同样需要用声功率级来表示声功率测试有精度较低的工程法也有精度较高的精密法，既可通过声压测量得到也可以通过声强测量得到发动机的声学性能一般用声功率来表达，可在距发动机表面1米的球面上通过声压测试来计算得到声强（SoundIntensity，SI）声强则是通过单位面积的声功率声强是个矢量，能够表达声音传播的方向，是描述声场特性的一个重要方法，也是测量声功率的方法之一声强可通过两个相隔一定距离的传声器进行声压测量来计算得到声强测量是声场测试的有效方法之一，但通常只能对稳态工况进行测试，如发动机的定转速噪声的频率特性人能听到的噪声频率范围为20~20000Hz，低于20Hz的声波为次声波，高于20000Hz的声波为超声波汽车噪声频率范围一般为20~5000Hz，而且以1000Hz以下的低频为主不同频率的噪声对人的影响不一样同样声压级的高频声感觉会吵闹一些，低频声则感觉安静一些为使声压级更能表达人对噪声的感受，采用了不同的计权声压级，如A、C、D计权。通常所说的声压级都是指A计权声压，用dB(A)表示A计权中以1000Hz为基准，低于1000Hz乘以小于1的系数，而大于1000Hz则乘以大于1的系数在以低频噪声为主的汽车噪声中，A计权声压级比不计权的声压级低得多多普勒效应：声源相对于接收者运动时，其声音频率会发生变化1/n倍频程噪声分析人对声音频率的区分能力会因为频率的高低而有区别，频率越低分辨能力越高，而频率越高对对频率变化的区分能力越弱，即很容易区分200Hz和300Hz的声音，而可能区别不了15000Hz和15100Hz的声音在进行声音频率分析时，可以是恒定频率带宽的分析即窄带谱分析，也可以是恒定百分比带宽或1/n倍频程带宽1/n倍频程带宽，在低频时划分得细一些，而在高频时划分得粗一些，但频带上限频率fu与下限频率fl的比值保持恒定，即fu/fl=21/n。频带用中心频率fc来表示，fc定义为fu和fl的几何平均值通常用的有三分之一倍频程（n=3）和倍频程（n=1）声品质（SoundQuality）仅用声压级不足以完全描述一个声音两个相同声级的声音可能由于频率结构等因素的差异而让人有完全不同的感觉由于声音遮掩效应的存在，单频率的纯音总是比多频率成分的声音让人觉得烦躁，更让人觉得刺耳常说的汽车轰鸣声主要是因为在某个时刻，汽车噪声中某个频率的单频声占的绝对优势变化不定，没有规律的声音总是会比能够预期的声音让人感觉不安波动大的声音总是会比平稳变化的声音让人觉得烦躁声品质的描述在汽车噪声评价中，主要用以下术语来描述声品质响度尖锐度粗糙度波动度语言清晰度响度(Loudness)用于评价一个声音有多响有客观定义和主观定义两种定义客观定义：以1000Hz纯音为标准，定义其声压级为响度级，单位为phon（方），其他声音与之比较而度量。比如，某声音听起来和80dB的1000Hz纯音听起来一样响，则其响度为80phon主观定义：将40dB的1000Hz纯音的响度定义为1sone(宋)，其他声音与之比较而度量，比之几倍响就定义为几宋。以上两者是分别定义的，没有必然联系。但两者间可通过经验公式来相互换算等响曲线：通过大量的试验和统计得到等响曲线响度和A计权声压级的关系76.8dB(A)13.3SoneGF76.8dB(A)38.8SoneGF77dB(A)26SoneGF77dB(A)14.7SoneGF76.7dB(A)14.0SoneGF77dB(A)36.7SoneGF77.1dB(A)38.6oneGF77dB(A)44.3SoneGF77dB(A)36.7SoneGF尖锐度(Sharpness)尖锐度是描述了高频段声音对总响度的加权情况，高频声占的比例越大，则尖锐度就越大尖锐度也描述了声音在频谱上的平衡性，频率分布重心超高，声音就越尖锐尖锐度质越大，说明声音越尖越刺耳尖锐度单位为acum。中心频率为1KHz、带宽为160Hz的60分贝窄带噪声的尖锐度定义为1acum尖锐度对声音的舒适度影响很大，尖锐度值越高，声质量越差。对尖锐度还没有一个统一的国际标准，通常有Aures和Bismarck两种算法尖锐度WhiteNoisebyBismarkAuresWhiteNoise,8kHzstrenghtenedbyBismarkAures波动度与粗糙度运行不平稳的声音总是让人不舒服，用波动度和粗糙度来评价，反映的是声音大小随时间的变化波动度或粗糙度值越大，说明声音越不好听波动度用于评价调制频率<15Hz，即变化较慢的声音，其单位为Vacil粗糙度用于评价调制频率15Hz<f<150Hz，即变化较快的声音，其单位为Asper而当调制频率在150Hz到300Hz之间时，将听到两个独立的声音Fluctuations&RoughnessSineTone1kHzSineTone1kHzand1001HzInterferenzSineTone1kHzand1004HzFluctuationSineTone1kHzand1020HzR-Roughness(Rumbling)SineTone1kHzand1070HzRoughnessSineTone1kHzand1414HzTwoToneComplexTwoTones:DifferentSensations

两个纯音信号：不同的听觉感受Spectrum(notethetwotones)Fluctuationstrengthvs.Time(notethefalseindicationduetostartofsignal,andthelongtime-constant).Loudnessvs.Time(ISO532Btimedomain)SpecificRoughness(frequencyspectrumofRoughness,ontheBark[criticalbandnumber]scale)TimesignalMeasurementsfromvaryingthespacingoftwoequal-magnitudetones两个幅值相同的纯音移动变化的测量Two-toneexperiment:FluctuationStrengthandRoughnessvs.Time两个纯音测试分析结果：起伏程度和粗糙度随时间变化关系Fluctuationstrengthvs.TimeRoughnessvs.TimeSpectrumvs.Time(2tonesinphaseatstart,200Hzdifferentatend)…Sidequestion:whendoesonepitch(subjectivefrequency)becometwo?语言清晰度语言清晰度表示在这种噪声环境中，有多少比例的交谈能被对方理解，用百分数表示值越大越好是表达声品质的综合性指标ArticulationIndex，AI采样(Sample)采样也就是将连续信号离散化，包括时间离散和幅值离散两方面，是用计算机进行分析的必经步骤采样步骤：时间离散：按一定规则（如等时间间隔）将无限时间，离散到有限的时间点上，即有限的时间点来近似地表示无限的时间幅值离散：将量程离散为有限幅值点，一般为2的n次方个点，然后用这个尺度去量时间离散点的幅值，度量的结果作为该时间点的采样值当然，时间离散和幅值离散是同时进行的可以看出采样是有误差的采样示意图0V0.5V1V1.5V2V2.5V3V3.5V4.5V5V5.5V6V6.5V7V7.5V4V0123456791011121314158t(s)V(v)0123456789101112131415这个信号采样后得到序列:6,11,9,4,1,6,11,10,5,1,5,10,10,5,1,5计算机也就是用这个序列来表示和存储这个信号量化精度A/D转换幅值误差大小与A/D卡的位数直接相关上面的n称为A/D转换的位数即12位卡将量程212=4096等分，若量程为10V，则量化精度为10/4096=0.00244140625V，也就是该卡能采集的最小电压为0.00244140625V，并且采样值都是0.00244140625V的倍数我们目前的采集系统都是24位，即量化精度为10/224=0.00000059604644775390625V采样定理采样定理：一个最高频率为fm的有限带宽信号x(t)，可以由以采样频率fs大于2fmHz采样得到的采样值序列x(nΔt)唯一确定（Δt=1/fs）。此定理说明，采样频率至少应设置到信号最高频率的2倍以上；若信号最高频率未知，或不能设置高的采样频率，则必须使用抗混滤波器将fs/2以上的频率成份滤掉，且抗混滤波必须在采样之前进行若被采信号最高频率fm>fs/2，则频率分析得到的频率成份将不真实，即会发生频率混叠采样定理的时域解释t(s)V(v)0123456789t(s)V(v)123450每周期采样一次，即fs=fm每周期采样小于一次，即fs<fm采样定理的频域解释fc=fs/2测试结果频率测试结果频率测试结果频率测试结果频率测试结果频率信号实际频率f(Hz)信号频率<fs/2时fc信号实际频率f(Hz)信号频率增大,但仍<fs/2时f(Hz)fc信号实际频率信号频率增大,>fs/2并<fs时fc信号实际频率f(Hz)信号频率增大,=fs时fc信号实际频率f(Hz)信号频率增大,>fs时后三种情况都发生了频率混叠采样频率的设置越高的采样频率，信号的时域特征表达得越清楚，但进行频谱分析时，相同谱线数的频率分辨率越低运用FFT进行频谱分析时，得到的频谱也是离散的，每个频率离散点称为一条谱线，且谱线数为2的n次方幂，谱线数越多，频率分辨率越高设采样频率为fs，则分析频率fc=fs/2。若谱线数为1024，则频率分辨率Δf=fc/1024可以通过降低采样频率和增大谱线数来提高频率分辨率量程（Scope）采样时，必须设置到合适的量程设置量程的实质是在采样前，将信号进行适当地放大（或衰减），使得在幅值量化时能在幅值上用更多点来描述如，量程为10V的12位A/D转换，在幅值上的分辨能力是2.44140625mv，若用这个系统直接去采集幅值为5mv的信号，则采样得到的序列只能是0，1，-1，-2，2；若直接支采集幅值为15v的信号，则又会造成削波在我们的系统中，设置量程实质是在采样前设置不同的放大倍数特别是在测背景噪声、怠速噪声时量程必须设置合适，否则会有很大的误差数据采集系统结构框图传感器光电隔离放大滤波A/D采样时钟供电信号存储数字信号传感器我们主要测量传感器振动测量噪声测量力测量位移测量转速测量选用传感器应注意：量程线性范围频响范围温度范围耦合方式加窗(Window)信号都是无限长的，通过采样用计算机进行分析的只是原始信号的一部分，就象透过一个矩形窗口去看这个信号一样，只能看到这个信号的一部分在付里叶变换理论中，会对这部分信号进行周期延拓，即利用采样得到的信号进行重复利用，延拓成一个无限信号，从而造成一些信号突变，也就导致出现一些并不存在的频率成份，即能量泄漏为了减小这种突变的产生，可以加矩形窗以外其他窗函数，如汉宁窗（Hanning），这些窗函数可将采样得到的信号的两端幅值减小，从而可在周期延拓中减小信号突变。但这种两端弱化的窗函数也同时改变了信号原本的能量，需要在计算中加以补偿。我们的测试分析系统中，已自动地加入了这种补偿整周期采样，即采样长度正好是整数个周期，就不会造成能量泄漏加矩形窗造成的能量泄漏t(s)V(v)1×t(s)周期延拓，造成了信号突变加其他窗，减小能量泄漏t(s)V(v)1×周期延拓，造成的信号突变减小采样得到的信号两端弱化频谱分析基本原理任意周期信号都可以用若干正弦信号相加来表示，而这些正弦信号则都可由其频率、幅值和相位来标识，而在频率轴上则可以由这些正弦信号的实部和虚部来表达T(s)A(g)……T(s)A(g)T(s)A(g)T(s)A(g)++=f(Hz)f(Hz)实部（g)虚部(g)+频谱的几种常用表现形式根据需要，频谱可以有以下几种表达方式f(Hz)功率（g2)f(Hz)f(Hz)+f(Hz)f(Hz)+实部（g)虚部(g)幅值（g)相位(。)f(Hz)功率密度（g2/Hz)频谱幅值相位谱功率谱功率谱密度频谱分析通过付氏变换，对信号进行从时域到频域的转换，以分析信号的频率构成对频率轴，通常可用窄带、三分之一倍频程和倍频程来表示通常，频谱分析只用于稳态信号的分析，并通过多次平均来得到对于变化较快的信号，如发动机的加速过程，只能进行短时付氏变换或时频域分析时频域分析基本原理t(s)转速(RPM)t(s)A(g)t(s)转速(RPM)f(Hz)gf(Hz)gf(Hz)gf(Hz)gf(Hz)gf(Hz)gf(Hz)g…………时频域分析的两种表达方式三维谱阵，瀑布图（waterfall）彩色图，坎贝尔图Colormap阶次分析阶次分析广泛用于旋转机械的分析中在发动机振动噪声测试分析中，以发动机转频为基频（即第1阶，firstorder，1stORD），其倍频分别为第2阶，第3阶……如1200RPM时，其1阶频率为：1200RPM/60s=20Hz，2阶则为40Hz，3阶为60Hz……第n阶振动的物理意义为，曲轴每转一转产生n次振动的振动成份在直列四缸发动机中，由于往复惯性力不能平衡，振动和噪声都以二阶为最强，其次为四阶由于0.5阶会对二阶噪声发生调制作用，会使发动机的噪声粗糙度或波动度增大，从而降低声音品质，应在设计中尽量避免转速阶次频率间的关系1000300060002004006002阶4阶6阶1阶f(Hz)转速(RPM)彩色图的具体应用确认存在的共振问题通过特征模板查找问题原因。比如，若某结构的振动的特征与车内噪声的某种特征吻合，则这个结构有可能就是原因所在。注意，此图与上页有区别，横轴为转速，纵轴为频率齿轮啮合噪声齿轮啮合噪声主要由主动齿轮啮合频率的基频及其倍频构成如31/23的齿轮副，在主动齿轮转速为1200RPM时，啮合噪声的基频为1200/60*23=460Hz，并在阶次分析中，表现为23阶（以主动轴计）在汽车传动系中，以****为例，其二档的传动齿轮副为（35/23）*（32/25），则常啮合齿轮啮合阶次为35阶，而二档齿轮的啮合阶次为23/35*25=16.4阶(以曲轴转速计)。若车内噪声存在16.4或（和）32.8阶问题，则首先要考虑二档齿轮的问题。ODS分析方法ODS——OperationalDeformShape工作变形分析结构的共振机械结构对不同频率的激励，振动响应会有很大区别对某些频率的激励会非常敏感，被放大很多，即发生共振，这些频率则称为共振频率或固有频率而对某些频率的激励则有衰减作用，这些频率则称为反共振频率；f(Hz)响应(m/s2)共振频率的测试共振频率可通过激振试验，并进行传递函数计算来得到可在自由状态或安装状态对结构固有频率进行测试，这两种固有频率可能有很大的区别共振频率数量与系统自由度数一致，从低到高分别称为1阶，2阶…。通常的机械结构都有无穷个固有频率结构f(Hz)FRF(m/s