汽车发动机声音特性参数的识别及控制

发动机与排气系统是相互耦合的系统，共同决定了尾管辐射噪声中的阶次噪声大小。要对排气消声器和发动机进行匹配仿真分析，需要获取准确的发动机源特性参数，以便作为排气系统仿真模型的入口激励。

国内外学者在发动机声源特性识别模型上做了大量的研究工作。有些学者将发动机定义为时变模型，在时域内计算发动机的声源特性参数[32，33]。时变模型能够考虑发动机排气产生的高声压级脉动的非线性效应，能够更好地描述发动机气缸和排气系统之间复杂的相互作用。另外，这种时域方法还能考虑发动机与涡轮增压器的相互作用，已经成为实际工业界中发动机性能匹配计算的一个标准工具[34]。如GT-Power是由美国Gamma Technologies公司开发的针对汽车内燃机及零部件的模拟软件，采用的一维时域计算方法，可以直接对发动机建模，并与排气系统进行声学和流体的匹配计算[35-39]。但是这种时域计算模型需要获取发动机气缸及相关附件的准确几何参数，以及相关的发动机性能参数，如缸内压力、气门升程、点火提前角等。然而实际排气系统匹配过程中，这些关键的性能参数获取较为困难，从而难以建立较准确的发动机模型[34]。

发动机声源特性的线性频域识别模型仍然在排气系统的匹配设计中发挥重要作用。线性频域求解模型将发动机简化成一个黑箱，直接用参数来代替发动机的声学源特性，大大简化了发动机的建模过程。识别得到的源特性参数可以作为入口的激励和边界条件施加到排气系统的三维有限元模型上，从而实现更加精准的匹配设计。

将发动机简化成线性时不变系统，通过声电类比模型，可以将发动机的声源特性用声源声压和声源阻抗两个参数来描述[40]，如图1.5所示。

图1.5　典型发动机排气系统及其声电类比示意[47]

图1.5中，PE是发动机声源声压，ZE是发动机声源阻抗，PL是源与负载接口处的声压，ZL是负载阻抗，PR是距尾管口R处响应点的辐射声压，ZR是尾管口处的辐射阻抗，M表示排气系统入口处的气流马赫数，T表示排气系统入口处的温度。在频域识别模型中，源与负载之间的相互耦合作用可用式（1.1）[40]表示。

式中　N——负载数。

将源与负载接口处管内声压的比值换算到尾管外响应点辐射噪声声压的比值，再代入式（1.2）中，即可获取mα的值，见式（1.3）[45]。

式中　CL和DL——负载的四端极子参数。

联立式（1.2）和式（1.3），根据 Prasad的公式推导，可以得到用于声源阻抗求解的二元二次非线性方程组，见式（1.4）[45]。

式中　ZE=RE+jXE；

以上方法都是从模型和计算方法出发，研究源特性参数的识别，但很少有学者对源特性识别中负载测管的选取问题进行深入研究。Jang[49]通过数值计算的方法获得了关于提高源特性识别精度的几条负载选取原则。数值计算结果显示，当选择五个或六个负载时，声源阻抗的识别精度提高最为明显。同时，当选择的负载组合都有正的相同的阻抗实部时，识别出的声源阻抗的实部和虚部的精度最高。但是Jang得到的这些结论全都是基于构造的负载阻抗值得出的，缺少理论上的分析和试验验证。从识别误差来源分析出发，去寻求提高源特性识别精度的负载组合选择方法，还值得进一步深入研究。

影响声源特性识别精度除了模型的求解方法以及负载测管组合的选择方式以外，负载阻抗值的求解精度也会对识别结果有影响。国内外学者很少对这个问题进行研究，一般都采用传递矩阵法计算负载阻抗[34，40-49]。对于内燃机，只有当声源特性测试中各个负载产生的背压相同或接近的时候，发动机的源特性参数才不会随着负载测管的变化而产生较大的差异[34，50]，因而采用不同长度的直管作为声学负载会比较合理。在有流情况下，直管四端极子参数见式（1.5）[51]。(www.xing528.com)

式中　AL，BL，CL，DL——测管的四端极子参数；

M——直管的气流马赫数，M=v/c，v是气流流速，c是管内声速；

k——波数，k=ω/c（1-M2）；

Z0——管内气体的特征阻抗；

le，i——等效管长，采用热喷射流下的管道末端修正求得[52，53]。从式（1.5）可以看出，传递矩阵法计算测管负载阻抗值的方式只能考虑均匀分布的流场，即将管内的声场介质当作均一流场来处理。对于扬声器、压缩机等声源特性的识别，传递矩阵计算负载阻抗一般不会产生多大误差。但是对于内燃机，负载测管内的声场传播介质是多物理场耦合的非均一流场，存在较大的温度梯度和流速梯度，传递矩阵方法难以描述管内的声场介质特性，负载阻抗值的计算结果会产生较大的误差，进而影响发动机源特性参数识别结果的精度。

综上所述，在发动机源特性识别领域，国内外学者已经做了大量的研究工作，但是还缺少声源特性识别的误差定量估计方法，同时在声源特性识别模型的求解方法、负载组合的选择以及负载阻抗值的计算三个问题上还需要做进一步的深入研究，以提高发动机声源特性识别结果的精度。