汽制技術基礎

傳感器技術基礎傳感器技術基礎聲音振動轉速車速要測試量NVH的基本概念NVH——Noise,Vibration,HarshnessNoise——噪聲主要分析頻率范圍：20Hz~5000Hz通過頻率特性、幅值和品質來評價Vibration——振動主要分析頻率范圍：0.5Hz~50Hz?通過頻率特性、幅值和方向來評價Harshness——？國內有多種翻譯，如粗糙度、平順性等，但都不是很妥貼主要指的是由于振動噪聲的綜合影響導致的粗糙、刺耳和不和諧的感覺主要與路面的激勵有關研究頻率范圍：低頻NVH優(yōu)化工作的重要意義滿足國家法規(guī)——關系到汽車產品能不能上市銷售滿足用戶需求——關系到汽車產品用戶買不買只要使用車就能感受到是汽車檔次的標志性性能之一NVH性能是一個綜合性能，影響因素多而復雜，不能僅靠某個或某幾個零部件的優(yōu)良性能來實現(xiàn)NVH涉及的主要內容車外噪聲車內噪聲車內振動車外噪聲按照GB1495-2002的方法進行測試，并且作為強制性標準來執(zhí)行不同類型的車輛，執(zhí)行不同的標準，目前轎車執(zhí)行74dB(A)的限值 通過噪聲測試示意圖20m保持車速或轉速油門盡可能快地全開油門盡可能快地松開記錄最大噪聲值MicMic15m車外噪聲的影響因素發(fā)動機本體噪聲機械噪聲燃燒噪聲附件噪聲進氣系統(tǒng)噪聲排氣系統(tǒng)噪聲排氣口噪聲消聲器輻射噪聲輪胎噪聲車內噪聲目前無強制性標準要求以用戶滿意作為基本要求評價方法主觀評價客觀測試主觀評價怠速聲音大小與音質各關鍵點的振動能否接受加速聲音大小與音質聲音增大是否平穩(wěn)，有沒有突出的峰值（轟鳴聲）勻速低速中速高速異響客觀測試車內聲壓隨發(fā)動機轉速的變化(OverallLevelVS.RPM)加速減速一般選擇能覆蓋整個轉速范圍的二檔進行測試車內聲品質指標隨發(fā)動機轉速的變化語言清晰度尖銳度粗糙度車內噪聲頻譜隨發(fā)動機轉速的變化(彩色圖,坎貝爾圖)勻速噪聲滑行噪聲120km/h以上開始，空檔滑行到20km/h，測試車內噪聲隨車速的變化車內振動車內關鍵部位的振動主要部位：方向盤、換檔桿、儀表臺板、地板、后視鏡主要與發(fā)動機隔振、部件結構振動特性有關平順性指的是乘坐振動特性按照國家標準進行計算與懸架系統(tǒng)、車身模態(tài)、座椅等有關噪聲的描述噪聲是一種聲音，具有聲音的一切物理特性一切不需要的聲音都可認為是噪聲物體的振動是噪聲產生的根源，稱為聲源物體振動時，引起了媒質中質點的振動，并依靠媒質傳播開來，形成能傳遞的機械波在空氣中，聲音的傳播體現(xiàn)為空氣壓力波的傳播可以用氣壓的變化來度量聲音的大小在理論上，可以用平面波和球面波兩種模型來研究聲音聲音的傳播實質上是能量的傳播不能單靠隔的方式來處理噪聲問題，還要考慮讓聲能量能有通道轉換為其他能量形式聲波在傳播過程中，可以發(fā)生反射、折射、衍射和干涉等波傳播現(xiàn)象聲音的度量聲壓聲功率聲強聲品質聲壓噪聲的大小用聲壓來度量，即由空氣壓力波動的幅值來度量聲壓從可聽閾到痛閾，范圍很大，達到若干數(shù)量級，不便于比較通常用對數(shù)表示，稱為聲壓級（dB）Pe為聲壓，單位為PaP0=2×10-5Pa，為人耳對1000Hz空氣聲能感覺到的最低聲音。0dB就是2×10-5PaSPL——SoundPressureLevel聲壓沒有方向性，是個標量聲壓測量是其他聲學測量的基礎聲壓相加聲壓相加實質為能量相加能量增加1倍，聲壓增加3dB兩個相同的聲音同時作用時，聲壓增加3dB.聲能量降低一半，才能將噪聲降低3dB背景噪聲低于被測噪聲10dB時，對測試結果沒有影響比如被測噪聲70dB，背景噪聲為60dB，則在有背景噪聲時測試結果為： L（70dB+60dB）=10lg(107+106)=70.4dB聲壓相加在有若干噪聲源同時作用時，必須對最大噪聲源進行控制才能有明顯作用，而僅對多個小的噪聲源進行控制則對總的聲壓級沒有大的影響比如：有70dB噪聲源1個，65dB噪聲源3個，則總聲壓級為L（70dB+65dB+65dB+65dB）=10lg(107+3*106.5)=71.19dB若將3個65dB都降低3dB，總聲壓級為：L（70dB+62dB+62dB+62dB）=10lg(107+3*106.2)=70.6dB若將70dB的噪聲源降低3dB，總聲壓級為：L（67dB+65dB+65dB+65dB）=10lg(106.7+3*106.5)=69.1dB聲功率(SoundPower)聲源發(fā)出聲音的能力通常用聲功率來表示聲功率是指單位時間內聲源發(fā)出的聲能量或通過某塊面積上的聲能量聲功率是標量，同樣需要用聲功率級來表示聲功率測試有精度較低的工程法也有精度較高的精密法，既可通過聲壓測量得到也可以通過聲強測量得到發(fā)動機的聲學性能一般用聲功率來表達，可在距發(fā)動機表面1米的球面上通過聲壓測試來計算得到聲強（SoundIntensity，SI）聲強則是通過單位面積的聲功率聲強是個矢量，能夠表達聲音傳播的方向，是描述聲場特性的一個重要方法，也是測量聲功率的方法之一聲強可通過兩個相隔一定距離的傳聲器進行聲壓測量來計算得到聲強測量是聲場測試的有效方法之一，但通常只能對穩(wěn)態(tài)工況進行測試，如發(fā)動機的定轉速噪聲的頻率特性人能聽到的噪聲頻率范圍為20~20000Hz，低于20Hz的聲波為次聲波，高于20000Hz的聲波為超聲波汽車噪聲頻率范圍一般為20~5000Hz，而且以1000Hz以下的低頻為主不同頻率的噪聲對人的影響不一樣同樣聲壓級的高頻聲感覺會吵鬧一些，低頻聲則感覺安靜一些為使聲壓級更能表達人對噪聲的感受，采用了不同的計權聲壓級，如A、C、D計權。通常所說的聲壓級都是指A計權聲壓，用dB(A)表示A計權中以1000Hz為基準，低于1000Hz乘以小于1的系數(shù)，而大于1000Hz則乘以大于1的系數(shù)在以低頻噪聲為主的汽車噪聲中，A計權聲壓級比不計權的聲壓級低得多多普勒效應：聲源相對于接收者運動時，其聲音頻率會發(fā)生變化1/n倍頻程噪聲分析人對聲音頻率的區(qū)分能力會因為頻率的高低而有區(qū)別，頻率越低分辨能力越高，而頻率越高對對頻率變化的區(qū)分能力越弱，即很容易區(qū)分200Hz和300Hz的聲音，而可能區(qū)別不了15000Hz和15100Hz的聲音在進行聲音頻率分析時，可以是恒定頻率帶寬的分析即窄帶譜分析，也可以是恒定百分比帶寬或1/n倍頻程帶寬1/n倍頻程帶寬，在低頻時劃分得細一些，而在高頻時劃分得粗一些，但頻帶上限頻率fu與下限頻率fl的比值保持恒定，即fu/fl=21/n。頻帶用中心頻率fc來表示，fc定義為fu和fl的幾何平均值通常用的有三分之一倍頻程（n=3）和倍頻程（n=1）聲品質（SoundQuality）僅用聲壓級不足以完全描述一個聲音兩個相同聲級的聲音可能由于頻率結構等因素的差異而讓人有完全不同的感覺由于聲音遮掩效應的存在，單頻率的純音總是比多頻率成分的聲音讓人覺得煩躁，更讓人覺得刺耳常說的汽車轟鳴聲主要是因為在某個時刻，汽車噪聲中某個頻率的單頻聲占的絕對優(yōu)勢變化不定，沒有規(guī)律的聲音總是會比能夠預期的聲音讓人感覺不安波動大的聲音總是會比平穩(wěn)變化的聲音讓人覺得煩躁聲品質的描述在汽車噪聲評價中，主要用以下術語來描述聲品質響度尖銳度粗糙度波動度語言清晰度響度(Loudness)用于評價一個聲音有多響有客觀定義和主觀定義兩種定義客觀定義：以1000Hz純音為標準，定義其聲壓級為響度級，單位為phon（方），其他聲音與之比較而度量。比如，某聲音聽起來和80dB的1000Hz純音聽起來一樣響，則其響度為80phon主觀定義：將40dB的1000Hz純音的響度定義為1sone(宋)，其他聲音與之比較而度量，比之幾倍響就定義為幾宋。以上兩者是分別定義的，沒有必然聯(lián)系。但兩者間可通過經驗公式來相互換算等響曲線：通過大量的試驗和統(tǒng)計得到等響曲線響度和A計權聲壓級的關系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尖銳度(Sharpness)尖銳度是描述了高頻段聲音對總響度的加權情況，高頻聲占的比例越大，則尖銳度就越大尖銳度也描述了聲音在頻譜上的平衡性，頻率分布重心超高，聲音就越尖銳尖銳度質越大，說明聲音越尖越刺耳尖銳度單位為acum。中心頻率為1KHz、帶寬為160Hz的60分貝窄帶噪聲的尖銳度定義為1acum尖銳度對聲音的舒適度影響很大，尖銳度值越高，聲質量越差。對尖銳度還沒有一個統(tǒng)一的國際標準，通常有Aures和Bismarck兩種算法尖銳度WhiteNoisebyBismarkAuresWhiteNoise,8kHzstrenghtenedbyBismarkAures波動度與粗糙度運行不平穩(wěn)的聲音總是讓人不舒服，用波動度和粗糙度來評價，反映的是聲音大小隨時間的變化波動度或粗糙度值越大，說明聲音越不好聽波動度用于評價調制頻率<15Hz，即變化較慢的聲音，其單位為Vacil粗糙度用于評價調制頻率15Hz<f<150Hz，即變化較快的聲音，其單位為Asper而當調制頻率在150Hz到300Hz之間時，將聽到兩個獨立的聲音Fluctuations&RoughnessSineTone1kHzSineTone1kHzand1001HzInterferenzSineTone1kHzand1004HzFluctuationSineTone1kHzand1020HzR-Roughness(Rumbling)SineTone1kHzand1070HzRoughnessSineTone1kHzand1414HzTwoToneComplexTwoTones:DifferentSensations

兩個純音信號：不同的聽覺感受Spectrum(notethetwotones)Fluctuationstrengthvs.Time(notethefalseindicationduetostartofsignal,andthelongtime-constant).Loudnessvs.Time(ISO532Btimedomain)SpecificRoughness(frequencyspectrumofRoughness,ontheBark[criticalbandnumber]scale)TimesignalMeasurementsfromvaryingthespacingoftwoequal-magnitudetones兩個幅值相同的純音移動變化的測量Two-toneexperiment:FluctuationStrengthandRoughnessvs.Time兩個純音測試分析結果：起伏程度和粗糙度隨時間變化關系Fluctuationstrengthvs.TimeRoughnessvs.TimeSpectrumvs.Time(2tonesinphaseatstart,200Hzdifferentatend)…Sidequestion:whendoesonepitch(subjectivefrequency)becometwo?語言清晰度語言清晰度表示在這種噪聲環(huán)境中，有多少比例的交談能被對方理解，用百分數(shù)表示值越大越好是表達聲品質的綜合性指標ArticulationIndex，AI采樣(Sample)采樣也就是將連續(xù)信號離散化，包括時間離散和幅值離散兩方面，是用計算機進行分析的必經步驟采樣步驟：時間離散：按一定規(guī)則（如等時間間隔）將無限時間，離散到有限的時間點上，即有限的時間點來近似地表示無限的時間幅值離散：將量程離散為有限幅值點，一般為2的n次方個點，然后用這個尺度去量時間離散點的幅值，度量的結果作為該時間點的采樣值當然，時間離散和幅值離散是同時進行的可以看出采樣是有誤差的采樣示意圖0V0.5V1V1.5V2V2.5V3V3.5V4.5V5V5.5V6V6.5V7V7.5V4V0123456791011121314158t(s)V(v)0123456789101112131415這個信號采樣后得到序列:6,11,9,4,1,6,11,10,5,1,5,10,10,5,1,5計算機也就是用這個序列來表示和存儲這個信號量化精度A/D轉換幅值誤差大小與A/D卡的位數(shù)直接相關上面的n稱為A/D轉換的位數(shù)即12位卡將量程212=4096等分，若量程為10V，則量化精度為10/4096=0.00244140625V，也就是該卡能采集的最小電壓為0.00244140625V，并且采樣值都是0.00244140625V的倍數(shù)我們目前的采集系統(tǒng)都是24位，即量化精度為10/224=0.00000059604644775390625V采樣定理采樣定理：一個最高頻率為fm的有限帶寬信號x(t)，可以由以采樣頻率fs大于2fmHz采樣得到的采樣值序列x(nΔt)唯一確定（Δt=1/fs）。此定理說明，采樣頻率至少應設置到信號最高頻率的2倍以上；若信號最高頻率未知，或不能設置高的采樣頻率，則必須使用抗混濾波器將fs/2以上的頻率成份濾掉，且抗混濾波必須在采樣之前進行若被采信號最高頻率fm>fs/2，則頻率分析得到的頻率成份將不真實，即會發(fā)生頻率混疊采樣定理的時域解釋t(s)V(v)0123456789t(s)V(v)123450每周期采樣一次，即fs=fm每周期采樣小于一次，即fs<fm采樣定理的頻域解釋fc=fs/2測試結果頻率測試結果頻率測試結果頻率測試結果頻率測試結果頻率信號實際頻率f(Hz)信號頻率<fs/2時fc信號實際頻率f(Hz)信號頻率增大,但仍<fs/2時f(Hz)fc信號實際頻率信號頻率增大,>fs/2并<fs時fc信號實際頻率f(Hz)信號頻率增大,=fs時fc信號實際頻率f(Hz)信號頻率增大,>fs時后三種情況都發(fā)生了頻率混疊采樣頻率的設置越高的采樣頻率，信號的時域特征表達得越清楚，但進行頻譜分析時，相同譜線數(shù)的頻率分辨率越低運用FFT進行頻譜分析時，得到的頻譜也是離散的，每個頻率離散點稱為一條譜線，且譜線數(shù)為2的n次方冪，譜線數(shù)越多，頻率分辨率越高設采樣頻率為fs，則分析頻率fc=fs/2。若譜線數(shù)為1024，則頻率分辨率Δf=fc/1024可以通過降低采樣頻率和增大譜線數(shù)來提高頻率分辨率量程（Scope）采樣時，必須設置到合適的量程設置量程的實質是在采樣前，將信號進行適當?shù)胤糯螅ɑ蛩p），使得在幅值量化時能在幅值上用更多點來描述如，量程為10V的12位A/D轉換，在幅值上的分辨能力是2.44140625mv，若用這個系統(tǒng)直接去采集幅值為5mv的信號，則采樣得到的序列只能是0，1，-1，-2，2；若直接支采集幅值為15v的信號，則又會造成削波在我們的系統(tǒng)中，設置量程實質是在采樣前設置不同的放大倍數(shù)特別是在測背景噪聲、怠速噪聲時量程必須設置合適，否則會有很大的誤差數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構框圖傳感器光電隔離放大濾波A/D采樣時鐘供電信號存儲數(shù)字信號傳感器我們主要測量傳感器振動測量噪聲測量力測量位移測量轉速測量選用傳感器應注意：量程線性范圍頻響范圍溫度范圍耦合方式加窗(Window)信號都是無限長的，通過采樣用計算機進行分析的只是原始信號的一部分，就象透過一個矩形窗口去看這個信號一樣，只能看到這個信號的一部分在付里葉變換理論中，會對這部分信號進行周期延拓，即利用采樣得到的信號進行重復利用，延拓成一個無限信號，從而造成一些信號突變，也就導致出現(xiàn)一些并不存在的頻率成份，即能量泄漏為了減小這種突變的產生，可以加矩形窗以外其他窗函數(shù)，如漢寧窗（Hanning），這些窗函數(shù)可將采樣得到的信號的兩端幅值減小，從而可在周期延拓中減小信號突變。但這種兩端弱化的窗函數(shù)也同時改變了信號原本的能量，需要在計算中加以補償。我們的測試分析系統(tǒng)中，已自動地加入了這種補償整周期采樣，即采樣長度正好是整數(shù)個周期，就不會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，造成了信號突變加其他窗，減小能量泄漏t(s)V(v)1×周期延拓，造成的信號突變減小采樣得到的信號兩端弱化頻譜分析基本原理任意周期信號都可以用若干正弦信號相加來表示，而這些正弦信號則都可由其頻率、幅值和相位來標識，而在頻率軸上則可以由這些正弦信號的實部和虛部來表達T(s)A(g)……T(s)A(g)T(s)A(g)T(s)A(g)++=f(Hz)f(Hz)實部（g)虛部(g)+頻譜的幾種常用表現(xiàn)形式根據(jù)需要，頻譜可以有以下幾種表達方式f(Hz)功率（g2)f(Hz)f(Hz)+f(Hz)f(Hz)+實部（g)虛部(g)幅值（g)相位(。)f(Hz)功率密度（g2/Hz)頻譜幅值相位譜功率譜功率譜密度頻譜分析通過付氏變換，對信號進行從時域到頻域的轉換，以分析信號的頻率構成對頻率軸，通?？捎谜瓗А⑷种槐额l程和倍頻程來表示通常，頻譜分析只用于穩(wěn)態(tài)信號的分析，并通過多次平均來得到對于變化較快的信號，如發(fā)動機的加速過程，只能進行短時付氏變換或時頻域分析時頻域分析基本原理t(s)轉速(RPM)t(s)A(g)t(s)轉速(RPM)f(Hz)gf(Hz)gf(Hz)gf(Hz)gf(Hz)gf(Hz)gf(Hz)g…………時頻域分析的兩種表達方式三維譜陣，瀑布圖（waterfall）彩色圖，坎貝爾圖Colormap階次分析階次分析廣泛用于旋轉機械的分析中在發(fā)動機振動噪聲測試分析中，以發(fā)動機轉頻為基頻（即第1階，firstorder，1stORD），其倍頻分別為第2階，第3階……如1200RPM時，其1階頻率為：1200RPM/60s=20Hz，2階則為40Hz，3階為60Hz……第n階振動的物理意義為，曲軸每轉一轉產生n次振動的振動成份在直列四缸發(fā)動機中，由于往復慣性力不能平衡，振動和噪聲都以二階為最強，其次為四階由于0.5階會對二階噪聲發(fā)生調制作用，會使發(fā)動機的噪聲粗糙度或波動度增大，從而降低聲音品質，應在設計中盡量避免轉速階次頻率間的關系1000300060002004006002階4階6階1階f(Hz)轉速(RPM)彩色圖的具體應用確認存在的共振問題通過特征模板查找問題原因。比如，若某結構的振動的特征與車內噪聲的某種特征吻合，則這個結構有可能就是原因所在。注意，此圖與上頁有區(qū)別，橫軸為轉速，縱軸為頻率齒輪嚙合噪聲齒輪嚙合噪聲主要由主動齒輪嚙合頻率的基頻及其倍頻構成如31/23的齒輪副，在主動齒輪轉速為1200RPM時，嚙合噪聲的基頻為1200/60*23=460Hz，并在階次分析中，表現(xiàn)為23階（以主動軸計）在汽車傳動系中，以****為例，其二檔的傳動齒輪副為（35/23）*（32/25），則常嚙合齒輪嚙合階次為35階，而二檔齒輪的嚙合階次為23/35*25=16.4階(以曲軸轉速計)。若車內噪聲存在16.4或（和）32.8階問題，則首先要考慮二檔齒輪的問題。ODS分析方法ODS——OperationalDeformShape工作變形分析結構的共振機械結構對不同頻率的激勵，振動響應會有很大區(qū)別對某些頻率的激勵會非常敏感，被放大很多，即發(fā)生共振，這些頻率則稱為共振頻率或固有頻率而對某些頻率的激勵則有衰減作用，這些頻率則稱為反共振頻率；f(Hz)響應(m/s2)共振頻率的測試共振頻率可通過激振試驗，并進行傳遞函數(shù)計算來得到可在自由狀態(tài)或安裝狀態(tài)對結構固有頻率進行測試，這兩種固有頻率可能有很大的區(qū)別共振頻率數(shù)量與系統(tǒng)自由度數(shù)一致，從低到高分別稱為1階，2階…。通常的機械結構都有無窮個固有頻率結構f(Hz)FRF(m/s