公式学生赛车排气噪声测试

2022-07-14浏览次数:166

公式学生赛车排气噪声测试


Rimac FS Alpe Adria
By Matjaž Strniša, Automotive Customer Support Engineer, Dewesoft

在任何一场学生方程式赛车比赛中,赛车都要经过彻底的检查,以确保整体安全——机械状态、倾斜和制动能力以及噪音测试。在本赛季的最后一场比赛中,来自 Dewesoft 的车队在克罗地亚的 Novi Marof 进行了排气噪声测试,并根据声音测量结果计算了车辆的转速。

图1, Dewesoft 团队固定麦克风测量噪音从车辆配方赛车


Rimac FS Alpe Adria 是一年一度在克罗地亚北部举行的学生方程式赛车比赛。一级方程式学生比赛每年都会在更多的国家和世界上最具标志性的赛道上举行,比如银石、霍肯海姆林、红牛指环和巴塞罗那-加泰罗尼亚赛道。从8月26日到29日,这一切都发生在新马罗夫靠近瓦拉日丁的小型赛车跑道圣劳。

图2. 新马罗夫圣劳赛马场概况



那是一个周四的清晨,我们—— Dewesoft 车队——收拾好了我们的展车,一辆福特 Ranger,装上了技术设备和一些宣传材料。从斯洛文尼亚的特尔博夫列出发,经过140公里的车程,我们到达了 FS Alpe Adria 的赛场。很快,我们就被这里的气氛震撼了——那里的学生都充满了纯粹的工程学和赛车的能量。
今年,来自14个国家的37支球队参加了在诺维马洛夫举行的比赛。成百上千的年轻人,还有很多帐篷。每个车队都有一个帐篷——一个为参加比赛准备汽车的地方。在这些坑,各队自己展示了标志和横幅。其他帐篷则留给官员和观众; 检查、机械或电力服务、食品摊位等等。
此次活动的主要赞助商是克罗地亚 RIMAC 公司,该公司生产电动超级汽车和相关技术,如电池或动力系统。此外,德威索夫特是本次赛事的赞助商——在新马罗夫,我们不仅对所有赛车进行了排气噪音检查,甚至还被选中在赛前对所有赛车进行最后的检查和测试。


图3. 团队为技术检查做准备

一级方程式学生比赛

方程式学生(FS)是世界上最大的工程竞争。世界上有500多支球队和40多项比赛。比赛的组织者通常是一个全国性的工程协会,得到保时捷、戴姆勒、奥迪、科达等汽车行业大牌的帮助。
财政司司长是一个工程设计竞赛,促进聪明的问题解决。世界各地的学生团队根据一系列规则设计、制造和测试赛车原型,以确保赛道上的安全。在这些活动中,机动车辆由学生自己驾驶。
通过参加比赛,学生获得了有关实际工作的宝贵知识,将理论转化为实践,培养了他们的工程技能和解决问题的能力,并学会了团队合作。然而,竞争也是关于网络的。每一次活动都是一个分享经验、结识志同道合的人和潜在的未来雇主的机会。

参加比赛

每个想要参加所期望的方程式学生赛事的队伍都必须有资格参加。首先,有一个小测验。所有活动都在夏季进行,而测验则在二月进行。测验问题来自公式学生规则手册,有些是关于工程领域的问题,有些是商业性质的。得分最高的球队有资格进入下一阶段。
因为这还不是全部。进入比赛的下一个障碍是车辆状态视频(VSV)。每个团队都必须制作一段视频,显示他们的车辆在至少10公里/小时的速度下,以180 ° 的转弯角度行驶30米。VSV 视频必须提交至少6-8周前任何财政司司长比赛。
然后,当比赛开始时,每支队伍在进入训练场之前,以及参加动态比赛之前,都要经过各种机械检查和测试。技术检查的每个部分都被“授予”,并在车头贴上通行证标签。最后,当你的赛车去赛道,所有的贴纸必须在那里。
FS 汽车主要有三大类: 燃烧型汽车(CV)、电动型汽车(EV)和无人驾驶型汽车(DV)。比赛包括各种静态和动态学科,由几位评委主持,他们往往是汽车行业各自领域的知名专家。
这些队伍将在更多的训练项目中竞争。每一辆车都承载着一定数量的积分,在每一类车中总共有1000个积分。当然,得分最多的队伍就是胜利者!
这一系列学科分为两个不同的部分: 静态事件和动态事件。

静态事件

设计一辆 FS 汽车需要跨学科的方法和团队合作。除了技术知识,学生还必须具备经济和社会技能:
▶  业务计划演示(BPP)
     在 BPP 的任务是评估团队的能力,开发一个全面的商业模式,展示他们的产品-原型赛车
▶  成本和制造业
     这次活动的目的是评估制造过程和为每个车队制造一辆赛车的相关成本
▶  工程设计
     在这次比赛中,裁判——通常,裁判是来自汽车行业的工程师——评估在学生方程式赛车设计中实施的工程流程、努力和解决方案

图4. Transilvania UNI Brasov 车队在滑道上的111号车

动态事件

在这一部分的比赛中,两支队伍把他们的“野兽”放在跑道上,以展示他们的实力。为了评估不同的特性,这些车被限制在几个学科之间:
▶  滑板
     汽车在两个圆圈中行驶形成一个图8的事件
▶  加速
     球队必须以最快的速度沿直线跑75米
▶  自动交叉
     自动越野是某种资格赛的耐力项目,但在这里你只开一圈,一圈的时间是测量。它和耐力赛在同一条赛道上进行
▶  耐力
     我们的目标是尽可能快地跑完22公里的距离,也就是22圈。在一半的距离,司机必须被切换和汽车必须被关闭
▶  效率
     这是在耐力项目中测量的——每个人在开始耐力项目时都是满油箱的

从观众的角度来看,耐力赛是主要的比赛项目。在这里所有的车辆的优势和缺陷将显示-和多达4辆赛车可能在赛道上在同一时间。加速度、速度、操纵性、动力学、燃油经济性、效率、可靠性和驾驶技能都经受了极限的考验。此项目的获胜者将获得最高300分的奖励,这是单项比赛中最高的分数。


图5. 德尔塔赛车队曼海姆电动车队正在准备他们的赛车接受技术检查


技术检查

检查是按照不同的步骤进行的——如果你没有通过一个,你就不能继续前进:
▶  预先视察
     在这里,每个队都要检查是否有正确的头盔、安全装备、灭火器、干湿轮胎。在这里,车队被检查为司机的直接安全
▶  机械检查
     如果准备好的车辆是按照规则制造的,检查员会检查它们
▶  倾斜试验
     车辆以60 ° 的角度放在桌子上。检查员检查车辆是否有液体泄漏,并检查车轮是否仍然与工作台接触
▶  车辆重量
     车辆是在准备比赛的情况下测量的
▶  音测试
     在这里,车队在比赛中第一次启动了车辆。如果每个队都想参加动力项目的比赛,这是第一步。检查员测量来自排气系统的噪音
▶  制动试验
     如果一个车队的赛车在加速行驶结束时锁定所有4个车轮停止,那么该车队就通过了制动测试




德威索夫特被邀请作为赞助商,但也做正式噪音测试的所有赛车。此外,由于我们的团队成员从过去几年的方程式学生的经验,我们也被赋予的任务,检查所有赛车的安全特点-所有严格按照财政司司长规则手册。
在活动中,所有的汽车都是首次启动进行噪音测试——参与者在此之前不允许打开发动机。当噪音测试成功完成后,所有其他的检查都完成了,并且必须通过检查,以确保检查员对汽车的结构和安全特性感到满意。

图6. 来自 FH 亚琛的 Aixtreme 赛车队在噪音测试中

排气噪音测试

赛车非常吵,非常吵——即使是飞行服。学生配方车的噪音可超过120分贝(c)。噪音是乐趣的一部分,但噪音控制是一个关注所有各方参与赛车。巨大的噪音是有害的,可能损害听力。科学家建议不要超过15分钟没有保护措施的声音暴露在100分贝或更高的声音中。
Rimac FS Alpe Adria 2021的组织者 Luka pavlovi 说: “在活动的检查阶段,噪音测试是一个关键的组成部分。燃烧车辆是噪音限制,就像你的传统公路汽车或自行车是一样的。车队通常设计他们的排气量尽可能接近极限,以便从他们的引擎中获得最大的性能。”
克罗地亚新马罗夫的卡丁车赛道是这种嘈杂的赛车比赛的好地方。由于与世隔绝,噪音对当地居民来说并不是真正的问题。赛道周围的地区没有居民,甚至没有被未受破坏的森林或牧场覆盖——野生动物也不喜欢噪音。
然而,这里的问题是赛道上和赛道周围的人、参赛者、官员和观众的关注。为了通过方程式学生比赛的技术检验,所有的内燃机汽车都需要进行排气噪声测量。这就是为什么统一的学生方程式规则规定,燃烧车产生的噪音水平必须在一定的限制之内:
▶  CV 3.2 最高音量
▶  CV 3.2.1 给定发动机的最大声级测试转速是相当于活塞平均转速15.25 m/s 的发动机转速。计算出的转速将四舍五入到最接近的每分钟500转。在这个计算速度之前,允许的最大声级是110分贝(c) ,快速称重
▶  CV 3.2.2 给定发动机的怠速测试速度将由团队决定,并由他们校准的怠速决定。如果怠速变化,那么车辆将测试的怠速范围确定的团队。在闲置的最高允许声级是103分贝(c) ,快速称重

转速计算

测试是用声级计进行的。通常,每个团队都需要一个仪表板显示器或者连接一台电脑来显示测试期间的引擎转速,但是 DewesoftX 软件为我们提供了各种各样的功能和小工具。
一个有用的功能,在这种情况下,是 FFT 分析器插件暴露给我们的第一-最主要的频率谐波产生的声音内燃烧过程在发动机。只要在数学模块中加入一点“魔法”,我们就可以根据排气声压计算出发动机的转速。
为了验证每个团队的引擎管理软件提出的转速,我们创建了一个公式来检测引擎转速直接从麦克风信号-不需要任何额外的传感器。
我们在标准的 DewesoftX 软件特性 Dewesoft Math 中定义了一个简单的公式,它允许用户为他们的测量任务设置分析。首先,我们使用一个名为 MAXPOS 的函数,它返回在测量频率范围内检测到的最大振幅的 x 轴位置。作为输入函数,我们使用了测量传声器的 FFT 谱分析。
这个函数的输出就是最大振幅出现的频率。因为我们希望输出的形式是 rpm 而不是 Hz,所以我们乘以60来得到所需的单位。
由于气缸数比例乘以第一次谐波的位置,有必要对不同的气缸数进行校正——赛车使用的引擎在设计上不同,有些使用单缸,有些甚至使用4缸。
气缸数被定义为用户输入,允许我们在测量之前输入每辆测试车的正确值。由于学生方程式赛车要求所有赛车使用4冲程发动机,因此也有必要纠正排气循环的发生,这种循环每两转一次——这意味着整个公式必须乘以2的值。
简而言之,MAXPOS 阵列函数返回最大值的最后一个位置,这个位置用于获得旋转发动机的精确频率—— FFT 的位置是频率。这是除以气缸数,乘以2,并转换为从赫兹每分钟转换。
图7. Math 模块中 MaxPos 函数的解释
图8. 根据声压波跟踪转速的数学函数


由于测试需要在怠速和 RPM 上限下进行测试,我们定义了一个公式来自动确定 RPM 上限。这是计算和四舍五入到500转的帮助下,发动机的行程定义为毫米。这被定义为用户输入,并进入软件为每个车队的基础上的冲程长度,是提供给我们的赛车队。

图9. 计算较高 RPM 限制的数学函数


这种检测方法有其局限性。它是基于一次谐波在被测光谱中总是最突出的假设。在某些情况下,排气设计特点共振器,盲目的排气管部分增加到主管,以驱动振动下降。在这种情况下,可能有更高的谐波具有更高的振幅,导致不准确的读取发动机转速。

然而,RPM 检测并不需要作为噪声检测过程的一部分来执行——它是测量的一个可选部分。由于这一点,也由于很少发生错误的阅读,我们认为这种方法是适当的。根据比赛团队成员的反馈,在测量期间显示结果本身是一个有用的特性。


噪音测试设备

噪声测试是作为静态测试进行的,所有的汽车都被带到我们这里来。我们搭起了帐篷,以便有一个屋顶,使设备免受恶劣天气的影响。为了测量,我们不需要一个帐篷。如果你不注意避免周围环境的反射,这种噪音测试的结果可能会产生误导。在我们的测试中,排气口背对着帐篷,以减少声音反射到最低限度。
由于任何汽车的排气口位置都是独一无二的,麦克风必须特别设置,以遵守飞行服务规则:
▶  IN 10.1.2 车辆必须符合所有发动机转速达到最高测试速度
▶  IN 10.1.4 测量将使用一个自由场麦克风进行,该麦克风在排气口水平面上没有障碍物,距离排气口末端0.5米,与排气口在水平面上成45 ° 角

我们使用的测量方法是:

硬件:
▶  带有 ACC 放大器的 Dewesoft SIRIUSi,
▶  一个 g.r.a.s. IEPE 麦克风 g.r.a.s. 146AE-半英寸自由场坚固麦克风 IP67额定与 TEDS 安装在三脚架上,
▶  由国际认可声学校正实验所校正的 g.r.a.s. 42AG 多功能校正器)
▶  一台笔记本电脑

软件:
▶  DewesoftX RC2021.5 DAQ软件
▶  DewesoftX 插件:
     ▶  声级计
     ▶  FFT 分析器
     ▶  数学模块

完整的设置不仅遵循 FS 规则,而且遵循国际标准。测量链——数据采集系统、传声器和用于分析的 SLM 软件——符合 IEC 61672第1类要求。麦克风符合61094测量麦克风标准,水平校准器符合 IEC 60942,并具有有效的国际认可校准证书。在每次测量之前,校准器被用来确保麦克风的灵敏度被精确地设置为当前的环境条件。

图10. Dewesoft 帐篷的噪音测试设置

噪音测量

我们设置了测量系统,并把麦克风放在一个可调节的三脚架上——分贝计已经准备好了。然后车队把他们的车开到我们的检查站,进行了引擎热身。所有车辆必须符合所有发动机的速度达到最高测试速度。
由于汽车在设计上有所不同,有时候很难把麦克风放在正确的位置。它必须是0.5米从排气口和在一个水平角度45度。然而,出口的角度和方向不同,在某些情况下,有一个以上的出口-这些都需要单独测试,和最高的噪音读数计数。排气管上的任何主动调谐或节流装置都必须符合所有位置。
车队的目标是获得引擎的最大功率-这意味着他们不想“阻塞”引擎太多。我们的测量结果显示,有不少队伍的噪音水平超出或超出规定的上限。
为了降低噪音水平,我们注意到团队使用了一些技术。一个是所谓的“分贝杀手”-安装到排气口和减少其直径使气体压力波反弹和返回管道配件。其他的是排气管的延伸或者将排气口的方向变成自由空气。
在我们的案例中,FS 里马克阿尔佩阿德里亚是2021赛季的最后一场比赛,几乎每支球队都至少参加过之前的一场比赛。这就是为什么噪音水平基本符合要求。
当涉及到测量的噪声值时,直观的想法可能是,在某种程度上,dB水平的微小差异是可以忽略的,并且在规定的限值之上允许一些公差是明智的。
但在现实中,严格遵守限值是很重要的——即使差值只有1dB,也意味着测得的声压级会大幅增加。分贝刻度是对数的,不是线性的——如果噪音水平超过了110分贝(C)到111分贝(C)的最大要求,那么噪音不仅高出0.91%,而且大约高出10%。

图11. DewesoftX 中的噪音测试记录实例——从汉诺威无人机测试汽车

总结

我们很高兴能在新马罗夫的赛马场度过这个周末。我们有很大的乐趣-和噪音测试在 Rimac 飞行服务 Alpe 阿德里亚2021进行了严格按照指定的飞行服务程序和设备使用是很适合的。

组织者 Luka pavlovi 说:


“我们邀请德威索夫特来帮助我们测量,因为他们的专业知识在声音工程世界闻名。不出所料,他们完美而专业地完成了自己的工作,确保一切都符合官方的一级方程式学生规则手册。他们甚至帮助了一些团队,并且给了他们一些有用的建议,毕竟这是一个学生竞赛,一切都是关于学习和成长的。”

我们成功的关键是遵循程序。然而,我们的测试与过去在事件中进行的测试有些不同。我们通过在大屏幕上直接显示所有的测量输出,引入了一个新的客观性水平——让团队成员立即了解他们测量的噪音水平以及测试程序。
UNI Maribor GPE 车队的车手之一,技术领导亚当 · 格拉说: “我参加这个比赛已经超过三年了,我已经参加了六个以上的比赛,我不得不说,今年的噪音测试是我见过的最客观、最令人印象深刻的测试,尤其是我们可以直接从测试者自己身上看到这些数值。”
最后,我们给每个团队测量的数据以及我们最新版本的软件的安装程序在一个 u 盘上。团队现在可以做进一步的数据分析,并获得重要的信息进一步改进或修改他们的排气和发动机设计。
Dewesoft 一直支持从卢布尔雅那和马里博尔大学的斯洛文尼亚财政司司长赛车队一些年。作为 UNI Maribor GPE 团队空气动力学的领导者,Jakob razdev 总结了我们的合作: “通过使用 Dewesoft 测量设备,我们的开发过程变得更加容易”。
今年在克罗地亚的活动是一个爆炸!我们所有的传感器和设备都符合测量声音的国际标准。我们的测量是准确的,可重复的,而且非常有用。干得好!