汽车发动机声学诊断方法及其仪器

摘要

本发明公开了一种汽车发动机声学诊断方法及其仪器，涉及汽车发动机诊断技术，即一种利用发动机发声的声学特征确定发动机工作状态是否正常的方法及其仪器。本仪器包括前后依次连接的声音传感器(1)、模数转换器(2)和数据处理器(3)。本发明可为交通管制部门，在不影响道路汽车行驶的条件下，发现行驶中的汽车发动机工作是否正常，实现无接触诊断，及时排除发动机不正常车辆上路的隐患；也可为其它机动车提供实用诊断技术。

说明书

技术领域

本发明涉及汽车发动机诊断技术，尤其涉及一种汽车发动机声学诊断方法及其仪器；具体地说，涉及一种利用发动机发声的声学特征确定发动机工作状态是否正常的方法及其仪器。

背景技术

汽车发动机工作时发出声音，其工作状态是否正常，有经验的师傅可以判断出来[1]。但对于一般的人员，就有困难；另外，对于复杂的情况，即使有经验，准确判断也有困难。

许多原因可引起汽车发动机故障警告灯报警，而汽车本身并不存在问题，却不得不进一次修理厂检测，费时费事。大型车辆常有湮缸现象，即燃料不经燃烧排出气缸的现象却毫无觉察，造成燃油浪费、空气污染和车辆动力下降。在汽车制造工厂和修理车间，高级小汽车，有自己的专用汽车发动机工作状态诊断系统，这些系统联合分布在发动机多个关键部位的多组传感器来监控汽车发动机部件的工作情况，从而做出综合判断，但这些装置是专用和复杂的，需专业人员方能操作。

一种能方便使用又不依赖于汽车本身任何装置就能识别发动机工况的仪器，不仅可以减少故障误报和漏报引起的麻烦和问题；对于重要交通要道，如高速公路、桥梁和隧道等的行车正常和交通安全，以及环境保护都有重要意义。

经检索，尚未发现类似本发明的报道。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种汽车发动机声学诊断方法及其仪器。

本发明是一种基于声学无损无接触诊断理论和利用常见的设备集成相应的检测仪器，为检测数量庞大的汽车发动机使用，同时也可发展出高端的通用检测设备，为交通管理部门使用。

本发明的目的是这样实现的：

维修师傅的听诊经验表明，发动机正常工作声响有其规律，不正常亦有其特征，这是发动机工作产生的必然结果。听声音，过于抽象，不利于准确地描述。如将声音的波形和特征，以图像的方式显示出来，提供判读，与医院使用的心电图诊断技术十分相似。不同的是，汽车发动机有多个气缸，且每个气缸因制造精度和安装位置的不同，各个缸体产生的声音信号也有所差别，混合产生的声音信号就较为复杂，而气门开合、发电机、水泵、风机、载荷变化、转速不稳定和环境噪音等产生的复杂信号，将对诊断造成极大的困难。要保证诊断的正确性和实用性，必须建立一套有效的诊断机制：

1、仪器设计要合理，性能优裕，能采集和分离所需高信噪比发动机声音信号；

2、对信号进行人工的分选，找出合适的识别信号；

3、建立简易和可操作的识别判据，使用统计技术克服干扰的影响。

对发动机正常工作发出声音的规律的认识，是发动机诊断的基础。本发明研究的范围仅限制在4冲程发动机及其4冲程的正常工作状态的诊断。

具体地说，本发明包括方法和仪器。

一、汽车发动机声学诊断方法

本方法包括下列步骤：

①将汽车发动机声音信号通过数字声音采样设备处理成数字声音信号，并记录在数据文件中，或直接作为图像显示和傅立叶变换数据源；

②利用计算机显示声音信号图像；

③人工观测图像的特征，如图像有准周期特征，则说明发动机工作正常；

④选择稳定转速3-10秒的声音数据，做傅立叶变换，得到发动机声音信号振幅谱，进而得到激发准周期频率；

⑤利用发动机激发准周期频率与发动机转速和汽缸数的关系，计算得到理论的发动机激发准周期频率；

⑥比较傅立叶变换测定和理论发动机激发准周期频率，二者一致时，说明发动机工作正常，反之为不正常。

二、汽车发动机声学诊断仪器

1、结构

本仪器由前后依次连接的声音传感器、模数转换器和数据处理器组成。

2、工作原理

汽车发动机发出的声响，经声音传感器接收并转换成为电压信号，再由模数转换器处理成数字信号，并记录在数据文件中。试验时使用过MP3、MP4、录音笔和便携计算机，均为满意的结果；记录数据文件，使用音频数据编辑软件和记录提示信息，分选出需要分析的数据片断，通过数据分析显示处理软件显示声音信号图像，并进行快速FFT变换，将时间域的声音信号变换到频率域，并显示其频谱特征图像。这样，就可根据发动机的转速和气缸数(不清楚时可数发动机排气连接管)，得到理论发动机声音准周期频率。观测时间域声音图像，有准周期曲线特征，或者理论准周期与FFT确定的准周期频率一致，则说明发动机工作正常。可以排除干扰因素，又不具备上述特征者，则说明发动机工作不正常，应进修理厂。

本发明具有下列优点和积极效果：

1、将声音信号转换成数字图像信号，为声音特征研究和识别提供有效手段；

2、证实发动机正常工作声音图像具有准周期规律，成为定性识别判据，得到激发准周期频率计算公式，将图像定性判读上升为精确的定量参数比对；

3、发动机、传感器、计算机、声学、信号分析、统计等多科学的交叉融合，建立识别体系，集成数据采集和数据处理系统，形成类似心电图的诊断技术。

4、所有四冲程发动机通用，不依赖于发动机型号，无接触。

总之，本发明是一种类似医院心电图诊断的系统。根据发动机工作原理和经验数据，发现发动机正常工作发声声学图像准周期规律，得到激发准周期频率计算公式，为发动机正常工作状态的诊断提供定性和定量的判据。利用PC计算机和声音传感器，构建汽车日常工况下发动机工况检测平台，建立机动车发动机无接触无损伤诊断的技术方案。本发明可为交通管制部门，在不影响道路汽车行驶的条件下，发现行驶中的汽车发动机工作是否正常，实现无接触诊断，及时排除发动机不正常车辆上路的隐患；也可为其它机动车和发动机提供实用诊断技术。

附图说明

图1是本仪器的结构方框图；

图2是富康16v车发动机怠速的声音信号图像(部分)，横轴是时间(秒)，纵轴是声压(无量纲)；

图3是图2的振幅谱，横轴是频率，纵轴是振幅。

其中：

1-声音传感器；

2-模数转换器；

3-数据处理器；

4-发动机声源；

5-背景噪声。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、方法

1、步骤①中，所述的数字声音采样设备选用MP3、MP4、录音笔或多媒体计算机等。

2、步骤③中，所述的准周期是当若干个周期信号叠加时，如果他们的周期的最小公倍数不存在，则和信号不再为周期信号，但他们的频率描述还具有周期信号的特点，称为准周期信号。

3、步骤⑤中，所述的理论的发动机激发准周期频率为

f(ω)＝ω/2×n

式中，f为理论发动机激发准周期频率，ω为发动机转速，n为气缸数。f(ω)就是发动机转速为ω时，发动机正常工作发出声音的频率特征。

二、仪器

1、总体

如图1，本仪器包括前后依次连接的声音传感器1、模数转换器2和数据处理器3。

2、功能部件

1)声音传感器1

声音传感器1即一种常用的麦克风，将声音转换成模拟电信号。

2)模数转换器2

模数转换器2即一种常用的模数转换器，将模拟电信号转换成数字电信号。

3)数据处理器3

数据处理器3即一种常用的数据处理器，如选用常用的计算机，在该计算机中植入有商用的软件Origin。

4)声音传感器1和模数转换器2组成数字声音采样设备

数字声音采样设备选用MP3、MP4、录音笔或多媒体计算机。

三、检测原理

1、发动机发声原理与激发准周期频率

发动机的发声激发因素十分复杂，与发动机的结构、材料构成、辅助设备以及转速载荷等密切相关，可以说，一种发动机就有一种激发特征，且随发动机工作状态而变化。这方面的研究有一些工作，如直列四缸发动机的振源分析与仿真[2]，汽车V型发动机振动激励特性的研究[3]，发动机曲轴系统动力学数值模拟研究[4]，通过建立发动机运动学、动力学模型，模拟分析发动机的震动激励源，预测曲轴系的振动、强度、疲劳及润滑特性等，研究发动机表面振动特性；有研究认为，车内低频噪声在频域中的尖峰是由发动机往复惯性力激振车身壁板产生[5]对柴油机噪声的产生与控制研究，认为柴油机噪声主要来源于气体脉冲、燃烧和机械运动[6].尽管这些研究是基础的和初步的，侧重点也各有千秋，但共同的特点就是工作过程中4个冲程相关引起的激发。

不管发动机的气缸数量多少，设计时总是让其均匀平稳工作，各个气缸按工作顺序安排相同和固定相位差，发出声音就有准周期规律，并可作为其工作状态是正常的基本特征，是维修听证的基础。该准周期信号是由于发动机工作激发产生的振动引发的声波，根据其产生的物理机制，本文称之为激发准周期频率，由发动机的转速和气缸数决定。对比检查发动机的声音信号的准周期规律，就可以定性识别发动机的工作状态是否正常。根据激发准周期频率参数和理论激发准周期频率，可根据统计参数的定量结果来判断其4个冲程工作状态是否正常。

2、正常发动机声音激发准周期频率理论计算

以四缸直列发动机为例，图2是完好的富康1.6v车发动机怠速的声音图像和声音的频率谱特征，发动机怠速每分钟850转，即14转/秒，富康发动机有四个气缸，气缸每两转完成一个工作周期，0.5秒的时间有14个准周期，每个准周期的图像虽有所差别，但基本一致。可以认为是发动机正常工作准周期规律的正常图像。右边是左边图像FFT谱特征，利用FFT变换，可将时间域的曲线转换为频率域[7]，利用分析作图软件Origin[8]对采样数据作FFT变换和作图，第一个谱峰对应28周/秒的频率，为激发准周期频率，也就是发动机的在怠速下，4个气缸工作激发出声音信号的一个频率特征。第二个谱峰频率56周/秒，是第一个谱峰的倍频，在谱分析中常见的现象。正常理论值与测定数值一致，说明发动机工作状态正常。

四冲程发动机曲轴转两周，气缸完成一个完整的工作周期，按照发动机设计均匀工作的原则和图1的经验数据，很容易得到发动机转速、气缸数数与发动机工作声音信号的激发准周期频率关系，并推广至一般发动机，

f(ω)＝ω/2×n    (1)

式中，f为理论发动机激发准周期频率，ω为发动机转速，n为气缸数。f(ω)就是发动机转速为ω时，发动机正常工作发出声音的频率特征。这可以提供一个频率比对标准。检测到的准周期频率与理论计算的发动机发声准周期频率一致，就可判定发动机工作正常，从而将定性的准周期图像识别定量化。可为计算机自动识别和人工识别降低难度。反过来，通过测定的激发周期频率反推发动机转速，根据(1)式有，

ω＝2f(ω)/n    (2)

也可用于研究转速表的准确性和读数精度。

表一是检验公式(1)或(2)发动机转速与准周期频率关系所做的实验部分采样，利用汽车油门控制汽车发动机空转转速，频率采用怠速、1000、2000、和3000转/分，个别有达到4000转/分，分别得到20秒左右的声音信号，经FFT变换得到采样音频信号的频谱特征，根据谱峰判读获得激发准周期频率，并与利用转速表读数和气缸数得到的理论准周期频率相对照，或反过来利用激发准周期频率推算应有的转速，与转速表读数相比对。表一给出了该实验的有关数据。通过FFT判定实际转速与转速表读数差值的统计均方差为±49转/分，该误差在转速表读数精度引起的误差范围之内，说明公式与实际情况符合很好。该检测试验使用了3，4，6个气缸的发动机，具有广泛的代表性，其它未列出数据也有相似的统计规律，再结合发动机激发机理，公式(1)和(2)得到检验。

表一，激发准周期频率计算与实测比较

注：序号为22和23只有怠速数据，Spark 0.8MT 3缸车没有转速表，怠速为车主提供。

3、数据采集与分析

现在常见的汽车转速在800-5000转/分，气缸数量在3-12个之间，根据公式(1)，发动机激发准周期频率在24-200Hz之间，而经济车型一般在24-80Hz，高档汽车的气缸数较多，其激发准周期频率40-200Hz。在声音信号中属于低频声音信号，根据这个频率特性，可以选择低频特性好的声音传感器，必要时使用模拟或数字低通滤波，剔除高频信号的噪音，提高检测信号的信噪比，从而提高检测的可靠性。

本发明使用模数转换技术，将传感器探头提取的发动机声音信号转换为数字信号，并使用数字文件记录，一般使用5-30秒的怠速声音信号；再使用Origin软件读入声音文件显示图形，人工识别准周期信号；FFT提取激发准周期频率后，再与根据转速和气缸数计算得到的理论发动机激发准周期频率进行比对。

4、发动机正常的判断依据

比较发动机声音曲线，有准周期规律(曲线和谱线)；发动机转速决定的激发准周期频率与测定数值一致。判定发动机工作状态是否正常。该两准则从理论上可行，实际上，到目前还没有出现失效的情况。反之，则不正常。需要特别说明的是，转速表的刻度分化，决定转速表的读数精度在100转/分左右，根据误差的传播规律，四个气缸发动机理论激发准周期频率的精度200转/分左右，比对出现3.3转/秒的差异仍属正常。由于音频数据采样精度大大高于人工读数的精度，认为FFT得到的激发准周期频率没有误差。

(5)其它适定性问题

声响信号时空特征变化和探头性能问题：发动机声音经过发动机舱后，其信号各频率组分有很大的变化，尤其是有隔音设计的汽车，高频信号吸收显著，相当于低通滤波。这样，利用车内录音和模拟低通滤波，可以得到数字低通滤波相同的效果。目前所有的录音测试表明，常用的数字化的录音设备，如手机、mp3、录音笔和笔记本电脑均可满足使用需求。

极端情况考虑：对于多缸的发动机，假设大多数的缸是正确的，很容易从通过低通滤波处理后图像进行识别。如果情况复杂，可结合理论激发准周期频率，计算出实测数据图像的正常曲线准周期数，与实际周期数比较，可做出正确的判读。而多数气缸工作不正常，发动机工作状态会产生严重问题，不需要检测就能识别。单缸发动机的声响曲线比较特别，可比较正常的发动机声响曲线及其谱特征，同时，单杠发动机，只有一个气缸，如果出问题，能够工作的可能性极小，基本可以排除需要该检测的需求。

主要参考文献

[1]交通部审定，汽车驾驶员培训教材，人民交通出版社，1997。

[2]王辉，直列四缸发动机的振源分析与仿真，机械工程与自动化，2009，5：53-55。

[3]王宝安、郑忠才，汽车V型发动机振动激励特性的研究，内燃机与动力装置，2009，5：9-12。

[4]杨万里、许敏、潘影影等，发动机曲轴系统动力学数值模拟研究，内燃机工程，2006，27(1)：45-47。

[5]孙家根、戴龙林、张万军等，柴油机噪声的产生与控制，工程兵工程学院学报，1998，13(4)：43-50。

[6]马天飞、林逸、彭彦宏等，轿车车内低频噪声的仿真计算及试验研究，中国机械工程，2005，16(16)：1489-1492。

[7]冷建华、傅里叶变换，清华大学出版社，2004。

[8]周剑平编著，Origin实用教程7.5版，西安交通大学出版社，2007。