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第八章 动态测试数据处理主要内容本章的主要内容有：汽车行驶平顺性的试验评价、振动信号的处 理、研究汽车行驶平顺性常用的方法、汽车噪声的测量、动态数据处理中的泄 漏和动态信号处理的栅栏效应与细化技术。动态测试数据处理一直是工程测试领域的重点和难点问题，工程测试工程师从未间断 过对它的研究。各工业领域对动态测试数据的研究方法较为相近，但由于不同工业领域进行 动态测试的要求、目的和对象的不同，所以对动态测试研究的侧重点不同，所以对动态测试 研究的侧重点有所不同。对于汽车产业而言，动态测试研究的重点是振动和噪声。所谓噪声是指人们所不愿意听到的声音，而声音的实质是振动频率在一定范围内的机 械纵波。由此可见，噪声也是由机械振动引起的。正因为如此，汽车振动试验的数据处理方 法大多运用于噪声的研究，这就是本章将不把噪声测试的数据处理问题作为重点进行讨论的 原因。汽车振动研究十分复杂，且涉及到多个层面，如汽车的行驶平顺性问题、汽车的结构 强度问题等。关于汽车结构强度问题的动态研究已形成了一个独立的学科一汽车的试验模 态分析，有兴趣的同学可以去研读相关的内容，本章的重点是以汽车行驶平顺性为例来讨 论汽车动态测试的数据处理问题。8.1 汽车行驶平顺性的试验评价试验数据处理的目的是要对试验结果进行评价,为此我们先来了解一下汽车行驶平顺性 的评价方法。关于汽车行驶平顺性的试验评价，国际标准化组织多年的努力和各国专家的智慧均体现 在国际标准ISO 2631中。我国也制定了相应的国家标准GB4970汽车行驶平顺性随机输入 试验方法。国家标准GB4970中列出了三种汽车行驶平顺性试验的评价方法，分别是,倍频程分别3评价、加速度加权均方根值和吸收功率等。工倍频程分别评价和加速度加权均方根值的评价方法是基于人体对振动的反应而提出3来的，其评价指标为：（1 舒适降低界限（用于客车和轿车）；（2 疲劳降低工作效率界限（用于货车和越野车）；（3 暴露极限。舒适降低界限：与舒适有关，它用来评价人在车上是否能进行吃、读、写等正常活动。疲劳降低功效界限：与持续工作效率有关。是指驾驶员所承受的振动在此界限内，是否 能保持正常有效地驾驶操作。暴露极限：人体承受的振动在此界限内应保持健康和安全。它是人体承受振动能量的上 限。舒适降低界限、疲劳降低工作效率界限和暴露极限三者的关系是，振动加速度的均方根值4彼此相差10dB,或者说三者指标的加速度均方根值彼此相差3.15倍。汽车行驶平顺性试验中的无量纲dB和噪声测量中的dB具有几乎相同的概念，它是为 了表达上的方便所采用的对数表达式。将所测的汽车振动加速度均方根值取对数后再乘以20便是振动测量中的丰碑值，即201g1。201g3.15正好等于10dB。吸收功率：是根据人体对振动强度的承受能力提出来的。由于国家标准中只给出了吸收 功率的试验和计算方法，而没有相应的评价指标，所以此试验评价方法在实际中应用不多。然而，由于BqK2512人体振动分析仪的大量引进，且该仪器系统的组成简单、使用十分方 便，所以BqK2512所采用的另一种汽车行驶平顺性试验评价方法一总的加速度加权均方根 值的评价方法近些年被补充进国家标准GB4970o8.1.1 三种试验评价方法的关系工倍频程分别评价是将试验所设定的分析频段按照如下关系：31f/。（8-1 式中：力、力一分别为多个频带上的上限和下限频率。分为若干个频带，计算出每个频带上振动加速度的均方根值。切，然后将其与国家标准中的评价指标进行比较，以确定汽车行驶平顺性的水平。为了方便表达每个频带上的数值,按g倍频程所分出的每个频带均用中心频率力，其数值为：（8-2）国家标准中规定，客车和轿车行驶平顺性试验的分析频率范围为0.1Hz100Hz,货车和 越野车行驶平顺性试验的分析频率范围为0.1Hz500Hz,按照,倍频程的分频方法可得到 3工倍频程各频带的上限频率、下限频率和中心频率（见表8-1.3倍频程各频带的上限频率、下限频率和中心频率 表8-1序号中心频率力（Hz 下限频率ft Hz 上限频率fu Hz 序号中心频率fi Hz 下限频率ft（取）上限频率fu Hz 11.00.91.12152522.42821.251.121.41631.52835.531.61.41.81740.035.54542.01.82.241850.0455652.52.242.81963.0567163.152.83.552080.0719074.03.554.521100.09011285.04.55.622125.011214096.365.67.123160.0140180108.07.1924200.01802241110.0911.225250.02242801212.511.21426315.02803551316.0141827400.03554501420.01822.428500.0450560加速度均方根值的评价方法是利用频率加权函数段（力）将人体最敏感频率范围以外的个频带人所承受的加速度均方根值。质折算为等效4Hz8Hz（垂直振动）、1Hz2Hz（水平振 动）的数值。由。%二）为 3 式中：。由一加速度加权均方根值；心,一各个频带上的加速度均方根值；川（力）一频率加权函数。垂直振动 10.5斤以力=1.0 8/(力44)(4Z 8)水平振动坟（力）=1.02/力(1Z 2)力一各频带的中心频率。有了,倍频程各频带上的加速度均方根值。由，按式 8-3 便可计算出各频带上的加速度加3权均方根值。齿，再将。齿与标准中最敏感频率范围（垂直振动:4Hz8Hz,水平振动：1Hz2Hz 内的评价指标（见图8-1 进行比较便可得到暴露时间TCD,TCD越长，汽车的行驶平顺 性越好。“修工”修-1.-一二-k二二-._+L;-三。二.1 一；二,二工：工穿一居W手豆*，匿ii,MKi JEi(uwHL 皿*lKr-4 IWT*Kt)i*Ht图8-1汽车行驶平顺性评价曲线总的加速度加权均方根值的评价方法是将上述各频带上加速度均方根值按下式进行叠 加，便可得到总的加速度加权均方根值1z。对于总的加速度加权均方根值，人们习惯于用对数 表达，其单位为分贝（dB,即：Leg=201g%=201g 肉（8-5 式中：Leg一总的加速度加权均方根值对数值，常将其称为振动加速度的等效均值；儿一频带数，对于客车和轿车，=20,对货车和越野车，n=28oLeg值越小，汽车的行驶平顺性越好。国家标准中，也已给出了 Leg的限值指标。由前面的分析并比较式 8-3 和 8-4 可知，-倍频程分别评价和加速度加权均方根值的3评价方法，其实质是一致的，所不同的是：,倍频程分别评价需将每个频带上的加速度均方3根值与对应频带上的指标值进行比较，便于获得多个暴露时间,其中暴露时间最短者 小min就是该车的行驶平顺性所能到达的指标值；加速度加权均方根值的评价方法是，将各频带上加速度加权均方根值中的最大者。山加人拿出来合最敏感频带（垂直振动：4HZ8HZ,水平振动：1Hz2Hz 上的指标值进行比较便可得到该车行驶平顺性的暴露时间小。显然,二者的结果完全相同。前者是先比较后找出最小的暴露时间小；后者是先找出影响行驶平 顺性最大的那个频带上加速度加权均方根值，再和指标值进行比较得到最小的暴露时间 TCDO而总的加速度加权均方根值却不同，它是各频带上加速度加权均方根值叠加的结果。对于客车和轿车而言，在分析频段内有20个工倍频带，若每一个频带上的加速度加权均方 3根值都相等，即区1=巴2=%20=4 ，则总的加速度加权均方根值丐名为：%=思%2=而4。=4.472Go（8-6 由此可见，总的加速度加权均方根值和加速度加权均方根值是两个完全不同的概念，若二者 都用来评价汽车的行驶平顺性，显然是基于两个完全不同的思想。加速度加权均方根值评价方法是基于人体对振动反映的大量调查而提出来的，该评价方 法认为，汽车行驶平顺性的好坏，是由对人体影响最大的那个频带上的振动量所决定的；总 的加速度加权均方根值的评价方法却不同，它是对人体所承受振动总量的一个考核。该评价 方法认为，若汽车在行驶过程中，因路面的不平所激起的振动越激烈，则汽车的行驶平顺性 越差。显然，对客车和轿车而言，用！倍频程分别评价或用加速度加权均方根值评价汽车行驶3平顺性比较科学；而对于许多除了载人外其主要功能是运载货物的其它车辆，其行驶平顺性 的研究内容除人体对振动的反应外，还应包括货物载运输途中不受损坏的内容。货物只对振 动的总能量敏感，对振动频率不敏感。由此可见，欲评价除客车和轿车之外的其它车辆的行 驶平顺性最科学的方法是对于驾驶员座椅处,采用-倍频程分别评价或加速度加权均方根值 3的评价方法；对于货箱（或货舱）部分则应采用总的加速度加权均方根值的评价方法。综上所述，工倍频程分别评价、加速度加权均方根值的评价和总的加速度加权均方根值 3的评价方法的关系是，个量和总量的关系。前二者考核的是单个对人体影响最大的频带上的 振动量（加速度均方根值），后者是整个分析频率范围内的振动总量，此两种评价方法各有 其最合适的应用范围。当然，每个频带上的加速度加权均方根值不可能相等，即一般性情况下实际的总的加速 度加权均方根值巴Z比式（86 的计算值?z要小，即8.1.2 三种试验评价方法的应用关于汽车振动的研究，我国起步较晚，1985年才有相关的标准，即GB4970-85汽车平 顺性随机输入行驶试验方法。该标准的主体部分来自于国家标准ISO 2631,但只节选了其 中乘员对振动反应的一部分。标准中列出了,倍频程分别评价、加速度加权均方根值的评价3及吸收功率等三个试验方法及前两项试验的评价方法和最终的评价指标，即暴露时间小0用此方法较容易比较不同测量行驶平顺性的优劣。暴露时间小越长，汽车的行驶平顺性越好。GB4970于1996年作了一次修订，将原来的一个标准分解成了两个标准，即GB4970-1996 汽车平顺性随机输入行驶试验方法和QC/T-474-1999客车平顺性评价指标及限值。此两个标准加在一起的主体内容和原标准GB4974-85基本相同，但在评价方法和评价指标上 做了一些修改，删除了吸收功率的试验内容，增加了加速度加权均方根值及等效均值（即总 的加速度加权均方根值）的限（见表8-2。汽车行驶平顺性评价指标限值 表8-2评价指标大、中型客车轻型客车旅游客车长途和 团体客 车城市客车高级客车普通客车空气悬 架非空气 悬架加速度加权 均方根值（mis1）0.45950.70791.02741.12200.68330.8123等效均值Leg（dB）113.0117.0120.0121.0116.52.51.00.50.41.20.8从两个标准的整体上看，修订后的标准更贴近汽车质量抽查试验。事实上汽车行驶平顺性试 验远不止这些内容，它还包括驾驶员的手臂振动、晕车界限（包括降低舒适和极度不适两项 内容）、查找汽车行驶平顺性差的原因及探寻改进汽车行驶平顺性措施等。图8T给出了人 体、驾驶员手臂对不同频率的反映特性。从图中可以看出小于1Hz的低频振动容易导致乘客 晕车。图8-1中的五项汽车行驶平顺性的评价内容中，各用什么方法进行评价较为合适呢？图8-2人体对振动反应的特性曲线方向的振动，应用工倍频程分别评价或加速度加权均方根值的方法进行评价；对驾驶员的手3臂振动及晕车极限，尽管它们都表现为对某一频率范围非常敏感，但振动总能量对其的影响 也不可忽视，因此它们较适合同时用总的加速度加权均方根值和加速度加权均方根值进行评 价；若欲查找汽车行驶平顺性的原因和探寻改善汽车行驶平顺性的方法，则应采用工倍频程 3分别评价的方法(以了解振动能量在各频带上的分布)和测出振动系统的传递函数或频率响 应函数。由第二章对动态系统的分析知，系统的输出、输入和频率响应函数的关系为：y(j=H(jx(j(8-7)若将式(8-7)与滤波器的工作原理进行对比不难发现，频率响应函数的作用就像是一个滤波 器，若要减小某些频带上的振动量，只需调节滤波器的参数，使之在这些频带上的衰减增加 既可。由此可见，欲改善汽车行驶平顺性，测试系统的频率响应函数非常重要。8.2振动信号的处理在进行振动信号处理之前，应了解振动信号处理的基本要求，配信号处理设备(如选用 何种滤波器、什么样数据采集系统等)和对信号处理设备的参数进行位置，使之得到一个满 意的试验结果。8.2.1振动信号处理的基本要求1.截断频率力1)对于客车、轿车座椅和各类车辆驾驶室座椅上的采样，fc=100Hz；2)各类车辆(包括客车和轿车)车厢底板及车桥上的采样，fc=500Hz；3)驾驶员手臂振动的测量，/=1000Hz；4)晕车界限的测量，fc=2Hz.2.采样时间间隔由仙农(Shannon)采样订立知，为了避免频率混淆，采样频率力应不小于信号频率成分中最高频率7max的两倍，即：fs2f_=2fc(8-8)采样时间间隔4是由采样频率决定的，其关系为：At 200Hz,AZ 1000Hz,A O.OOk；3)驾驶员手臂振动的测量，其采样频率和采样时间间隔为/220007ft,N 4Hz,AzOo工倍频程各频带上加速度均方根值品为3(8-20)式中：,一中心频率为力所对应频带上的加速度均方根值；力、九一分别为各频带上的下限和上限频率；%一中心频率为力所对应频带上加速度时间历程进行富氏变换。式(8-20)式汽车振动信号处理中计算加速度均方根值常用的计算方法，即先对加速度的 时间历程进行富氏变换，再按频带进行积分。2.加速度加权均方根值下式是早期计算振动加速度加权均方根值常用的方法：(8-21)式中：。出一加速度加权均方根值；何力)一频率加权函数；4n.一加速度均方根值。式(8-21)告诉我们，欲得到加速度加权均方根值，首先需按式(8-20)计算出工倍频程各频带3上的加速度均方根值。出，再将其乘以频率加权函数可力)。随着滤波技术的发展，加速度加权均方根值的计算又有了另一种方法，即先对加速度时间历程工)进行频率加权处理，其方法是，用具有图8-1所示特性的滤波器对工)进行滤波，显然这一滤波过程就实现了 对时域振动信号无。)的频率加权处理。再对经过频率加权处理的振动信号无进行富氏变 换得工(7),将其代入式(8-20)便可得到加速度加权均方根值4；。在工程上能实现对时域振动信号进行频率加权处理的滤波器称为频率负荷滤波器，简称 负荷滤器。由图8-1不难发现，图中所给出的滤波器特性似乎更接近实际的滤波器特性，所 以这类滤波器并不难制造。3.总的加速度加权均方根值式(8-4)是总的加速度加权均方根值的原理式，事实上在工程实际中很少采用这种计算 方法。那么如何获得总的加速度加权均方根值呢？前面介绍过自相关函数的两种计算方法,其一是：Rx(0)二1匚/力=1%2 力(8-22)则加速度的均方根值O-为：0二eJ山(8-23)若式中的振动信号(加速度时间历程)了。)是仅经低通滤波器处理的包括整个分析频率的 振动信号,则按式(8-23)计算出的加速度加权均方根值就是分析频率范围内的总的加速度均 方根值；若了。)是经具有图8-1所示特性的负荷滤波器处理的时间信号将其代入式(8-23)所计算出的加速度均方根值就是分析频率范围内的加速度加权均方根值巴名。为了便 于区别，将式(8-23)改写成如下形式：二力 乐24)式中：T 采样时间，为了保证数据处理的精度，T应有足够的长度，国标中规定 T 3 min；了于一经频率加权处理的振动信号。前面述及，总的加速度加权均方根值常用对数表示，将其称为加速度的等效均值入空，即：Leg=201g J。(8-25)采用式(8-24)处理汽车振动信号的典型设备有丹麦毕凯(BqK)公司生产的人体振动分 析仪BqK2512。该一起处理振动信号的原理式为：Leg=20 lg J(第京 记-26)式中：Leg一加速度的等效均值，dB；T一采样时间，s；)一经频率负荷滤波器处理后的加速度时间历程，mis2 o将式(8-26)略作改造：Leg=201g106xj2(t)dt=120+201g 力(8-27)120期在噪声测量中，它所对应的是痛阀的声压极值，即当噪声达到120期时，将对人体 健康构成直接危害。对于汽车振动而言，同样如此，若测的汽车振动加速度的等效均值达到 120d5,它也将对热体的健康构成影响。比较式(8-25)和(8-27)发现，除式(8-27)中多了具有重要特征的常数项120之外，此两 式几乎完全等价。显然，BqK2512所采用的是总的加速度加权均方根值的评价方法。QC/T474-1999客车平顺性评价指标和限值中的等效均值Leg的限值是基于用BqK2512人体振动分析仪对大量客车进行试验的结果提出来的，因此若用Leg的限值指标进行评价汽车的行驶平顺性，则应按式(8-27)对振动信号进行处理4.频率响应函数在第二章第六节中介绍过两种测量系统动态特性的方法，即正弦输入法和脉冲输入法。对于测试用仪器系统，前面的分析告诉我们，脉冲输入法是获得测试用一起系统频率响应函 数简单易行的方法；正弦输入法与之相比显得费时而麻烦。尽管如此，但脉冲输入法用在汽 车整车以获得频率响应函数却有一些较难克服的困难：(1)汽车整车的重量和体积均很大，振动系统复杂；(2)对于大型复杂结构，若用单点激振，由于能量太小，难达到预想的效果,用多点激振，欲获得所需的频率响应函数，在技术上上存在一定的困难。而正弦输入法在有 效设备条件的情况下不失是一种获取汽车整车频率响应函数的一种有效方法。正弦输入法求汽车整车频率响应函数的方法与第二章中介绍的用正弦输入法求测试系统动态特性的方法完全相同，即给汽车某一频率目的正弦输入引=Xsin可小 用加速 度传感器测出设定测点上的输出，逐渐按一定的步长分级改变输入正弦波的频率 匕。)=Xsin用/(i=l,2,3,同步记录输出。)。当输入的幅值X。不大时，可将 汽车看成是一个线性系统，如此输出外即为：y.(/)=Yt sin(+外)(8-28)将各种频率例下所测得输出的幅值匕与输入幅值之比便可得到幅频特性得离散值()3)Y(阿)=”(8-29)*0Y各种频率域输入下所测得的相位差已就是相频特性的离散值，将幅值比,和相位差9分 X。别描到坐标图上就是所测系统幅频特性和相频特性的离散序列：正弦输入法求汽车整车频率响应函数的具体步骤如下：1)将被测汽车置于汽车整车振动试验台上，并在设定位置，如汽车前排、中排、后轴 上方和后排座椅上分别装上加速度传感器。2)分别单独给四个车轮正弦输入，各车轮的输入分别为的(。、五、七,)和 x4.(0,且它们都相等，即 xu(0=x2i(0=x3.(/)=x4.(0=X。sin 0)。3)用传感器记录各种不同频率3下各车轮单独输入时的输出 ymni(0=Ymni sint+(pmni)(加一输入点的编号，机=1,2,3,4分别表示前左、前右、后 左、后右车轮；一输出点的编号，二 1,2,3,4分别表示前排、中排、后轴上方和后排座 椅处)。4)计算频率响应的幅频特性和相频特性Y中(8-30)emn(j3j=(pmm(8-31)频率响应函数“抽(/3)为Y5)在坐标纸上画出频率响应函数的幅值随频率例变化的离散序列和相位 差4)3)随例变化的序列图，便得到了输入点机(机=1,2,3,4)到输出点(1=1,2,3,4)的幅频特性和相频特性。8.3 研究汽车行驶平顺性常用的方法从理论上讲，应用试验的方法测出汽车整车的频率响应函数，然后针对频率响应函数的 幅频特的特点，采取适当的技术措施(调整震动参数)，使之对人体最敏感频率范围的振动 具有较强的衰减特性。因为式(/&)=(/&)X(/g)告诉我们，汽车被测点的输出就是路 面不平所激起的震动(系统的输入)经车轮到被测点之间的振动系统所组成的“滤波器”对 其滤波的结果。然而，从前面对获取汽车整车频率响应函数的讨论中不难发现，用前面所述 的一种从技术上可行的正弦输入法获取汽车这一复杂振动系统的频率响应函数存在如下严 重不足：（1 频率响应函数是单个车轮正弦输入所获得的结果，汽车在行驶时，其输入同时来自四个车轮，而系统多点输入的频率响应函数的获取，目前尚没有一个准确易 行的试验方法；（2 由车轮到汽车座椅的振动系统，它是由多个系统串、并联所组成的复杂 系统，导致汽车行驶平顺性差的问题究竟出在哪一个环节，从”.（丁中不能获知，如此 便不知从何处采取技术措施。正因为如此，现有的技术条件下，研究汽车行驶平顺性问题常 不用测系统传递特性的方法，而是采用随即输入法或试验模态分析法（关于试验模态分析法,它是一门专门的学科，有兴趣的同学可以去查阅相关书籍）。下面就来讨论最常用的随即输 入法。随即输入法是在汽车振动传递的各个环节上，如车轴（或轮毂上）、车身底板及座椅上 都装上三向加速度传感器，然后将汽车开到各种不同的典型路面（如砂石、沥青及混凝土路 面）上以不同的车速匕（从某一低速，如匕=30Km/z开始，逐渐提高汽车行驶速度直到片=80%匕皿）行驶，分别测出不同路面和不同车速下的车轴、车身底板及座椅上的加速度时 间历程以见）（机=1,2,3分别代表车轴、车身底板和座椅三个部位；几=1,2,3,4分别代 表在三个不同部位中的四个不同测点，如%KO表示车轴上的第四个传感器的输出；，为试 验序号，一种路面用一种车速进行的试验称为一次试验，如在不同路面上，每种路面测十种 不同的车速，则实验次数为/=1,2,30。然后用下式计算出每次试验各传感器输出的加 速度均方根值(8-32)式中：4碗，一第根部位的第九个测点第，次实验;倍频程各频带上的加速度均方根值;力、九一g倍频程各频带的下限频率和上限频率；T一采样时间，为了保证测试进度，T应为35min；先时一第m部位的第n个测点第j次实验三向加速度传感器输出时间历程的富氏变 换，i为,倍频程的频带序号。3若某被试车辆的行驶平顺性不够好，显然是座椅上振动的输出不够理想，即要么是座 椅上振动的输出能量在各频带上分布不合理，如振动能量在人体最敏感的频率范围（垂直振 动4Hz8Hz,水平振动1Hz2Hz,晕车界限0.1Hz1Hz 内的加速度均方根值较大；要 么是振动输出的总能量较大，即各频带上加速度均方根值均较大。那么汽车行驶平顺性不好 原因何在呢？首先我们来看看车身底板上输出的数值区2哂，若42哂的数值较小，则说明 问题出在座椅上；若巴2哂均较大，则要看车轴上的输出?班，若巧班较小，则说明汽车悬 架设计不合理；否则说明轮胎的选用有问题。若只是某种路面、或某几种车速，座椅上的振 动输出g碇较大，则说明振动系统的固有频率设计得不合理。显然，有了随机输入下汽车各振动频率环节上的振动输出/加哂，则可以帮助人们去查 找汽车行驶平顺性不好的原因。止匕外，由于随机输入能够较好地反映汽车的实际状况，且易 于操作，因此它是研究汽车行驶平顺性中常采用且有效的试验方法。8.4 汽车噪声的测量噪声具有两个基本特点：(1)它是一种可闻声波，即振动频率在2020000Hz之间的 声波；(2)它是人们所不希望听到的声音。人们喜欢听到的声音是美妙的音乐，汽车运行所 发出的声音显然不可能是美妙的音乐。根据这样的两个特点，汽车运行所发出的声音无论大 小、强弱均属噪声。噪声是一种机械纵波，它在介质中传播时的压力与无声波传播时的静压 力之间有个差额，称为声压0,它是测试仪器容易测得的物理量。当然，表征声音的物理量还有声强/和声功率W，但它们通常是通过声压p计算得到的。噪声信号的处理常用的有两种方法，即(1)声压的倍频程分析；(2)声压总的均方根 值。8.4.1声压的倍频程分析可闻频率范围20Hz20000Hz的声波按照倍频程的方法，即力/力二2(8-33)式中：九、力一上限和下限频率。将其分为若干的频带，计算出各个频带上声压的均方根值，即为声压的倍频程分析，按倍频 程所分出的每个频带常用中心频率力表示，见表8-3。倍频程各频带的上、下限频率和中心频率(8-34)表8-3中心频率力(Hz)下限频率力(Hz)上限频率九(Hz)中心频率力(Hz)下限频率力(Hz)上限频率九(Hz)31.522.5451000700140634590200014002800125901804000280056002501803558000560011200500355710160001120022400设所测得声压的时间历程为p(t),则按下式便可得到各频带上声压的均方根值。*=(8-34)V L JI式中：生,一中心频率为力所对应频带上的声压均方根值；力、九一分别为各频带上的下限频率和上限频率；化一中心频率为力所对应频带上声压时间历程的富氏变换。8.4.2声压总的均方根值物理学家韦伯（Weber 的大量试验发现，人耳对声音的感觉（听觉）和客观物理量（声 压、声强）之间并不是线性关系，而是近似于对数关系，即人的听觉随刺激量的增大逐渐趋 于迟钝。为此人们引出了一个成倍比关系的对比量一声级和A、B、C三个计权网络，其中A计权网络是按照人耳的特性对声压的时间历程进行滤波（它相当于汽车行驶平顺性中的频率加权），C计权网络对不加衰减，因此它反映了声压的总量，B计权网络介于A、C之间，如图8-3所示。40 50 100 200 300 400 500 1000 2000 4000 60003000 5000银率 Hz 图8-3声级计计权网络特性曲线所谓计权网络就是一特制的滤波器，声压的时间历程经计权网络衰减后的时间历 程用p（。表示，这一过程显然和汽车平顺性分析中的频率加权是同一概念。将p 代入下 式便可计算出声压总的加权均方根值。力(8-35)式中：T一为采样时间。将声压总的加权均方根值用声压级表示即为:4=201g*=201gP。Po(8-36)式中：Lp一声压级，dB；pQ一听阀声压，N/m2 o用声压计所测得的噪声值就是声压级，式(8-35)和(8-36)是声压级处理噪声信号的原理 式。比较汽车振动和噪声信号的处理方法不难发现，二者的原理和方法几乎完全相同。8.5动态数据处理中的泄漏图8-4是某次试验所记录下的汽车振动加速度的时间历程X。)，欲对该动态信号进行分析，就需要按照采样原理对工。)进行分段截取。如何实现对动态信号的分段截取呢？最简单的方法是用矩形函数fl t tm=m(8-37)。I屋与动态信号工。)相乘,BP：x(t)t T显然,在设定的时间段，T内)%)=x(r)o图8-5(a)是矩形函数)的曲线,图8-5(b)是元)与)相乘的结果。从图8-5(b)中可以看出，用灰。去截取动态信号就好比是打开了一个窗，因此将矩形函数式(。称为矩形窗函数。进行动态信号处理时不可避免地要用到窗函数。图8-5用矩形窗截取的动态信号(a)矩形窗函数(b)用矩形窗函数截取动态信号的状态进行动态信号的处理可以将其归纳为两种方法。一种是在时间域内对动态信号进行验算 得到所要的试验结果，式(8-14)、(8-25)和(8-36)均属此类，通常将这种方法称为动态信号 的时域分析法;另一种是将动态信号通过富氏变换将其转换到频域后再作计算而得到试验结 果，式(8-20)和(8-34)即属此类，这种将动态信号转换到频域处理的方法称为动态信号的频 域分析法。对于动态信号的时域处理，再设定的时间段内，由于=所以用矩形窗函 数)去乘以式(8-14)中的玉、(8-25)中的十(。或(8-36)中的夕，然后再进行积分运算，所得的结果和原来完全一致，即窗函数的引入不会改变动态信号的处理结果。对动态信号的频域处理，情况会有些不同，因为尸,尸 1,若仍用 尸,王去代替式(8-20)中的玉(/)(尸%)=%(/),用尸口去代替式(8-34)中的.(7)(尸化)=2(/)，则必然带来误差。为了帮助同学们对此问题的理 解，下面举一个最简单的例子。fl tT例设兄=4 cos 2冬后，u(t)=丁解：由频域卷积定理知，网“%闻=-*/口彻=U(/)*X(/)X(/)=匚4 cos 2兀25dt 吟-+Jo)sin2%=讶力=(2兀JT J _00,2T/=0由于。(/)*X(/)的数学计算十分麻烦，在此采用图解法，如图8-6所示。从图中可 以看出，由于积分区间的有限性，使得尸在4处的脉冲变为以4为中心的图8-6卷积的图示表达吧4型连续函数。这个连续函数在原脉冲位置4处达到最大值必W,从而形成曲线的 a 2%主峰，称为主瓣。在主瓣两侧还出现一系列小峰，称为副瓣。原来集中于一个频率上的功率,由于副瓣的存在，被分散到一个较宽的频带上，这种功率分散的效应称为泄漏。事实上泄漏 就是在信号处理过程中所产生的误差。显然泄漏的产生，降低了动态信号分析的精度。上述特性可以推广到任意类型的函数。图8-7(a)是某一振动信号用时域法得到的结果,图8-7(b)是用矩形窗函数在频域中计算得到的结果。从图中可以看出，原本比较光滑的曲图8-7泄漏时动态信号处理的影响(a)时域计算结果(b)用矩形窗函数在频域中的计算结果线X(/),用频域法经加矩形窗处理后，它就变成了一条充满“皱波”的曲线，为了便于区别用(/)表示。皱波的形成就是泄漏所带来的数据处理误差。由上述的分析知，泄漏出现在频域分析中，时域分析没有泄漏。产生泄漏的原因是窗函 数，而窗函数又是动态数据处理不可不用的，那么如何减小或抑制泄漏呢？下面介绍两种常 用的方法。8.5.1选用合适的窗函数从图8-6中可以看出，泄漏的大小取决于谱窗副瓣的大小。较小的副瓣使得卷积 U(7)*X(7)曲线下的负面积较小，它在动态数据处理中的表现形式是曲线(/)(见图 8-7)具有较小的皱波；但副瓣的减小，往往会带来主瓣变宽，即主瓣能量不够集中，分辨 率下降的问题。由此可见，一个好的窗函数，其富氏变换的主瓣应窄、副瓣应小。工程乐观 赏，提出了多种形式的窗函数，在汽车试验中较常用的主要是哈宁(Hanning)窗和海明(Hamming)窗。1.哈宁窗哈宁窗的时域形式为：1兀l+cos2 T0T(8-39)tt哈宁窗的频域形式为：(8-40)式中：U(/)矩形窗函数的频域形式。哈宁窗时域离散形式(常称为哈宁数字时移窗)为:l+cos-rmdr=m(8-41)哈宁窗频域离散形式(常称为哈宁数字谱窗)为：2。左左+1(842)sin 冗k式中：。左一矩形数字谱窗，Uk=2mt-(左=0,1,2,，小)；兀k矩形数字时移窗为：1 tTu=了从式(8-40)可以看出，哈宁窗是一个压低;的矩形谱窗。(/)和两个各左、右移位,、峰高为:。(7)的谱窗叠加而成。图8-8为。(/)的图形，图中虚线是三个变异的矩 形谱窗。图8-8哈宁窗的构成图比较图8-6(b)和图8-8可知，矩形窗。(/)的主瓣高为2T,第一副瓣的高约为主瓣的220%；哈宁谱窗。(/)的主瓣高为T,宽为一，第二副瓣的高约为主瓣的2.4%。可见哈宁窗的副瓣有明显的降低，达到了抑制泄漏的目的。但它的主瓣宽度都拓宽了一倍。这说明减 小泄漏是以拓宽主瓣为代价。主瓣被拓宽的结果是使得动态数据处理的分辨率下降。2.海明窗海明窗的时域形式为：0.54+0.46cos tr海明窗的频域形式为：W(/)=0.54U(/)+0.23U(/-)+0.23U(/+J)(8-44)海明数字时移窗为：0.54+0.46cos|r|m海明数字谱窗为：W=0.54U”+0.23。一+0.23。1(8-46)K K K L Kik比较式(8-44)和(8-40)可以看出，哈宁窗和海明窗的结构一样，只是系数作了调整，其 结果是将副瓣的高度压得更低，即达到了进一步抑制泄漏的目的。海明窗的主瓣宽度与哈宁 窗一样，约为1.08T,第一副瓣的高度接近于零。由此可见，海明窗抑制泄漏的效果会更 好一些。汽车试验中动态信号的处理选用哪种窗函数，应视动态信号无。)的类型及精度要求而 定。8.5.2平滑处理泄漏在动态试验信号处理中的表现形式是(/)曲线上充满了皱波。抑制泄漏的目的是 减少皱波幅度，使(/)曲线更接近于光滑的x(/)曲线。欲达到这一目的，用数学计算的 方法也可达到，通常称之为平滑处理。平滑处理的方法有多种，在此仅介绍一种最常用的方 法。图8-9是图8-7中的(/)曲线，将(/)曲线沿/轴离散成机+1个点，各点所对应 的频率分别为八,九,九。对于力，_中的任意点/处的值左，参考前、后两点和儿+1处的值和左+1,以圆滑过渡为准则进行修正。修正后的值称为平滑处理的估计 值，计为X左，以区别于未经平滑处理的原始估计值X(k)。X(f)平滑处理时，力力_1各点处的值按下式计算：A 1|1 A A 1 A AX(八击X(I)+X +/+X(I)1 A 1 A 1 A二X(左一1)+X(左)+X(左+1)(8-47)4 2 4在/o及九两个端点处，用下式计算：A 1 A AXo=-X(O)+X(l)2(8-48)A 1 A AXm=-X(m-l)+X(m)labWindows/CVI 等；2 图形化编程语言如LabvIEW、HPVEE等。这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的 开发环境。9.1.3 虚拟仪器的特点和传统仪器相比，虚拟仪器具有以下特点：1 软件是虚拟仪器的核心虚拟仪器的硬件确立后，它的功能主要是通过软件来实现的，软件在虚拟仪器中具有重 要的地位。美国国家仪器公司 NI 就曾提出一个著名的口号：软件就是仪器。2 虚拟仪器的性价比高一方面，虚拟仪器能同时对多个参数进行实时高效的测量，同时，由于信号的传送和 数据的处理几乎都是靠数字信号或软件来实现的，所以还大大降低了环境干扰和系统误差的 影响。止匕外，用户也可以随时根据需要调整虚拟仪器的功能，大大缩短了仪器在改变测量对 象时的更新周期。另一方面，采用虚拟仪器还可以减少测试系统的硬件环节，从而降低系统 的开发成本和维护成本，因此，使用虚拟仪器比传统仪器更经济。3 仪器厂商与用户之间的距离小虚拟仪器使得用户能够根据自己的需要定义仪器的功能，而不像传统仪器那样，由于受 到仪器厂商的限制，出现厂商提供的仪器功能与用户要求不相符合的情况。利用虚拟仪器，用户可以组建更好的测试系统，并且更容易增强系统的功能。由于PC机能提供远胜于仪器 内部的处理能力，因此，借助于一台通用数据采集系统（或板卡），用户就可以通过软件构造 几乎任意功能的仪器。4 虚拟仪器具有良好的人机界面在虚拟仪器中，测量结果是通过由软件在计算机屏幕上生成的、与传统仪器面板相似的 图形界面由软面板来实现的。因此，用户可根据自己的爱好，通过编制软件来定义他所喜爱 的面板形式。5 虚拟仪器具有和其它设备互联的能力虚拟仪器可以和VXI总线或现场总线等相互联接。止匕外，还可以将虚拟仪器接入网络,如INTRANET等，以实现对现场生产的监控和管理。6 虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可以根据自己的需要灵活组合，大大提高了使用效率，减少了投资。当然，虚拟仪器的特点还不只这些，作为新型仪器，它有许多传统仪器无法比拟的地方。这使得虚拟仪器的应用领域非常广泛。9.2虚拟仪器的硬件虚拟仪器的硬件平台由计算机和I/O接口设备两部分组成。I/O接口设备主要执行信号 的输入采集、放大、模/数转换的任务。对于单台的虚拟仪器而言，系统所涉及的DO接口设备是数据采集卡，对于多台虚拟仪 器组成仪器测量控制系统时，系统所涉及的I/O接口设备为总线，常用的总线类型有 GPIB/GPIB 488.2 总线、RS 232 总线、VISA 总线和 VXI 总线。通过数据采集卡和总线获取数据通常应用于测量系统中，实现仪器间的数据获取。图 9-2为典型的虚拟仪器系统I/O接口设备构成图。图9-2典型的虚拟仪器系统I/O接口设备构成图从图9-2可看出，由数据采集卡DAQ、串行仪器、GPIB仪器以及VXI与PC机组成虚 拟仪器测试系统。对DO接口设备的驱动是虚拟仪器实现对真实物理信号采集的基础。在实现数据采集和 交换后，由软件进行数据的分析处理，进而实现某种测量功能，求取测量结果。9.2.1 PC-DAQ 方式在以PC机为基础的虚拟仪器中，通过插入数据采集卡获取数据，在虚拟仪器中又称为 PC-DAQ Data Acquisitio