面向傳遞路徑分析方法研究的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

楊星瑤 盧熾華 劉志恩 楊忠禮 朱亞偉

(1 武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070)

(2 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心 武漢 430070)

0 引言

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，氣缸內(nèi)可燃?xì)怏w燃燒形成氣體壓力動(dòng)載荷，使燃燒室壁面受到激勵(lì)并傳遞到缸體結(jié)構(gòu)表面，引起發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)與噪聲響應(yīng)[1?2]。由于發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)懸置系統(tǒng)直接與車身相連，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的激勵(lì)經(jīng)懸置傳遞到副車架、車身，最終會(huì)造成駕駛室內(nèi)的噪聲問(wèn)題。

為了提高乘車的舒適性，有效合理地降低車內(nèi)噪聲，工程師常采用傳遞路徑分析(Transfer path analysis,TPA)方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的各傳遞路徑貢獻(xiàn)量進(jìn)行定量分析，排查主要路徑從而進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化整改。通常，發(fā)動(dòng)機(jī)傳播的噪聲可分為結(jié)構(gòu)傳播噪聲與空氣傳播噪聲兩種類型，而在工程中常關(guān)注結(jié)構(gòu)噪聲。經(jīng)典TPA 允許用懸置被動(dòng)端連接界面的載荷來(lái)表征激勵(lì)源，將激勵(lì)源從結(jié)構(gòu)傳遞特性中分離出來(lái)，但其要求在傳遞函數(shù)測(cè)量過(guò)程中移除激勵(lì)源，即需要將發(fā)動(dòng)機(jī)從整車結(jié)構(gòu)中拆除[3]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，為了避免進(jìn)行復(fù)雜的拆裝工作，學(xué)者們研究出了多種以經(jīng)典TPA 為基礎(chǔ)的分析方法，如工況傳遞路徑分析(Operational transfer path analysis,OTPA)、擴(kuò)展工況傳遞路徑分析(Operation path analysis with exogenous inputs,OPAX)等[4?7]。但上述方法適用頻率范圍有限，并對(duì)于各路徑的貢獻(xiàn)量分析可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)[8]。為了進(jìn)行工作量和準(zhǔn)確性之間的折衷，學(xué)者們?nèi)孕枰越?jīng)典TPA方法作為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，以尋求更簡(jiǎn)便精準(zhǔn)的TPA 方法。

發(fā)動(dòng)機(jī)作為整車一大重要激勵(lì)源，體積龐大且質(zhì)量較大，在TPA 理論實(shí)驗(yàn)研究中不便進(jìn)行拆裝，為簡(jiǎn)化操作，有必要設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)化的激勵(lì)源模型作為研究性實(shí)驗(yàn)的分析對(duì)象，既要保留發(fā)動(dòng)機(jī)作為激勵(lì)源的主要激勵(lì)特征，又需減少拆裝過(guò)程工作量。目前作為研究性實(shí)驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)多為仿真模型，在有限元分析過(guò)程中通常將發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)施加[9?13]。由于激振器可激振實(shí)驗(yàn)子結(jié)構(gòu)引起相應(yīng)的結(jié)構(gòu)噪聲響應(yīng)[14]，而目前國(guó)內(nèi)研究中沒(méi)有針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)專門(mén)的激振及信號(hào)測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，因此將缸壓信號(hào)作為激振器的主要激勵(lì)特征對(duì)于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程的結(jié)構(gòu)噪聲模擬有著重要指示。

由于在現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中，學(xué)者們?cè)赥PA方法前期理論研究驗(yàn)證階段通常使用的為簡(jiǎn)單的臺(tái)架模型，搭建的傳遞路徑極為簡(jiǎn)單，使用的激勵(lì)信號(hào)也多為常見(jiàn)白噪聲信號(hào)，因此本文面向TPA理論研究設(shè)計(jì)一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的臺(tái)架裝置作為T(mén)PA方法研究的實(shí)驗(yàn)載體，包括簡(jiǎn)化的車身模型與簡(jiǎn)化的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，發(fā)動(dòng)機(jī)模型通過(guò)真實(shí)車輛上拆卸的懸置安裝于車身模型中，臺(tái)架裝置在保留發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)特征的情況下最大程度簡(jiǎn)化機(jī)體結(jié)構(gòu)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將NI公司的Compact RIO 平臺(tái)作為控制核心，以激振器為作動(dòng)器，以缸壓信號(hào)和機(jī)體振動(dòng)信號(hào)為激勵(lì)信號(hào)對(duì)機(jī)體加載，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的激勵(lì)源特征。在臺(tái)架裝置上進(jìn)行信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)，對(duì)通過(guò)懸置結(jié)構(gòu)傳遞的振動(dòng)與噪聲信號(hào)進(jìn)行評(píng)價(jià)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的有效性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、臺(tái)架裝置和傳感系統(tǒng)組成，如圖1所示。臺(tái)架裝置包括簡(jiǎn)化車身模型與簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)模型，兩者通過(guò)真實(shí)車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置連接。車身模型參考真實(shí)車輛結(jié)構(gòu)分為駕駛艙與發(fā)動(dòng)機(jī)艙，整體通過(guò)鋁型材連接而成，駕駛艙中設(shè)有座椅作為T(mén)PA實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)響應(yīng)位置，發(fā)動(dòng)機(jī)艙用于放置簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)模型，如圖2所示。整個(gè)臺(tái)架裝置坐標(biāo)系定義為車尾指向車頭為x正向，車頭右側(cè)指向左側(cè)為y正向，垂直向上為z正向。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Scheme of test system

圖2 簡(jiǎn)化車身結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Scheme of simplified body

簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)模型的機(jī)體如圖3所示，機(jī)體由10 mm 厚度鋁板拼接而成，為了減輕重量、節(jié)約材料，機(jī)體內(nèi)部為空心。由于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體需要通過(guò)懸置安裝于車身模型中，為了便于連接真實(shí)車輛上拆卸的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的吊耳。在忽略吊耳的情況下，機(jī)體整體沿z方向最大高度為200 mm，沿y方向最大長(zhǎng)度為380 mm，沿x方向最大寬度為180 mm。

圖3 簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Scheme of simplified engine body

為了保留發(fā)動(dòng)機(jī)作為激勵(lì)源的主要激勵(lì)特征，本文選擇利用激振器對(duì)機(jī)體施加激勵(lì)信號(hào)，用于模擬發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲。由于激振器只能提供單方向激勵(lì)，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲需考慮3 個(gè)方向的振動(dòng)傳遞，因此在氣缸壓力信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)的基礎(chǔ)上需加入真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中機(jī)體表面x、y向的振動(dòng)信號(hào)，氣缸壓力信號(hào)作為z向激振器的激勵(lì)信號(hào)，x、y向的機(jī)體振動(dòng)信號(hào)作為x、y向激振器的激勵(lì)信號(hào)。

由于本文選擇的簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)模型為直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，即通過(guò)4 個(gè)激振器模擬4 個(gè)氣缸的沖擊，所以z向激振器需要在機(jī)體頂板直線均勻分布，安裝位置大約位于圖3中機(jī)體頂板的4 個(gè)紅點(diǎn)位置。為了更均勻施加x、y向振動(dòng)信號(hào)，x、y向激振器盡量靠近在機(jī)體x、y方向側(cè)板的中部分布，安裝位置大約位于圖3中機(jī)體x、y向側(cè)板的紅點(diǎn)位置。

1.2 工作原理

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作流程框圖如圖4所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大體分為控制系統(tǒng)、臺(tái)架裝置和傳感系統(tǒng)3 部分。在系統(tǒng)工作前，首先需要進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)，本文擬采集某直列四缸四沖程汽油機(jī)在加速工況下的各缸缸壓信號(hào)及機(jī)體表面振動(dòng)信號(hào)。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作流程框圖Fig.4 Workflow chart of test system

控制系統(tǒng)用于控制臺(tái)架裝置實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要激勵(lì)特征的模擬，包括計(jì)算機(jī)、信號(hào)發(fā)生器與功率放大器。信號(hào)發(fā)生器作為控制系統(tǒng)的核心元件，包含編程控制器與電壓輸出接口，用于向臺(tái)架裝置穩(wěn)定輸出激勵(lì)信號(hào)。

整個(gè)臺(tái)架裝置作為T(mén)PA 方法研究的實(shí)驗(yàn)載體，其中的激振器與機(jī)體共同組成發(fā)動(dòng)機(jī)模型，通過(guò)懸置安裝于車身中，懸置用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞，同時(shí)支承整個(gè)臺(tái)架裝置。激振器作為作動(dòng)器，接收經(jīng)功率放大器放大的激勵(lì)信號(hào)，并將其傳遞至機(jī)體產(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪聲。

傳感系統(tǒng)部分主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)模擬信號(hào)的采集實(shí)驗(yàn)，其中加速度傳感器用于測(cè)量臺(tái)架裝置內(nèi)座椅上的振動(dòng)加速度信號(hào)，傳聲器用于測(cè)量座椅旁的聲壓信號(hào)，信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行收集并傳回計(jì)算機(jī)用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理分析。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)多個(gè)激勵(lì)信號(hào)的同步輸出，即需要一種有效的方法同時(shí)控制多個(gè)激振器，因此本文借助NI 公司的Compact RIO 平臺(tái)，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的信號(hào)發(fā)生器。

為提高整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性，并使控制系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性，控制系統(tǒng)采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu)。控制系統(tǒng)的上位機(jī)基于Windows PC 計(jì)算機(jī)，應(yīng)用LabVIEW 中的實(shí)時(shí)控制模塊開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的有源控制程序，創(chuàng)建用戶操作界面，實(shí)現(xiàn)多個(gè)激振器信號(hào)的同步輸出。LabVIEW 中實(shí)現(xiàn)了通道配置與輸出信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示，通道配置包括物理通道的選擇，輸出信號(hào)的選擇，采樣率、輸出模式以及信號(hào)幅值。圖5為對(duì)應(yīng)的用戶操作界面，為所用通道選擇特定的輸出信號(hào)后，即可啟動(dòng)信號(hào)輸出，并通過(guò)音量大小旋鈕無(wú)極調(diào)節(jié)輸出音量，同時(shí)在下方實(shí)時(shí)查看各通道輸出信號(hào)的波形圖。由于上述實(shí)驗(yàn)采集的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)LMS.Test.Lab 14.0軟件采集，為了保證系統(tǒng)能夠真實(shí)地還原原始工況，采樣率需要與采集原信號(hào)時(shí)的采樣率保持一致。

圖5 LabVIEW 用戶操作界面Fig.5 The user interface of LabVIEW

2.2 硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件部分主要是配合軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)的加載與采集，主要包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、激振器、數(shù)據(jù)采集裝置、加速度傳感器、傳聲器、傳聲器標(biāo)定器等。各硬件的規(guī)格型號(hào)以及主要參數(shù)如表1所示。信號(hào)發(fā)生器作為控制系統(tǒng)的下位機(jī)，以Compact RIO作為控制核心，如圖6所示。

圖6 NI Compact RIO 結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of NI Compact RIO

表1 實(shí)驗(yàn)所需各硬件設(shè)備Table 1 Equipment required for testing

本文所用NI Compact RIO配備NI cRIO-9040編程控制器與NI 9269 四通道C 系列輸出板卡，組成緊湊型可重復(fù)配置I/O(Input/Output)的硬件平臺(tái)，輸入端口連接至Windows PC 計(jì)算機(jī)端實(shí)現(xiàn)用戶交互，兩個(gè)NI 9269 輸出端口分別對(duì)應(yīng)缸壓信號(hào)與機(jī)體振動(dòng)信號(hào)，整體可實(shí)現(xiàn)對(duì)各激振器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的同步穩(wěn)定輸出。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的有效性，設(shè)計(jì)信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬出的振動(dòng)信號(hào)與結(jié)構(gòu)噪聲信號(hào)進(jìn)行評(píng)價(jià)。如圖7所示，實(shí)驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)半消聲室內(nèi)進(jìn)行，背景噪聲為22.5 dB(A)。

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置示意圖Fig.7 Scheme of test system arrangement

簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)體模型如圖8所示，機(jī)體頂端z向4 個(gè)激振器沿直線均勻分布，分別輸出4 個(gè)氣缸的缸壓信號(hào)。考慮到單激振器激勵(lì)能量不足，因此在x向與y向分別設(shè)置2 個(gè)激振器，分別輸出機(jī)體x向與y向的振動(dòng)信號(hào)，同方向的2 個(gè)激振器所接收的激勵(lì)信號(hào)相同，布置位置盡量靠近該方向側(cè)板的中心。整個(gè)機(jī)體采用3 點(diǎn)支撐，左懸置1、抗扭懸置2 和右懸置3 分別拆卸于某汽車的真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙中，通過(guò)機(jī)體吊耳將機(jī)體固定于簡(jiǎn)化車身的駕駛艙中，激振器提供的振動(dòng)能量經(jīng)懸置傳入車身，可引起車身駕駛艙內(nèi)部的振動(dòng)加速度響應(yīng)及結(jié)構(gòu)噪聲響應(yīng)。

圖8 簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)模型示意圖Fig.8 Scheme of simplified engine

傳感器具體布置位置如圖9與圖10所示，座椅表面z向振動(dòng)加速度信號(hào)由加速度傳感器測(cè)量；傳聲器靈敏度經(jīng)傳聲器標(biāo)定器標(biāo)定后，布置于座椅上方，對(duì)應(yīng)于實(shí)車中的駕駛員耳旁處，進(jìn)行聲壓信號(hào)的采集。

圖9 加速度傳感器布置示意圖Fig.9 Scheme of acceleration sensor arrangement

圖10 傳聲器布置示意圖Fig.10 Scheme of microphone arrangement

本文實(shí)驗(yàn)選擇發(fā)動(dòng)機(jī)在滿負(fù)荷、100 N·m負(fù)荷和20 N·m 負(fù)荷下180 s 從1000 r/min 加速到5200 r/min 的加速工況，以上工況加速時(shí)間長(zhǎng)度適中，加速過(guò)程車內(nèi)振動(dòng)及噪聲可以得到較好的復(fù)現(xiàn)。對(duì)于真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)，需要分別獲取發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的4 個(gè)氣缸內(nèi)壓力信號(hào)及機(jī)體表面x、y方向的振動(dòng)信號(hào)。

真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)在某公司發(fā)動(dòng)機(jī)半消聲室內(nèi)進(jìn)行，采集對(duì)象為該公司某款直列四缸四沖程汽油機(jī)。各氣缸內(nèi)缸蓋上有通過(guò)螺紋連接的缸壓傳感器，實(shí)時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況下的缸壓信號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)端機(jī)體表面x、y方向中部設(shè)有PCB 三軸加速度傳感器，用于實(shí)時(shí)采集機(jī)體表面的振動(dòng)加速度信號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體正上方一定距離處設(shè)有傳聲器，用于實(shí)時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的聲壓信號(hào)。由于涉及公司產(chǎn)品保密信息，本文不做實(shí)驗(yàn)的布置示意圖展示。圖11與圖12展示了該發(fā)動(dòng)機(jī)滿載加速工況的缸壓曲線與機(jī)體x、y方向表面采集的振動(dòng)加速度信號(hào)曲線。

圖12 機(jī)體表面振動(dòng)加速度曲線片段Fig.12 Fragment of vibration acceleration on the surface of the engine body

為使曲線清晰分辨，圖11僅展示0.5 s 內(nèi)的信號(hào)曲線，其中各曲線的波峰代表壓縮上止點(diǎn)，相鄰兩個(gè)缸壓曲線之間代表一個(gè)完整的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)，即進(jìn)氣、壓縮、做功及排氣，可清晰看出該發(fā)動(dòng)機(jī)的著火順序?yàn)?-3-4-2。對(duì)于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可模擬發(fā)動(dòng)機(jī)主要激勵(lì)特征的驗(yàn)證，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)，即分別對(duì)激振器輸出上述3 個(gè)加速工況下的激勵(lì)信號(hào)，以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在滿負(fù)荷、100 N·m負(fù)荷和20 N·m 負(fù)荷的加速工況下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲。上述實(shí)驗(yàn)所用數(shù)據(jù)采集軟件均為L(zhǎng)MS.Test.Lab 14.0，采樣頻率設(shè)定為4096 Hz，采集時(shí)間為180 s。

圖11 發(fā)動(dòng)機(jī)滿載加速工況缸壓曲線片段Fig.11 Fragment of cylinder pressure curve under full load and acceleration of engine

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

圖13顯示了一組加速度傳感器測(cè)量的振動(dòng)加速度信號(hào)頻譜，關(guān)心頻率為0～500 Hz，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工況分別為滿負(fù)荷加速、100 N·m 負(fù)荷加速和20 N·m負(fù)荷加速。由圖13可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬出的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)響應(yīng)所反映的階次成分明顯，對(duì)于四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)最為重要的2階成分極為突出。其中，滿負(fù)荷加速工況、100 N·m 負(fù)荷加速工況下的階次成分與20 N·m負(fù)荷加速工況相比更為突出。

圖13 各加速工況下加速度傳感器信號(hào)頻譜Fig.13 Acceleration sensor signal spectrum under various acceleration conditions

圖14顯示了對(duì)應(yīng)的傳聲器實(shí)測(cè)聲壓信號(hào)頻譜，同樣可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬出的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲所表現(xiàn)出的階次成分明顯，并以1.5 階和2 階為主，主要噪聲均集中在30～160 Hz。

圖14 各加速工況下傳聲器信號(hào)頻譜Fig.14 Microphone signal spectrum under various acceleration conditions

根據(jù)轉(zhuǎn)速計(jì)算，加速初轉(zhuǎn)速1000 r/min 對(duì)應(yīng)2 階噪聲響應(yīng)頻率約為33.3 Hz，加速截止轉(zhuǎn)速5200 r/min 對(duì)應(yīng)2 階噪聲響應(yīng)頻率約為173.3 Hz，與主要噪聲覆蓋頻段基本吻合。另外，還可對(duì)實(shí)驗(yàn)所測(cè)傳聲器信號(hào)在2 階噪聲成分進(jìn)行轉(zhuǎn)速提取。從滿負(fù)荷加速工況下傳聲器信號(hào)圖譜最為突出的2 階信號(hào)中提取轉(zhuǎn)速，提取的轉(zhuǎn)速與原信號(hào)轉(zhuǎn)速對(duì)比如圖15所示。

圖15 轉(zhuǎn)速對(duì)比圖Fig.15 Comparison diagram of rotate speed

原始信號(hào)轉(zhuǎn)速?gòu)?000 r/min加速至5200 r/min，提取的轉(zhuǎn)速信號(hào)957 r/min 加速至5163 r/min，與原始轉(zhuǎn)速范圍基本重疊。圖13中約160 s 處提取轉(zhuǎn)速信號(hào)出現(xiàn)抖動(dòng)，根據(jù)計(jì)算可知160 s 時(shí)的轉(zhuǎn)速約為3733 r/min，此時(shí)對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)2 階振動(dòng)頻率約為124 Hz，與實(shí)驗(yàn)車架固有頻率重合引起共振，因此信號(hào)出現(xiàn)波動(dòng)。由于3 個(gè)工況數(shù)據(jù)量較大，雖然滿負(fù)荷加速工況下的階次成分較為突出，但3個(gè)工況對(duì)2階信號(hào)提取轉(zhuǎn)速的結(jié)果相當(dāng)，因此本文不逐一呈現(xiàn)。綜上，可認(rèn)為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)真實(shí)模擬出了發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況下的結(jié)構(gòu)噪聲。

根據(jù)上述從傳聲器信號(hào)提取的轉(zhuǎn)速信息，可進(jìn)行滿負(fù)荷加速工況下轉(zhuǎn)速相關(guān)頻譜特征提取，由圖16同樣可知，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬出的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲各階次成分明顯，其中2 階噪聲成分最為突出。由于在真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體正上方設(shè)有傳聲器采集聲壓信號(hào)，為了更好地驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行下采集的階次譜精度，從該傳聲器信號(hào)提取的轉(zhuǎn)速信息，也可進(jìn)行滿負(fù)荷加速工況下轉(zhuǎn)速相關(guān)頻譜特征提取，如圖17所示。對(duì)比圖16與圖17可看出，圖17中各階次成分聲壓級(jí)較高，主要是因?yàn)檎鎸?shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況下的聲壓級(jí)遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)激振器激勵(lì)工況，但實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬出的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲各階次成分與真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)基本一致，各階次對(duì)應(yīng)的頻率范圍相差不大。

圖16 轉(zhuǎn)速相關(guān)頻譜特征圖Fig.16 Frequency spectrum characteristic diagram related to rotate speed

圖17 真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)頻譜特征圖Fig.17 Frequency spectrum characteristic diagram related to rotate speed in real engine

由此可見(jiàn)，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所需要的功能基本實(shí)現(xiàn)，在滿足激勵(lì)源方便拆裝的要求下，作為激勵(lì)源的簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)模型能夠保留發(fā)動(dòng)機(jī)主要激勵(lì)特征，激勵(lì)信號(hào)中階次成分明顯，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可為T(mén)PA方法的研究提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

5 結(jié)論

(1) 有效利用了激振器振動(dòng)發(fā)聲的特點(diǎn)，以缸壓信號(hào)與機(jī)體振動(dòng)信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，設(shè)計(jì)一種可保留發(fā)動(dòng)機(jī)主要激勵(lì)特征但簡(jiǎn)化機(jī)體的模擬發(fā)動(dòng)機(jī)模型。在滿足激勵(lì)源方便拆裝的要求下，開(kāi)發(fā)一套面向TPA方法研究的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，有利于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行TPA方法研究。

(2) 借助NI 公司的CompactRIO 平臺(tái)，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW 的信號(hào)發(fā)生器，使用cRIO-9040 編程控制器與NI 9269 四通道電壓輸出板卡，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制信號(hào)的同步輸出，提高了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)主要激勵(lì)特征的有效性與穩(wěn)定性。但這樣也導(dǎo)致了整套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成本較高，為了增強(qiáng)實(shí)用性，后期考慮遵循同樣的思路可替換其他硬件實(shí)現(xiàn)相同功能。

(3) 基本驗(yàn)證了該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于模擬發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)特征的可行性，但是由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和時(shí)間的限制，僅進(jìn)行了直列四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)各加速工況的結(jié)構(gòu)噪聲模擬，對(duì)其他復(fù)雜工況的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)還有待進(jìn)一步補(bǔ)充完善，對(duì)于激振器布置的位置及數(shù)量的影響還需進(jìn)一步研究。由于激振器布置位置的特殊性，導(dǎo)致本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)僅能用作直列式發(fā)動(dòng)機(jī)的模擬，對(duì)于V 型等其他形式的發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)特征的模擬還需進(jìn)一步研究。