汽車發動機聲學診斷方法及其儀器的製作方法
2023-08-01 21:50:26 1
專利名稱：汽車發動機聲學診斷方法及其儀器的製作方法
技術領域：
本發明涉及汽車發動機診斷技術，尤其涉及一種汽車發動機聲學診斷方法及其儀 器；具體地說，涉及一種利用發動機發聲的聲學特徵確定發動機工作狀態是否正常的方法 及其儀器。
背景技術：
汽車發動機工作時發出聲音，其工作狀態是否正常，有經驗的師傅可以判斷出來 [l]。但對於一般的人員，就有困難；另外，對於複雜的情況，即使有經驗，準確判斷也有困難。 許多原因可引起汽車發動機故障警告燈報警，而汽車本身並不存在問題，卻不得 不進一次修理廠檢測，費時費事。大型車輛常有湮缸現象，即燃料不經燃燒排出氣缸的現象 卻毫無覺察，造成燃油浪費、空氣汙染和車輛動力下降。在汽車製造工廠和修理車間，高級 小汽車，有自己的專用汽車發動機工作狀態診斷系統，這些系統聯合分布在發動機多個關 鍵部位的多組傳感器來監控汽車發動機部件的工作情況，從而做出綜合判斷，但這些裝置 是專用和複雜的，需專業人員方能操作。 —種能方便使用又不依賴於汽車本身任何裝置就能識別發動機工況的儀器，不僅 可以減少故障誤報和漏報引起的麻煩和問題；對於重要交通要道，如高速公路、橋梁和隧道 等的行車正常和交通安全，以及環境保護都有重要意義。
經檢索，尚未發現類似本發明的報導。
發明內容
本發明的目的就在於克服現有技術存在的缺點和不足，提供一種汽車發動機聲學 診斷方法及其儀器。 本發明是一種基於聲學無損無接觸診斷理論和利用常見的設備集成相應的檢測 儀器，為檢測數量龐大的汽車發動機使用，同時也可發展出高端的通用檢測設備，為交通管 理部門使用。 本發明的目的是這樣實現的 維修師傅的聽診經驗表明，發動機正常工作聲響有其規律，不正常亦有其特徵，這 是發動機工作產生的必然結果。聽聲音，過於抽象，不利於準確地描述。如將聲音的波形和 特徵，以圖像的方式顯示出來，提供判讀，與醫院使用的心電圖診斷技術十分相似。不同的 是，汽車發動機有多個氣缸，且每個氣缸因製造精度和安裝位置的不同，各個缸體產生的聲 音信號也有所差別，混合產生的聲音信號就較為複雜，而氣門開合、發電機、水泵、風機、載 荷變化、轉速不穩定和環境噪音等產生的複雜信號，將對診斷造成極大的困難。要保證診斷 的正確性和實用性，必須建立一套有效的診斷機制 1、儀器設計要合理，性能優裕，能採集和分離所需高信噪比發動機聲音信號；
2、對信號進行人工的分選，找出合適的識別信號；
3、建立簡易和可操作的識別判據，使用統計技術克服幹擾的影響。 對發動機正常工作發出聲音的規律的認識，是發動機診斷的基礎。本發明研究的
範圍僅限制在4衝程發動機及其4衝程的正常工作狀態的診斷。 具體地說，本發明包括方法和儀器。 —、汽車發動機聲學診斷方法 本方法包括下列步驟 ①將汽車發動機聲音信號通過數字聲音採樣設備處理成數字聲音信號，並記錄在 數據文件中，或直接作為圖像顯示和傅立葉變換數據源；
②利用計算機顯示聲音信號圖像； ③人工觀測圖像的特徵，如圖像有準周期特徵，則說明發動機工作正常； ④選擇穩定轉速3-10秒的聲音數據，做傅立葉變換，得到發動機聲音信號振幅
譜，進而得到激發準周期頻率； ⑤利用發動機激發準周期頻率與發動機轉速和汽缸數的關係，計算得到理論的發 動機激發準周期頻率； ⑥比較傅立葉變換測定和理論發動機激發準周期頻率，二者一致時，說明發動機
工作正常，反之為不正常。 二、汽車發動機聲學診斷儀器 1、結構 本儀器由前後依次連接的聲音傳感器、模數轉換器和數據處理器組成。
2、工作原理 汽車發動機發出的聲B向，經聲音傳感器接收並轉換成為電壓信號，再由模數轉換 器處理成數位訊號，並記錄在數據文件中。試驗時使用過MP3、MP4、錄音筆和便攜計算機，均 為滿意的結果；記錄數據文件，使用音頻數據編輯軟體和記錄提示信息，分選出需要分析的 數據片斷，通過數據分析顯示處理軟體顯示聲音信號圖像，並進行快速FFT變換，將時間域 的聲音信號變換到頻率域，並顯示其頻譜特徵圖像。這樣，就可根據發動機的轉速和氣缸數 (不清楚時可數發動機排氣連接管)，得到理論發動機聲音準周期頻率。觀測時間域聲音圖 像，有準周期曲線特徵，或者理論準周期與FFT確定的準周期頻率一致，則說明發動機工作 正常。可以排除幹擾因素，又不具備上述特徵者，則說明發動機工作不正常，應進修理廠。
本發明具有下列優點和積極效果 1、將聲音信號轉換成數字圖像信號，為聲音特徵研究和識別提供有效手段；
2、證實發動機正常工作聲音圖像具有準周期規律，成為定性識別判據，得到激發 準周期頻率計算公式，將圖像定性判讀上升為精確的定量參數比對； 3、發動機、傳感器、計算機、聲學、信號分析、統計等多科學的交叉融合，建立識別 體系，集成數據採集和數據處理系統，形成類似心電圖的診斷技術。
4、所有四衝程發動機通用，不依賴於發動機型號，無接觸。 總之，本發明是一種類似醫院心電圖診斷的系統。根據發動機工作原理和經驗數 據，發現發動機正常工作發聲聲學圖像準周期規律，得到激發準周期頻率計算公式，為發動 機正常工作狀態的診斷提供定性和定量的判據。利用PC計算機和聲音傳感器，構建汽車日 常工況下發動機工況檢測平臺，建立機動車發動機無接觸無損傷診斷的技術方案。本發明可為交通管制部門，在不影響道路汽車行駛的條件下，發現行駛中的汽車發動機工作是否 正常，實現無接觸診斷，及時排除發動機不正常車輛上路的隱患；也可為其它機動車和發動 機提供實用診斷技術。
圖1是本儀器的結構方框圖； 圖2是富康16v車發動機怠速的聲音信號圖像(部分)，橫軸是時間(秒)，縱軸 是聲壓(無量綱)； 圖3是圖2的振幅譜，橫軸是頻率，縱軸是振幅。 其中 1-聲音傳感器； 2-模數轉換器； 3-數據處理器； 4-發動機聲源； 5-背景噪聲。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例詳細說明
—、方法 1、步驟①中，所述的數字聲音採樣設備選用MP3、MP4、錄音筆或多媒體計算機等。
2、步驟③中，所述的準周期是當若干個周期信號疊加時，如果他們的周期的最小 公倍數不存在，則和信號不再為周期信號，但他們的頻率描述還具有周期信號的特點，稱為 準周期信號。 3、步驟⑤中，所述的理論的發動機激發準周期頻率為
f(") = "/2Xn 式中，f為理論發動機激發準周期頻率，"為發動機轉速，n為氣缸數。f(")就 是發動機轉速為o時，發動機正常工作發出聲音的頻率特徵。
二、儀器
1、總體 如圖l，本儀器包括前後依次連接的聲音傳感器1、模數轉換器2和數據處理器3。
2、功能部件
1)聲音傳感器1 聲音傳感器1即一種常用的麥克風，將聲音轉換成模擬電信號。
2)模數轉換器2 模數轉換器2即一種常用的模數轉換器，將模擬電信號轉換成數字電信號。
3)數據處理器3 數據處理器3即一種常用的數據處理器，如選用常用的計算機，在該計算機中植 入有商用的軟體Origin。 4)聲音傳感器1和模數轉換器2組成數字聲音採樣設備
5
數字聲音採樣設備選用MP3、MP4、錄音筆或多媒體計算機。
三、檢測原理 1、發動機發聲原理與激發準周期頻率 發動機的發聲激發因素十分複雜，與發動機的結構、材料構成、輔助設備以及轉速載荷等密切相關，可以說， 一種發動機就有一種激發特徵，且隨發動機工作狀態而變化。這方面的研究有一些工作，如直列四缸發動機的振源分析與仿真[2]，汽車V型發動機振動激勵特性的研究[3]，發動機曲軸系統動力學數值模擬研究[4]，通過建立發動機運動學、動力學模型，模擬分析發動機的震動激勵源，預測曲軸系的振動、強度、疲勞及潤滑特性等，研究發動機表面振動特性；有研究認為，車內低頻噪聲在頻域中的尖峰是由發動機往復慣性力激振車身壁板產生[5]對柴油機噪聲的產生與控制研究，認為柴油機噪聲主要來源於氣體脈衝、燃燒和機械運動[6].儘管這些研究是基礎的和初步的，側重點也各有千秋，但共同的特點就是工作過程中4個衝程相關引起的激發。 不管發動機的氣缸數量多少，設計時總是讓其均勻平穩工作，各個氣缸按工作順序安排相同和固定相位差，發出聲音就有準周期規律，並可作為其工作狀態是正常的基本特徵，是維修聽證的基礎。該準周期信號是由於發動機工作激發產生的振動引發的聲波，根據其產生的物理機制，本文稱之為激發準周期頻率，由發動機的轉速和氣缸數決定。對比檢查發動機的聲音信號的準周期規律，就可以定性識別發動機的工作狀態是否正常。根據激發準周期頻率參數和理論激發準周期頻率，可根據統計參數的定量結果來判斷其4個衝程工作狀態是否正常。 2、正常發動機聲音激發準周期頻率理論計算 以四缸直列發動機為例，圖2是完好的富康1. 6v車發動機怠速的聲音圖像和聲音的頻率譜特徵，發動機怠速每分鐘850轉，即14轉/秒，富康發動機有四個氣缸，氣缸每兩轉完成一個工作周期，0.5秒的時間有14個準周期，每個準周期的圖像雖有所差別，但基本一致。可以認為是發動機正常工作準周期規律的正常圖像。右邊是左邊圖像FFT譜特徵，利用FFT變換，可將時間域的曲線轉換為頻率域[7]，利用分析作圖軟體0rigin[8]對採樣數據作FFT變換和作圖，第一個譜峰對應28周/秒的頻率，為激發準周期頻率，也就是發動機的在怠速下，4個氣缸工作激發出聲音信號的一個頻率特徵。第二個譜峰頻率56周/秒，是第一個譜峰的倍頻，在譜分析中常見的現象。正常理論值與測定數值一致，說明發動機工作狀態正常。 四衝程發動機曲軸轉兩周，氣缸完成一個完整的工作周期，按照發動機設計均勻工作的原則和圖1的經驗數據，很容易得到發動機轉速、氣缸數數與發動機工作聲音信號的激發準周期頻率關係，並推廣至一般發動機，
f( ) = /2Xn (1) 式中，f為理論發動機激發準周期頻率，"為發動機轉速，n為氣缸數。f(")就是發動機轉速為"時，發動機正常工作發出聲音的頻率特徵。這可以提供一個頻率比對標準。檢測到的準周期頻率與理論計算的發動機發聲準周期頻率一致，就可判定發動機工作正常，從而將定性的準周期圖像識別定量化。可為計算機自動識別和人工識別降低難度。反過來，通過測定的激發周期頻率反推發動機轉速，根據(1)式有，
= 2f (w)/n (2)
也可用於研究轉速表的準確性和讀數精度。 表一是檢驗公式(1)或(2)發動機轉速與準周期頻率關系所做的實驗部分採樣，利用汽車油門控制汽車發動機空轉轉速，頻率採用怠速、1000、2000、和3000轉/分，個別有達到4000轉/分，分別得到20秒左右的聲音信號，經FFT變換得到採樣音頻信號的頻譜特徵，根據譜峰判讀獲得激發準周期頻率，並與利用轉速表讀數和氣缸數得到的理論準周期頻率相對照，或反過來利用激發準周期頻率推算應有的轉速，與轉速表讀數相比對。表一給出了該實驗的有關數據。通過FFT判定實際轉速與轉速表讀數差值的統計均方差為±49轉/分，該誤差在轉速表讀數精度引起的誤差範圍之內，說明公式與實際情況符合很好。該檢測試驗使用了 3，4，6個氣缸的發動機，具有廣泛的代表性，其它未列出數據也有相似的統計規律，再結合發動機激發機理，公式(1)和(2)得到檢驗。
表一，激發準周期頻率計算與實測比較
序號車型氣缸儀錶轉激發準周測定錶速測定表
數速期頻率(轉/分)速差
(個)(轉/分)(轉/秒)(轉/
分)
1林蔭大道660031. 062020.
2林蔭大道6120059. 61192_8.
3林蔭大道6200098. 21964-36.
4林蔭大道630001472940-60.
5Land670034. 7694-6.
cruiser
6Land6100048. 7974-26.
cruissr
762000102. 0204040.
cruiser
8Land63000150. 030000.
cruissr
9TOYOTA462022.868464.
10TOYOTA4200066. 920077.0.
113074■29. 2876-24.
123074175055. 71671-79.
13Fukang485028. 0840-10.
1. 6
8
14Fukang4200069. 3207979.
1. 6
15Fuk肌g4300099. 62988-12.
1. 6
16馬自達6466723.871346.
17馬自達64100031. 6947-53.
18馬自達64200065.81974-26.
19馬自達64300097.82934-66.
20馬自達64300097. 02910-90.
21馬自達643900127.43821-79.
22江鈴4111036.2108624.
23Spark 0.83■24.096060.
MT 注序號為22和23隻有怠速數據，Spark 0. 8MT 3缸車沒有轉速表，怠速為車主提供。 3、數據採集與分析 現在常見的汽車轉速在800-5000轉/分，氣缸數量在3-12個之間，根據公式(1)，發動機激發準周期頻率在24-200Hz之間，而經濟車型一般在24-80Hz，高檔汽車的氣缸數較多，其激發準周期頻率40-200Hz。在聲音信號中屬於低頻聲音信號，根據這個頻率特性，可以選擇低頻特性好的聲音傳感器，必要時使用模擬或數字低通濾波，剔除高頻信號的噪音，提高檢測信號的信噪比，從而提高檢測的可靠性。 本發明使用模數轉換技術，將傳感器探頭提取的發動機聲音信號轉換為數位訊號，並使用數字文件記錄，一般使用5-30秒的怠速聲音信號；再使用Origin軟體讀入聲音文件顯示圖形，人工識別準周期信號；FFT提取激發準周期頻率後，再與根據轉速和氣缸數計算得到的理論發動機激發準周期頻率進行比對。
4、發動機正常的判斷依據 比較發動機聲音曲線，有準周期規律(曲線和譜線)；發動機轉速決定的激發準周期頻率與測定數值一致。判定發動機工作狀態是否正常。該兩準則從理論上可行，實際上，到目前還沒有出現失效的情況。反之，則不正常。需要特別說明的是，轉速表的刻度分化，決定轉速表的讀數精度在100轉/分左右，根據誤差的傳播規律，四個氣缸發動機理論激發準周期頻率的精度200轉/分左右，比對出現3. 3轉/秒的差異仍屬正常。由於音頻數據採樣精度大大高於人工讀數的精度，認為FFT得到的激發準周期頻率沒有誤差。
(5)其它適定性問題 聲響信號時空特徵變化和探頭性能問題發動機聲音經過發動機艙後，其信號各頻率組分有很大的變化，尤其是有隔音設計的汽車，高頻信號吸收顯著，相當於低通濾波。
9這樣，利用車內錄音和模擬低通濾波，可以得到數字低通濾波相同的效果。目前所有的錄音測試表明，常用的數位化的錄音設備，如手機、mp3、錄音筆和筆記本電腦均可滿足使用需求。 極端情況考慮對於多缸的發動機，假設大多數的缸是正確的，很容易從通過低通濾波處理後圖像進行識別。如果情況複雜，可結合理論激發準周期頻率，計算出實測數據圖像的正常曲線準周期數，與實際周期數比較，可做出正確的判讀。而多數氣缸工作不正常，發動機工作狀態會產生嚴重問題，不需要檢測就能識別。單缸發動機的聲響曲線比較特別，可比較正常的發動機聲響曲線及其譜特徵，同時，單槓發動機，只有一個氣缸，如果出問題，能夠工作的可能性極小，基本可以排除需要該檢測的需求。
主要參考文獻 [1]交通部審定，汽車駕駛員培訓教材，人民交通出版社，1997。 [2]王輝，直列四缸發動機的振源分析與仿真，機械工程與自動化，2009，5 :
53-55。 [3]王寶安、鄭忠才，汽車V型發動機振動激勵特性的研究，內燃機與動力裝置，2009，5 :9-12。 [4]楊萬裡、許敏、潘影影等，發動機曲軸系統動力學數值模擬研究，內燃機工程，2006,27(1) :45-47。 [5]孫家根、戴龍林、張萬軍等，柴油機噪聲的產生與控制，工程兵工程學院學報，1998,13(4) :43-50。 [6]馬天飛、林逸、彭彥宏等，轎車車內低頻噪聲的仿真計算及試驗研究，中國機械工程，2005， 16(16) :1489-1492。 [7]冷建華、傅立葉變換，清華大學出版社，2004。 [8]周劍平編著，Origin實用教程7. 5版，西安交通大學出版社，2007。
權利要求
一種汽車發動機聲學診斷方法，其特徵在於包括下列步驟①將汽車發動機聲音信號通過數字聲音採樣設備處理成數字聲音信號，並記錄在數據文件中，或直接作為圖像顯示和傅立葉變換數據源；②利用計算機顯示聲音信號圖像；③人工觀測圖像的特徵，如圖像有準周期特徵，則說明發動機工作正常；④選擇穩定轉速3-10秒的聲音數據，做傅立葉變換，得到發動機聲音信號振幅譜，進而得到激發準周期頻率；⑤利用發動機激發準周期頻率與發動機轉速和汽缸數的關係，計算得到理論的發動機激發準周期頻率；⑥比較傅立葉變換測定和理論發動機激發準周期頻率，二者一致時，說明發動機工作正常，反之為不正常。
2. 按權利要求1所述的一種汽車發動機聲學診斷方法，其特徵在於 步驟①中，所述的數字聲音採樣設備選用MP3、MP4、錄音筆或多媒體計算機。
3. 按權利要求1所述的一種汽車發動機聲學診斷方法，其特徵在於 步驟③中，所述的準周期是當若干個周期信號疊加時，如果他們的周期的最小公倍數不存在，則和信號不再為周期信號，但他們的頻率描述還具有周期信號的特點，稱為準周期 信號。
4. 按權利要求1所述的一種汽車發動機聲學診斷方法，其特徵在於 步驟⑤中，所述的理論的發動機激發準周期頻率為f(w) = w/2Xn式中，f為理論發動機激發準周期頻率，o為發動機轉速，n為氣缸數；f(co)就是發動 機轉速為o時，發動機正常工作發出聲音的頻率特徵。
5. 基於權利要求1所述方法的汽車發動機聲學診斷儀器，其特徵在於 包括前後依次連接的聲音傳感器(D、模數轉換器(2)和數據處理器(3)。
6. 按權利要求5所述的汽車發動機聲學診斷儀器，其特徵在於 數據處理器(3)選用常用計算機，在該計算機中植入有商用軟體Origin。
7. 按權利要求5所述的汽車發動機聲學診斷儀器，其特徵在於聲音傳感器(1)和模數轉換器(2)組成數字聲音採樣設備，選用MP3、MP4、錄音筆或多 媒體計算機。
全文摘要
本發明公開了一種汽車發動機聲學診斷方法及其儀器，涉及汽車發動機診斷技術，即一種利用發動機發聲的聲學特徵確定發動機工作狀態是否正常的方法及其儀器。本儀器包括前後依次連接的聲音傳感器(1)、模數轉換器(2)和數據處理器(3)。本發明可為交通管制部門，在不影響道路汽車行駛的條件下，發現行駛中的汽車發動機工作是否正常，實現無接觸診斷，及時排除發動機不正常車輛上路的隱患；也可為其它機動車提供實用診斷技術。
文檔編號G01H17/00GK101782464SQ201010119078
公開日2010年7月21日 申請日期2010年3月3日 優先權日2010年3月3日
發明者羅新宇 申請人:羅新宇