CC BY
64
УДК 534.23
Е. Я. Бубнов, В. В. Гущин
О ПРИРОДЕ СУБГАРМОНИЧЕСКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ В СПЕКТРЕ АКУСТИЧЕСКОГО СИГНАЛА ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Исследование акустических полей источников техногенного происхождения актуально в связи с загрязнением окружающей среды. Несомненный интерес представляет изучение акустических сигналов, создаваемых двигателями внутреннего сгорания (ДВС) в задачах диагностики их работы.
Основным источником звука в волновой зоне, создаваемого ДВС, являются процессы выхлопа продуктов сгорания горючей смеси из глушителя во внешнюю среду. Из-за циклического характера работы двигателя осциллограмма давления выхлопов всех цилиндров должна представлять собой периодическую последовательность импульсов одинаковой амплитуды.
Разложение такой временной последовательности в ряд Фурье позволяет представить давление выхлопа ДВС в виде суммы гармонических составляющих. Частоты гармоник давления связаны с частотой вращения коленчатого вала и числом цилиндров следующей формулой [1]:
/т = тпк13 , (1)
где т - номер гармоники (т = 1, 2, 3, ...); п - число цилиндров; к - число оборотов вращения коленчатого вала, 1/с; / - параметр, характеризующий тактность двигателя (/ = 1 для 2-тактного двигателя, 3 = 2 для 4-тактного двигателя).
В [1] эти частоты излучения звука называются цилиндровыми, т. к. исходная временная последовательность импульсов образуется за счет работы всех цилиндров в целом.
На рис. 1 в качестве примера приведен амплитудный спектр акустического сигнала, создаваемого 4-тактным ДВС на холостом ходу. Частота вращения коленчатого вала составляет 850-900 об/мин, число цилиндров равно 4. Наблюдаемая в спектре гармоника на частоте 29 Гц совпадает с расчетной по формуле (1) основной гармоникой цилиндровой частоты.
Рис. 1. Амплитудный спектр акустического сигнала, создаваемого выхлопом ДВС легкового автомобиля
Экспериментальные измерения звука выхлопа ДВС показывают, что в спектре акустического сигнала, кроме цилиндровых частот излучения, могут присутствовать более низкие субгармонические дискреты. Значения частот субгармоник связаны с цилиндровыми частотами следующим соотношением [1]:
/ШУб = /т/п = тк!3 , (2)
где т - номер субгармоники (т = 1, 2, ... п). Нередко эти составляющие превышают по амплитуде гармоники на цилиндровой частоте и занимают область инфразвуковых колебаний, опасных для здоровья обслуживающего персонала.
Эти частоты выхлопа можно назвать оборотными, т. к. их временной цикл определяется частотой вращения коленчатого вала. На рис. 2 в качестве примера приведен экспериментальный спектр акустического сигнала, создаваемого выхлопом 12-цилиндрового двигателя грузового автомобиля.
Рис. 2. Амплитудный спектр акустического сигнала, создаваемого выхлопом ДВС грузового автомобиля
Первая и вторая гармоники цилиндровой частоты наблюдаются на частоте 64,1 и 128 Гц соответственно. Кроме этих гармоник, в спектре сигнала присутствуют субгармоники, частоты которых кратны 5,4 Гц. Амплитуды субгармоник сравнимы по величине с амплитудами гармоник цилиндровых частот.
Представляет интерес выяснить механизм происхождения низкочастотных гармоник в спектре звука выхлопа.
Одним из возможных источников появления субгармонических колебаний может служить различие в амплитудах выхлопных импульсов давления. Действительно, на формирование амплитуды импульса выхлопа из какого-либо цилиндра, происходящего в замкнутом объеме коллектора, влияют как процесс сгорания рабочей смеси в нем, так и происходящие в смежных цилиндрах процессы газораспределения. Кроме того, в зависимости от конструкции выпускной системы двигателя, длина пути и, соответственно, время распространения импульсов выхлопа от каждого цилиндра до среза глушителя может быть различным, что приведет к неэквидистантному появлению во времени последовательности импульсов давления.
В настоящей работе проведен теоретический расчет спектра импульсов выхлопа для частного случая амплитудной дискриминации, когда амплитуды смежных импульсов находятся в соотношении 1 : 075 : 0,5 : 0,25. Такой характер распределения амплитуд импульсов может иметь место для 4-цилиндрового двигателя. Значения спектральных амплитуд гармоник выражаются формулой
7 2 2
ат +Ьт , (3)
где ат и Ьт - спектральные коэффициенты Фурье разложения сигнала; т - номер гармоники. Уравнения, по которым выполнен расчет этих коэффициентов, в настоящей работе не приведены ввиду их громоздкости.
На рис. 3 представлено распределение амплитуд гармоник в зависимости от отношения номера гармоник цилиндровой частоты к числу цилиндров.
1,0
1 Р/Гц
0,5 ---------
0,0
m/n
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25
Рис. 3. Распределение амплитуд гармоник в случае амплитудной дискриминации импульсов выхлопа
Как следует из анализа картины, на рис. 3 наблюдаются субгармоники при значениях ш/п = 0,25; 0,5; 0,75.
Заключение
Таким образом, предположение о неидентичном характере распределения амплитуд выхлопных импульсов давления позволяет объяснить появление низкочастотных гармоник в спектре акустического сигнала ДВС.
Для устранения субгармонических составляющих необходимо убрать взаимное влияние импульсов друг на друга, что можно обеспечить введением раздельных коллекторов в выхлопной системе. Для дальнейших исследований представляет интерес найти связь между появлением субгармоник и процессами нарушения газораспределения в цилиндрах с целью диагностики работы двигателя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Борьба с шумом / под ред. Е. Я. Юдина. - М.: Стройиздат, 1964. - 700 с.
Статья поступила в редакцию 30.06.2009
ON THE ORIGIN OF SUBHARMONIC COMPONENTS IN ACOUSTIC SIGNAL SPECTRUM OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE
E. Ya. Bubnov, V. V. Gushchin
The mechanisms of the subharmonic components occurrence in acoustic signal spectrum of internal combustion engines have been assumed. The main mechanism, in author’s opinion, is the interaction of acoustic fields, generated by single cylinders’ exhaust strokes, through near fields, as well as complicated spatial pressure redistribution in manifold. These factors result in nonidentity of single exhaust strokes both in amplitude and width. The numerical simulation has shown how one of these factors influences the subharmonic’ occurrence and their quantitative proportions.
Key words: acoustic signal, spectrum, subharmonic, internal combustion
engine.
