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阶次带宽与频率间隔对声学测试结果的影响分析严才宝1,a张宝龙1,b杨润潮1,c上海天纳克研发中心ycb0129@163.com摘要：阶次带宽与频率间隔对声学测试结果具有重大影响。为研究这一影响，采用阶次分析的方法对某发动机排气噪声进行了研究。研究表明：1.阶次的带宽越大，其阶次噪声的声压级就越大；2.不同的阶次带宽，阶次能量带越窄强度越强，其阶次噪声的声压级差异就越小； 3.频率间隔越大，频率分辨率就越差，噪声信号就难以辨别；4.只有在保证阶次带宽与频率间隔都相同的情况下，测试所得的阶次噪声数据才有对比的意义。关键词：阶次带宽频率间隔阶次噪声引言：车内噪声的主要噪声源包括发动机噪声，进气噪声，排气噪声以及车内结构辐射噪声等等。在车辆排气系统的开放过程中，车内会出现各种令人不舒服的声音，如轰鸣声(booming)、口哨声(whistle noise) 、气流噪声等。为识别出车内异响的主要噪声源以及对应工况下的噪声频率，阶次分析方法便应运而生，很多汽车零部件公司及主机厂均采用了此方法进行声学测试。然而，对于同样的测试车辆，同一套排气系统，在不同的公司测试，排气尾管噪声的阶次噪声声压级却相差很大，有的地方甚至相差10dB(A)以上（排除测试设备，测试人员，测试环境等带来的测试误差）。为解决这一困扰多年的问题，本文便提出了阶次带宽及频率间隔对于阶次噪声结果的影响。基本理论阶次(order)阶次即信号频率对应旋转机械转动频率的倍频。对于发动机，通常定义曲轴旋转频率为基频，也就是1阶，基频的n倍被称为n阶。对于一个4缸4冲程发动机来说，曲轴每转2圈，进气一次，点火一次，排气一次，则曲轴每转一圈，会有两个排气脉冲信号。故排气主要频率为发动机转速的2倍频，及2阶。阶次i，转速n (rpm)，频率f(Hz)之间的关系为[1]：。阶次分析的意义基于FFT的常规频谱分析仅适用于与转速无关的信号，比较适用于稳态信号的分析处理，而对于主要频率成分受发动机转速的影响而不断变化的排气噪声，采用传统的频谱方法进行分析，会产生明显的频率混叠现象。阶次分析适用于与转速相关的信号分析，它源于角域采样理论，可以对发动机升，降速过程中的非稳态噪声，通过等时间间隔采样与插值重采样相结合，从而得到阶次分析所需的角度域稳态信号[2]。阶次分析在LMS中的实现方法对于阶次分析，在LMS的实现方法有两种，数字阶次跟踪，它是根据转速同步重采样，较适合于转速非快速变化情况。卡尔曼滤波器，直接由采集得到的时域信号求解各个阶次的值。其基本原理：根据转速定义一个正弦比较信号，与真实测量信号中对应的该频率信号比较，采用梯度迭代的方法，使两者之间差别最小化。由于这种方法类似于一种滤波器的功能，将其称之为卡尔曼滤波器。优点：相比较数字阶次跟踪，分析时间快，适合于转速快速变化，信号幅值波动较大，较快的情况。缺点：由于使用的是滤波器的原理，需要设定阶次带宽，所以对于非主要阶次的信号，很容易受到相邻阶次信号的干扰，所以仅适用于主阶次的分析。本文中提到的阶次带宽便是基于卡尔曼滤波器原理，采用固定采样频率(fixed sampling)的阶次测试方法。2 Overall噪声及阶次噪声2.1 Overall噪声Overall噪声描述了一定区域内能量的叠加。如图1、图2所示为某一车型(4缸4冲程发动机)的排气尾管噪声曲线及相应的频谱图。在LMS Test.Lab Signature acquisition模块中，设定最大分析频率为10240Hz（LMS默认采样频率为20480Hz），频率间隔△f=1Hz。测量方式采用转速追踪，发动机转速范围为1000-6000rpm。由图1可知，2000rpm处的Overall声压级为80.4dB(A)，那么在图2频谱图中又是如何去体现此声压级的呢？能量叠加。众所周知，排气尾管噪声是一个复杂的噪声，由一系列不同频率的噪声组合而成的，那么其Overall的声压级，亦可看作是不同频率处的声压级通过能量叠加的方式最后得到的。即 (1)其中，dB(总)为Overall总声压级，dB1,dB2,dB3,……dBn为各个频率下对应的声压级。因而，在图2中2000rpm处的Overall总声压级亦可看作是各种不同频率的噪声能量叠加。2.2阶次(Order)噪声因固定采样频率的阶次分析方法运用了卡尔曼滤波原理，故在测试阶次噪声时，需设置阶次的带宽，如下图3所示。设定Bandwidth=0.5(LMS默认值)，模式为Order,则二阶的下限阶次=2-Bandwidth/2=1.75,上限阶次=2+Bandwidth/2=2.25。因设置了阶次带宽，阶次噪声也同样可以理解为描述一定区域内的能量叠加，如下图5所示。在2000rpm处的2阶噪声并非指的是2阶这一单一阶次的声压级，而是采用阶次上下