时变排气噪声信号的阶次提取,其实质是跟踪转速信号换算的阶次中心频率,进行时变带通滤波获取各阶次成分,因而先从带通滤波器出发构建基小波函数。
实偶的理想带通传递函数见式(2.5)。
式中 HB(f)——理想带通传递函数;
FL——下限截止频率;
FH——上限截止频率。
理想带通滤波器的频域通带范围为[FL,FH];存在两个止带,低频止带范围为[0,FL],高频止带范围为[FH,+∞]。实际操作中,理想带通传递函数可以用两个理想低通传递函数之差获得,见式(2.6)。
式中 HLH(f)——高频低通传递函数;
HLL(f)——低频低通传递函数。
而理想低通传递函数的冲激响应函数是一个辛克函数,其表达式见式(2.7)。
式中 hL(t)——理想低通冲激响应函数;
Fc——低通截止频率。
结合式(2.6),理想带通传递函数的冲激响应函数见式(2.8)。
理想带通传递函数以及理想带通冲激响应函数的波形如图2.7所示。其中图 2.7(a)是理想带通传递函数,图 2.7(b)是理想带通冲激响应函数。
图2.7 理想带通传递函数及冲激响应曲线(www.xing528.com)
然而进行时变信号滤波时,需要通过伸缩对信号进行多分辨率细化分析,即带通滤波器的带宽需要跟随相关对比时间τ的变化而变化,其数学描述可用式(2.9)表示。
式中 wp(τ)——带通滤波器的带宽;
fc(τ)——阶次中心频率,由发动机的转速计算得出,见式(2.10)。
式中 ε——阶次数,一般发动机点火阶次及其倍频是声能量集中的地方,对于四冲程四缸发动机,二、四、六、八阶是需要重点关注的阶次。
带通滤波器带宽的选择决定了阶次提取的精度。对于汽车发动机,随着发动机转速的增加,各阶次的中心频率也随之增加,各阶次成分之间的频率带宽也越来越宽,如图2.8所示。
从图2.8可以看出,在中低转速时,各阶次之间的距离很近,而中高转速时距离相对较远。如果采用频率带宽方法确定滤波带宽时,带宽选得太窄,中高转速的阶次成分有可能被滤除;而带宽选得太宽,中低转速可能产生相邻阶次混叠的情况。采用等阶次带宽可以有效地避免上述情况发生,即带宽与中心频率的比值是一个恒定量,带宽随中心频率的升高而升高,如图2.8中长虚线所示。
图2.8 阶次频率与发动机转速关系示意
采用等阶次带宽的各阶次滤波域可以用式(2.11)来表示。
式中 wp(τ)=ϖ·fcb(τ),即ϖ是带宽与中心频率的比值;
fcb(τ)——一般选基频或者发动机的点火频率,如四缸发动机可以选择二阶的中心频率。
联立(2.8)、(2.9)、(2.10)、(2.11)四个式子,可以得到带宽随转速变化的理想带通冲激响应函数的表达式,见式(2.12)。
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