Matlab在汽車排氣噪聲分析中的應用研究

摘要：汽車噪聲的55%來自于發動機，發動機噪聲又分為機械噪聲、燃燒噪聲和空氣動力學噪聲，而在空氣動力學噪聲中排氣系統的噪聲是主要的。本文針對排氣系統的噪聲測量進行了分析研究，并用Matlab進行了簡單的頻譜分析研究，分析了排氣系統噪聲的主要組成頻率，為今后的降噪控制研究提供了一定的數據與經驗。

關鍵詞：Matlab；發動機；排氣噪聲；FFT

汽車已成為大眾化的交通工具，人們對對乘坐的舒適性要求越來越高，因此振動噪聲已成為衡量汽車性能的一個重要指標。交通噪聲的75%來自于汽車噪聲，而發動機又是汽車噪聲的主要來源，在所有發動機噪聲產生的因素中，排氣噪是發動機噪聲能量最大最主要的。研究測量發動機排氣噪聲對降低發動機噪聲乃至整車振動噪聲具有重要意義。

1 排氣噪聲產生原因分析

排氣噪聲屬于發動機空氣動力學噪聲，除此之外還包括進氣噪聲和風扇噪聲，本文僅對排氣噪聲進行分析、研究。

排氣噪聲是發動機空氣動力學噪聲中最主要的噪聲源，當發動機的排氣閥門突然開啟后，廢氣會以很高的速度沖出，經排氣管沖入大氣，是一個十分復雜而不穩定的過程。在這個進程中產生噪聲即為排氣噪聲。

排氣噪聲一般要比發動機整機噪聲高出10～15dB。發動機排出的氣體氣屬與高溫（800～1000D）、高壓（3個大氣壓）氣體。一般包括排氣階段和強制排氣階段。發動機廢氣從排氣門高速沖出，沿著排氣歧管進入消聲器，經過降噪后最后從尾管排入大氣，在這一過程中會產生寬頻帶的排氣噪聲。

排氣噪聲包含了復雜的噪聲成分：以單位時間內排氣次數為基頻的排氣噪聲，其基頻可由下式計算：

式中G為氣缸數；n為轉速；j為沖程數，四沖程j=2，二沖程j=1；

排氣管內氣柱共振噪聲，其頻率可由下式計算：

式中c為當地聲速，l為氣柱長度，i為1、2、3……等；

影響發動機排氣噪聲的主要因素有：氣缸壓力、排氣門直徑、發動機排量及排氣門開啟特性等。對同一臺發動機來說，發動機轉速和負荷是影響其排氣噪聲的最主要因素。

2 Matlab在噪聲測量分析中的應用研究

2.1 Matlab功能簡介

Matlab作為一種功能強大的軟件工具，它包含了數學建模、數值計算、信號數據的分析與處理和算法開發等主要功能。在繼續開發的基礎上，Matlab長于數值計算，能處理大量的數據，而且效率比較高。MathWork公司在此基礎上加強了Matlab的符號計算、文字處理、可視化建模和實時控制能力，增強了Matlab的市場競爭力，使Matlab成為了市場主流的數值計算軟件。Matlab語言有不同于其他高級語言的特點，這種語言的特點是編程效率高、用戶使用方便、擴充能力強、交互性好、移植性好、開放性好、語言簡單、內涵豐富、繪圖功能豐富等。

在對排氣噪聲信號的分析與處理過程中主要運用FFT（快速傅氏變換）對采集來的振動信號波進行分析、處理，把采集來的時域信號曲線變為比較容易分析的頻域信號曲線，最后顯示輸出的波形圖形，這樣有利于分析信號的各個參數。

Matlab軟件的分析、計算功能強大，自從產生以來，在圖形建模、數據處理方面發揮了重要的作用，同時在噪聲的測量分析中也有著重要的作用。

2.2 各種測量方法對比分析研究

作為汽車噪聲的主要來源，排氣系統噪聲的測量一直以來都是汽車設計人員研究的重點，這種研究主要是為了弄清楚在排氣噪聲中包含有哪些不同頻率的振動波，為其在降噪消聲的設計過程中提供理論與實驗數據基礎。目前一般的汽車排氣尾管噪聲測試裝置包括用于采集排氣尾管的噪聲數據的聲學傳感器和用于處理所述噪聲數據的數據處理器。在控制技術快速發展的大背景下，振動信號的采集、傳輸和處理也越來越精確、方便 。

汽車排氣噪聲主要是氣體帶動著空氣振動而產生的，雖然在汽車的尾氣排放管路上已安裝了消聲器，但是在經過消聲器后的尾氣仍有較大的振動。對汽車尾氣的采集、處理、分析，目前也有很多種方法，但是在最后信號圖形的分析處理（由時域向頻域轉換）過程中，Matlab中的FFT仍然占據著重要地位，FFT變換以其簡單、快速、直觀的特點受到廣大使用者的喜愛。

1）汽車排氣噪聲測量一般有純排氣噪聲和非純排氣噪聲，純排氣噪聲一般是指隔離、排除了背景噪聲（除了純噪聲以外的其它噪聲）后的發動機尾氣排放產生的噪聲。因此，在發動機排氣噪聲測量分析方面也相應的有兩種方式：一是發動機純排氣噪聲的測量，二是發動機非純排氣噪聲測量。

對于純排氣噪聲的測量要較非純排氣噪聲測量麻煩一些，費勁一些，目前我國對于純排氣噪聲的測量主要有直接測量法和間接測量法。直接測量法主要是創建、設計一個隔聲罩，然后把排氣管引入隔聲罩內，而且隔聲罩內只有一個開口，以保證發動機排氣暢通，其它方面主要采用隔聲和隔震的特殊材料來封閉以消除發動機排氣背景噪聲對測量結果的影響。間接測量法的主要思想是先期測出全部噪聲，包括排氣噪聲和背景噪聲，然后再測出背景噪聲，最后根據兩者之間的計算關系，求出發動機的尾氣排放噪聲。

2）另外，為了防止發動機的燃燒噪聲、機械噪聲對尾氣排放噪聲的干擾和影響，需要將噪聲測量點與發動機分離，這種方法一般是用一個排氣管將排氣噪聲引到室外空地進行測量，它主要運用日本RION NA—61精密聲級計，RION SA布3雙通道FFT分析儀以及轉速表，發動機測功機等相關儀器設備對振動信號進行收集、測量。

汽車發動機排氣噪聲在不同的轉速下波形圖的峰值是不同的，有時排氣管的長度不同時，振動波形的一般峰值會在不同轉速下出現，這是由于排氣管道與氣體發生共振所造成的。

3）采用虛擬儀器系統測試平臺技術，也可對多臺柴油發動機的排氣振動信號進行測試與分析，大大提高了系統的實時性，時效性，可靠性與可擴充性，同時由于系統具有良好的共用性，使整個系統的綜合性價比提高，特別適用于具有多發動機臺架的工業場合。

4）激光測量技術在發動機振動測試中的運用，激光具有能量集中方向性和相干性好，能如實負載物體光波信息等特性，可用于常規方法難以測量的各種物理參數，因此它越來越廣泛的受到人們的重視在發動機振動特性的測量中，激光測量法有全息照相技術干涉法和激光多譜勒效應測量法等，這兩種方法的的共同特點是非接觸式測量，測量過程中所受的影響相應減小，從而可以提高測量的效率和精度。

以上的虛擬儀器測量技術和激光測量技術都是目前比較先進的信號測試與分析處理系統（軟件），它們一般是把FFT變換程序集成在軟件的人機交換界面內，做成模塊化，用的時候直接調用相應模塊就可以了，這樣就省去了使用者編寫程序的麻煩。

2.3 Matlab中的FFT在排氣噪聲處理中的應用

無論是哪種汽車排氣噪聲測量方法，最后的噪聲振動信號都必須要經過處理、分析才能用曲線圖形顯示出來。而且我們采集到的振動信號全部為振動信號隨時間變化的變化曲線，即時域波形曲線，但是，一般我們是需要知道噪聲組成成分中各種成分的振動頻率值以及共振頻率值，這樣我們才能分析出排氣噪聲的組成及種類，同時也為了有利于后期對相關實驗數據的分析與研究，在噪聲信號分析與處理過程中必須將其轉化為頻域的曲線圖形，Matlab中的FFT是一種基于算法的把時域信號轉為頻域信號的變換工具，它簡單、便捷，省去了使用者編寫程序的繁瑣過程，也擴大了使用者的范圍，對使用者的編程技能要求較低，這樣就能夠使更多的工程技術人員進行或掌握發動機尾氣排放振動噪聲測量方法。

因此，不論是那種汽車排氣噪聲測量方法，在最后的信號處理跟分析中都要用到FFT變換，本論文的實驗中主要是利用相關儀器對東風本田轎車的發動機的排氣噪聲進行測量并運用FFT變換對其分析處理，采集到的噪聲樣本分為濾波前和濾波后的噪聲圖像，最后再輸入到FFT中進行頻域分析。具體情況如下圖所示：

通過以上圖形可知汽車排氣噪聲中大致的組成成分，最主要的振動頻率等相關數據參數，主要有35Hz，50Hz，90Hz，125Hz，150Hz，210Hz等多個振動頻率，通過觀察我們可以發現35Hz為主振動頻率。而且從上面的圖形中我們可以清楚的看出在頻率領域分析信號波形的好處，我們可以準確地把握各組成氣體的振動頻率，掌握這些資料數據后，將有助于我們對汽車尾氣的降噪方法、措施的研究和對汽車尾氣的組成成分的分析研究。

3 結論

汽車的舒適性將是未來發展的重點，降噪的措施研究將會是未來一段時間汽車技術研究的方向，而FFT變換作為一種快速、便捷的信號分析、處理方法，無論是在那種振動信號的測量方法中都有他的“身影”，它是信號處理領域的一把“利劍”，通過FFT變換后復雜的、多變的信號圖像將變成較簡單的、易懂的圖形，為今后的分析、處理提供有力的支撐。在未來的技術發展過程中Matlab中的FFT模塊的發展也會注入新的內容，也會越來也便捷，也必將在汽車振動噪聲控制領域發揮重要作用。

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項目來源：武漢商學院2015年校級科研項目：基于Matlab的發動機振動噪聲測量系統設計研究（項目編號：2015KY010）

作者簡介：郭偉（1984），男，碩士，助教，研究方向：機械設計、機電控制等。