1引言
阶次跟踪技术及其在汽车NVH 中的应用
张守元1李鹤2张义民2
（1.上海汽车商务车研发中心（南京）
2.东北大学机械工程与自动化学院）
摘要
汽车室内噪声严重影响汽车的乘坐舒适性，一直是汽车NVH 研究的一个重要方面，本文将阶次分析同传统频谱分析相比较，详细介绍了阶次跟踪原理分析了室内噪声产生的原因及其振动传递路径，使用PULSE 多分析系统在给定工况下测试分析了某国产轿车驾驶员及副驾驶耳处的噪声，成功识别出室内轰鸣的共振频率及其发生时的转速和阶次，分析了产生轰鸣的原因并提出初步的解决方案。通过本次测试分析，为进一步解决该车的振动噪声问题提供了依据和参考。 关键词：阶次分析室内轰鸣NVH 汽车
阶次跟踪技术被广泛用于旋转机械的故障诊断
［1~3］，与传统频谱分析相比，有很多独特的优势［3］
，尤其对于升降速阶段的振动噪声信号，由于采样频率
随转速升高而提高，可以消除
“频率模糊”现象［4］
，保证了振动噪声测量的准确性。近年来随着汽车工业的快速发展逐渐用于汽车的振动噪声测试，利用阶次跟踪出最大噪声处的阶次和转速。但是研究仅限于某一转速下的二维阶次分析［5~6］，没有对各阶噪声随转速的变化关系深入研究。本文采用B&K3560D 系统运用频谱分析和阶次分析两种方法，得到整个升速过程的三维等高线阶次谱图和频谱图并做出各主要阶次的转速-幅值图即切片(slice)，将各阶噪声和总噪声相比较，得出不同转速范围内产生室内噪声的主要阶次和室内轰鸣的固有频率。
阶次跟踪是从受周期载荷作用的机械系统中
分离正弦成分的一种信号处理方法，对转速进行跟踪并实现恒角度增量采样是进行阶次分析的关键。传统频谱分析的信号采样以时间为参考，根据Nyquist 定理，采样频率f s =n ×f M （n ≥2，f M 是信号的最高频率)
为一定值，而阶次分析的信号采样以转速
2阶次跟踪原理
图1阶次跟踪原理
图2室内轰鸣噪声传递路径
为参考，实时分析采样频率f s =k ×n ×f F ，(k ≥2，n 为分析的阶次数，f F 为信号基频）随转速变化。
对于基
于记录仪的阶次分析，原理7如图1，最高频率为f M 的信号，经抗混叠滤波和A/D 转换，记录仪先以f s =k ×f M (k=4)的频率采样，然后根据需要分析的最高频率f A M (f 1≤f A M ≤f 2)对信号进行频域抽取，得到过采
样频率f D ，抽取阶数1≤D ≤5.92，
D 值大小同分析的阶次数、转速信号的频率和分析的模式设置有关，D 值一旦确定，在计算过程中固定不变，计算时，计算
机将原信号与转速频率进行插值并重新采样，重采
样频率f d =k ×n ×f F ，且f
D 5.92
≤f d ≤f D 。
对频谱分析，指定最高分析频率f M 和谱线数N 后得到频率分辨率R 1=f M /N ，根据平均次数M 便可
得出做一次频谱分析所用的时间T=M/R 。而对于阶次分析，指定最高分析阶次K 和谱线数N 后得到阶次分辨率R 2=K/N 和每做一次阶次谱需要的转数r=N/K ，根据最高分析频率f M 和阶次数K 得到最高分析转速r M =(f M ×60)/K 。
可见，阶次分析同转速密切相关，与频谱分析相比，在同样的分析精度下大大减少了计算时间，提高了计算速度和实时分析水平，且从阶次图中可以清楚看到信号的高谐波分量，因而成为旋转机械振动噪声测试的一个重要技术。
汽车NVH 设计中，降低室内轰鸣噪声至关重
要，汽车车室是由车身壁板围成的一个密闭性空腔，空腔内的空气如果受到压缩，就会产生纯体积变化，展现出很高的阻抗，与车身壁板的振动产生强烈的耦合作用。汽车这种低频耦合模态在激励下的响应如果过高，会在车内产生很高的压力脉动，引起人耳不适，甚至头晕、恶心，这种现象常常称为轰鸣(booming)8。从根本上来说，室内轰鸣是由发动机振动引起的，其振动传递路径如图2。 4.1
测试用仪器设备
本测试采用B&K 公司PULSE3560D33通道多
分析系统，配有7770FFT 分析软件、
7702阶次跟踪软件、
4189A21型传声器、MM0024光电转速传感器等。M M0024包含一个红外发射器和接收器，安装时
为避免重复反射红外线，要确保反光纸上只含有一个反光格，接收器接收到反射光脉冲后产生一个正的电脉冲输出到PULSE 系统，以此准确测出被测物体转速。
4.2测试方法
本测试在一国产轿车上进行，四缸横置发动机，测试时整车空载，夜间室内进行，用声级计测得周围环境噪声级低于发动机怠速时10dB 以上，将光电传感器反光纸贴在发动机曲轴前端带轮上，调节光电传感器探头保证测得的转速稳定，在驾驶员及副驾驶右耳处放置传声器，测试时将转速由怠速稳速加速到4500r/min 左右，用记录仪将转速和传声器信号同时记录到计算机，重复加速过程，记录多组数据，挑选出一组加速曲线较好的数据进行计算分析。
4.3测试结果分析
测试曲线开始时转速稳定在800r/min 左右，在记录12s 左右转速开始平稳上升，设置缓冲区使记
录数据在转速835r/min 时写入缓冲区，
4300r/min 时停止，只计算和分析转速稳定上升时的信号。由于室内轰鸣噪声的共振频率一般出现在100Hz 以内，为提高分析精度，将FFT 分析仪的最高计算频率设为100Hz ，在阶次分析仪中只分析前十阶谐波信号，
FFT 分析和阶次分析三维等高线谱图如图3，从阶次谱图中可以看出，
0.5和2阶噪声最为明显，经过0.5阶最亮点处明显有一阶固有频率f=25.
7Hz ，发生在3084r/min 处，在频谱图中也可以看出这一频率，对0.5阶作切片处理，得到其转速-幅值
3室内轰鸣
4
测试方法及结果分析
图3
图，如图4，图中红光标所在位置即对应阶次图中
的共振频率，还可看出在19.53Hz 、
2344r/min 处幅值也较大。为看清第0.5阶在前10阶谐波分量中所占的比重，从0.5阶到第10阶作总的切片，从图中可以看出从1700r/min 到3300r/min ，
0.5阶分量在总量中占绝对优势，考虑到二阶也较大，也做出其切片，可以看出，在835r/min 到1400r/min 左右，二阶分量占主要成分，但并没有出现大的共振峰值。转速
高于1400r/min 时二阶分量急剧下降，
0.5阶分量上升为噪声的主要成分。对副驾驶处测得的阶次和频谱图进行分析，结论完全一致。
由测试结果可以得出，发动机低速运转时，由于
发动机的点火脉动压力，使二阶分量在总量中占主
要成份，随着转速升高，
0.5阶分量逐渐加大并占据主要成份，最有可能原因是发动机各缸爆发压力不均匀，也有可能是发动机曲轴的刚度不足，在两端气缸做功时发生曲轴的弯曲振动，或是某一曲轴轴承发生松动造成，为了确定具体原因需要作进一步的
振动测试。
振动频率在19.53Hz 、25.7Hz 处与车身壁板和空腔的耦合固有频率重合，使车内噪声加大，引起室内轰鸣，发生最大噪声时的转速为2344r/min 和3084r/min ，是汽车的常用转速，严重影响汽车行驶的乘坐舒适性，应尽快解决。
通过在特定工况下用阶次跟踪分析法对某一国产轿车的室内噪声进行测定和分析，出了该车车室的声固耦合固有频率，为很好的解决该车的NVH 问题奠定了基础。本次测试中可以得出如下结论：
（1）阶次跟踪分析法在测试车内振动、噪声方面，具有独到之处。它直接给出振动、噪声与发动机转速的关系，并同FFT 分析相结合，为正确分析和控制振动、噪声提供有力工具和解决方法。
（2）该车在0.5倍和2倍发动机转速时振动和噪声较大，并且在19.53Hz 和25.7Hz
处产生共振，
图
4阶次切片图
5结论
引起室内轰鸣。
（3）对于该车室内轰鸣问题，应当从发动机和车身两方面着手，一方面检查各缸爆发压力是否均匀，进一步测试曲轴和轴承等的振动出振动源。另一方面结合有限元方法通过车身壁板灵敏度、贡献度分析等，修改车身动态特性使耦合固有频率移出常用转速范围，尽量降低振动响应。
参考文献
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电装公司已对其新研发的排放温度传感器的精度进行了改善，这种新传感器位于柴油颗粒过滤器（DPF）前面，过去常用于控制DPF再循环的温度，是为了帮助降低有害气体排放、改善燃油效率。该产品将安装到2009年秋季美国销售的重载卡车及中载柴油车上，也将安装到2010年欧洲、日本销售的车辆上。
电装美国公司工程部高级副总裁Doug Patton表示，电装公司的改进排放气体温度传感器是该公司长期致力研发产品的结果，使公司的客户能减少排放并改善柴油系统的燃油经济性。由于扩大的探测长度带来的精度改善，使客户将能更精确地控制其柴油后处理系统，帮助改善排放及燃油经济性。
为了改善传感器的温度精确性，电装公司将探测长度比传统产品增加了两倍，将感应末端伸入排气管。该公司通过研发一个带防共振管的减震结构支持此探针，或在最佳位置安装护套销。当DPF再循环温度需要控制在650度以下保持其能力时，传感器安装一个新研发的电热调节器，或传感元件，它与传统产品±30摄氏度的探测精度相比可达到±10摄氏度。这两个研发极大地改善了DPF及其核心部位传感器的温度探测精度。
有了改善的温度探测性能，新型传感器使再循环DPF更加有效，产生更清洁的排放，由于DPF再循环过程需要更少的燃油，提高了燃油效率，更少的燃料被混合进发动机油中，防止发动机油的变质。
电装公司负责发动机控制系统业务部管理官员Masahiko Miyaki表示，随着更严厉的排放规定及人们日
益提高的环境意识，电装公司期待人们对改善柴油排放后处理技术要求的增加，这也将扩大人们对高精度及排放气体温度传感器的需求。
另外，电装公司也期待带涡轮增压的汽油动力车辆的增加以满足对更高发动机功率减少尺寸进程的需要。为了帮助更精确地控制涡轮增压系统的温度，该公司计划对一个汽油排放温度传感器采用新型防震动技术，它在靠近增压器安装时可经得起大的震动。
（李艳欣）电装开发出高性能尾气排放气体温度传感器
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