Matlab在汽车排气噪声分析中的应用研究

摘要：汽车噪声的55%来自于发动机，发动机噪声又分为机械噪声、燃烧噪声和空气动力学噪声，而在空气动力学噪声中排气系统的噪声是主要的。本文针对排气系统的噪声测量进行了分析研究，并用Matlab进行了简单的频谱分析研究，分析了排气系统噪声的主要组成频率，为今后的降噪控制研究提供了一定的数据与经验。

关键词：Matlab；发动机；排气噪声；FFT

汽车已成为大众化的交通工具，人们对对乘坐的舒适性要求越來越高，因此振动噪声已成为衡量汽车性能的一个重要指标。交通噪声的75%来自于汽车噪声，而发动机又是汽车噪声的主要来源，在所有发动机噪声产生的因素中，排气噪是发动机噪声能量最大最主要的。研究测量发动机排气噪声对降低发动机噪声乃至整车振动噪声具有重要意义。

1 排气噪声产生原因分析

排气噪声属于发动机空气动力学噪声，除此之外还包括进气噪声和风扇噪声，本文仅对排气噪声进行分析、研究。

排气噪声是发动机空气动力学噪声中最主要的噪声源，当发动机的排气阀门突然开启后，废气会以很高的速度冲出，经排气管冲入大气，是一个十分复杂而不稳定的过程。在这个进程中产生噪声即为排气噪声。

排气噪声一般要比发动机整机噪声高出10～15dB。发动机排出的气体气属与高温（800～1000D）、高压（3个大气压）气体。一般包括排气阶段和强制排气阶段。发动机废气从排气门高速冲出，沿着排气歧管进入消声器，经过降噪后最后从尾管排入大气，在这一过程中会产生宽频带的排气噪声。

排气噪声包含了复杂的噪声成分：以单位时间内排气次数为基频的排气噪声，其基频可由下式计算：

式中G为气缸数；n为转速；j为冲程数，四冲程j=2，二冲程j=1；

排气管内气柱共振噪声，其频率可由下式计算：

式中c为当地声速，l为气柱长度，i为1、2、3……等；

影响发动机排气噪声的主要因素有：气缸压力、排气门直径、发动机排量及排气门开启特性等。对同一台发动机来说，发动机转速和负荷是影响其排气噪声的最主要因素。

2 Matlab在噪声测量分析中的应用研究

2.1 Matlab功能简介

Matlab作為一种功能强大的软件工具，它包含了数学建模、数值计算、信号数据的分析与处理和算法开发等主要功能。在继续开发的基础上，Matlab长于数值计算，能处理大量的数据，而且效率比较高。MathWork公司在此基础上加强了Matlab的符号计算、文字处理、可视化建模和实时控制能力，增强了Matlab的市场竞争力，使Matlab成为了市场主流的数值计算软件。Matlab语言有不同于其他高级语言的特点，这种语言的特点是编程效率高、用户使用方便、扩充能力强、交互性好、移植性好、开放性好、语言简单、内涵丰富、绘图功能丰富等。

在对排气噪声信号的分析与处理过程中主要运用FFT（快速傅氏变换）对采集来的振动信号波进行分析、处理，把采集来的时域信号曲线变为比较容易分析的频域信号曲线，最后显示输出的波形图形，这样有利于分析信号的各个参数。

Matlab软件的分析、计算功能强大，自从产生以来，在图形建模、数据处理方面发挥了重要的作用，同时在噪声的测量分析中也有着重要的作用。

2.2 各种测量方法对比分析研究

作为汽车噪声的主要来源，排气系统噪声的测量一直以来都是汽车设计人员研究的重点，这种研究主要是为了弄清楚在排气噪声中包含有哪些不同频率的振动波，为其在降噪消声的设计过程中提供理论与实验数据基础。目前一般的汽车排气尾管噪声测试装置包括用于采集排气尾管的噪声数据的声学传感器和用于处理所述噪声数据的数据处理器。在控制技术快速发展的大背景下，振动信号的采集、传输和处理也越来越精确、方便 。

汽车排气噪声主要是气体带动着空气振动而产生的，虽然在汽车的尾气排放管路上已安装了消声器，但是在经过消声器后的尾气仍有较大的振动。对汽车尾气的采集、处理、分析，目前也有很多种方法，但是在最后信号图形的分析处理（由时域向频域转换）过程中，Matlab中的FFT仍然占据着重要地位，FFT变换以其简单、快速、直观的特点受到广大使用者的喜爱。

1）汽车排气噪声测量一般有纯排气噪声和非纯排气噪声，纯排气噪声一般是指隔离、排除了背景噪声（除了纯噪声以外的其它噪声）后的发动机尾气排放产生的噪声。因此，在发动机排气噪声测量分析方面也相应的有两种方式：一是发动机纯排气噪声的测量，二是发动机非纯排气噪声测量。

对于纯排气噪声的测量要较非纯排气噪声测量麻烦一些，费劲一些，目前我国对于纯排气噪声的测量主要有直接测量法和间接测量法。直接测量法主要是创建、设计一个隔声罩，然后把排气管引入隔声罩内，而且隔声罩内只有一个开口，以保证发动机排气畅通，其它方面主要采用隔声和隔震的特殊材料来封闭以消除发动机排气背景噪声对测量结果的影响。间接测量法的主要思想是先期测出全部噪声，包括排气噪声和背景噪声，然后再测出背景噪声，最后根据两者之间的计算关系，求出发动机的尾气排放噪声。

2）另外，为了防止发动机的燃烧噪声、机械噪声对尾气排放噪声的干扰和影响，需要将噪声测量点与发动机分离，这种方法一般是用一个排气管将排气噪声引到室外空地进行测量，它主要运用日本RION NA—61精密声级计，RION SA布3双通道FFT分析仪以及转速表，发动机测功机等相关仪器设备对振动信号进行收集、测量。

汽车发动机排气噪声在不同的转速下波形图的峰值是不同的，有时排气管的长度不同时，振动波形的一般峰值会在不同转速下出现，这是由于排气管道与气体发生共振所造成的。

3）采用虚拟仪器系统测试平台技术，也可对多台柴油发动机的排气振动信号进行测试与分析，大大提高了系统的实时性，时效性，可靠性与可扩充性，同时由于系统具有良好的共用性，使整个系统的综合性价比提高，特别适用于具有多发动机台架的工业场合。

4）激光测量技术在发动机振动测试中的运用，激光具有能量集中方向性和相干性好，能如实负载物体光波信息等特性，可用于常规方法难以测量的各種物理参数，因此它越来越广泛的受到人们的重视在发动机振动特性的测量中，激光测量法有全息照相技术干涉法和激光多谱勒效应测量法等，这两种方法的的共同特点是非接触式测量，测量过程中所受的影响相应减小，从而可以提高测量的效率和精度。

以上的虚拟仪器测量技术和激光测量技术都是目前比较先进的信号测试与分析处理系统（软件），它们一般是把FFT变换程序集成在软件的人机交换界面内，做成模块化，用的时候直接调用相应模块就可以了，这样就省去了使用者编写程序的麻烦。

2.3 Matlab中的FFT在排气噪声处理中的应用

无论是哪种汽车排气噪声测量方法，最后的噪声振动信号都必须要经过处理、分析才能用曲线图形显示出来。而且我们采集到的振动信号全部为振动信号随时间变化的变化曲线，即时域波形曲线，但是，一般我们是需要知道噪声组成成分中各种成分的振动频率值以及共振频率值，这样我们才能分析出排气噪声的组成及种类，同时也为了有利于后期对相关实验数据的分析与研究，在噪声信号分析与处理过程中必须将其转化为频域的曲线图形，Matlab中的FFT是一种基于算法的把时域信号转为频域信号的变换工具，它简单、便捷，省去了使用者编写程序的繁琐过程，也扩大了使用者的范围，对使用者的编程技能要求较低，这样就能够使更多的工程技术人员进行或掌握发动机尾气排放振动噪声测量方法。

因此，不论是那种汽车排气噪声测量方法，在最后的信号处理跟分析中都要用到FFT变换，本论文的实验中主要是利用相关仪器对东风本田轿车的发动机的排气噪声进行测量并运用FFT变换对其分析处理，采集到的噪声样本分为滤波前和滤波后的噪声图像，最后再输入到FFT中进行频域分析。具体情况如下图所示：

通过以上图形可知汽车排气噪声中大致的组成成分，最主要的振动频率等相关数据参数，主要有35Hz，50Hz，90Hz，125Hz，150Hz，210Hz等多个振动频率，通过观察我们可以发现35Hz为主振动频率。而且从上面的图形中我们可以清楚的看出在频率领域分析信号波形的好处，我们可以准确地把握各组成气体的振动频率，掌握这些资料数据后，将有助于我们对汽车尾气的降噪方法、措施的研究和对汽车尾气的组成成分的分析研究。

3 结论

汽车的舒适性将是未来发展的重点，降噪的措施研究将会是未来一段时间汽车技术研究的方向，而FFT变换作为一种快速、便捷的信号分析、处理方法，无论是在那种振动信号的测量方法中都有他的“身影”，它是信号处理领域的一把“利剑”，通过FFT变换后复杂的、多变的信号图像将变成较简单的、易懂的图形，为今后的分析、处理提供有力的支撑。在未来的技术发展过程中Matlab中的FFT模块的发展也会注入新的内容，也会越来也便捷，也必将在汽车振动噪声控制领域发挥重要作用。

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项目来源：武汉商学院2015年校级科研项目：基于Matlab的发动机振动噪声测量系统设计研究（项目编号：2015KY010）

作者简介：郭伟（1984），男，硕士，助教，研究方向：机械设计、机电控制等。