当同方向的两个频率相差不大的简谐波叠加时,叠加后的波形的幅值将随时间作强弱的周期性度化,这种现象称之为“拍”,如图1所示,图中有三个拍,幅值出现忽强忽弱的变化,单位时间内出现的拍数称为拍频(拍的频率),也是叠加后波形的幅值变化频率。

图1 拍现象

通常,原始的两个简谐波的振动频率较高,与叠加后的波形的频率接近,但拍的频率很低,远小于原始简谐波的振动频率,因而,当出现拍现象时,它把高频信号中的频率信息和相位信息转移到低频信号(拍)之中,使它们由难以测量变得容易测量。

在声学测量中,经常会遇到两个传播方向相同,频率相近的声波。这两个声波在叠加时会产生“拍”现象,如图2所示。此时蓝色的正弦波的频率为这两个声波频率和频的一半,这个声音可以被人耳感知到,而另一个频率是包络的正弦波的频率是这两个声波差频的一半,还有一个频率是声音强弱变化的频率,即拍频,是这两个声波频率之差。从图2中可以看出,频率相同或接近的声波叠加时,在叠加区的不同位置会出现加强与减弱的拍现象,这种现象也称为声波干涉。

图2 两个频率相近的声波形成拍

对于4缸4冲程发动机而言,主要的激励阶次是2,4,6,8等阶次,除了这些阶次之外,还存在半阶次。对于单缸而言,它的点火阶次是半阶次,虽然半阶次的能量没有主要的激励阶次2,4,6,8等阶次大,但它还是存在的。在某些特定转速下,如怠速时,半阶次与整数阶次的频率相差不大,二者频率挨的比较近。一旦频率挨得很近时,噪声信号就会出现典型的拍现象。出现拍的噪声信号幅值忽高忽低(幅值波动),但人耳是分辨不出来这种频差的。当这两个频率挨得较近时,又分到底是非常近,还是比较近,还是完全分开等情况。当完全分开时,听起来是两个完全不同的声音(两个纯音),比较近时,表现出来的是所谓的粗糙度,而特别近时,表现出来的是声音的波动(拍现象),如图3所示。

图3 不同的频差表现不同的特性

对于发动机而言,两个声音的频率是属于比较近的情况,但又不会特别近。当两个声波的频差处于不同频率范围时,会表现出不同的特性。如果二者频差低于15Hz,会出现明显的拍现象,如图3中的拍现象所示就属于这种情况;当频差大于15Hz,而低于300Hz时,能感受到明显的粗糙特性;而当频差大于300Hz时,可以感受到两个明显的纯音。

2. 相关理论

在介绍拍的相关理论之前,让我们首先考虑两个同方向同频率的简谐波叠加。然后给出两个同方向不同频率的简谐波叠加形成拍的相关理论,下一篇文章《什么是利萨如图?》将介绍两个相互垂直的简谐波叠加。

(一)两个同方向同频率的简谐波叠加。在《有趣的分贝公式》一文中,我们曾经这样讲道:两个相关的等声压级的简谐声源叠加,总声压级将增加6dB。因为此时是两个同方向同频率的简谐波声源叠加,幅值直接相加。在这,将给出这个观点的理论支撑依据。

假设两个同方向同频率的简谐波的原方程式为:

当这两个简谐波叠加时,依据三角函数公式有

其中,

从上式可以看出,两个同方向同频率的简谐波叠加后的信号仍为简谐波。接下来,我们讨论一下这两个原始信号的相位关系:1)同相位;2)反相位。

1)如果原始的两个简谐波的相位相同,即Δφ=φ2-φ1=2kπ,(k=0,±1,±2,…),那么有

其中,

从这可以看出,如果原始两个简谐波幅值相等,那么叠加后的简谐波的幅值为原始波形幅值的2倍,频率与相位不变。即使两个信号的幅值不相等,叠加后的波形的幅值为两个原始波形幅值直接相加。因而,相位相同时,叠加后的信号幅值相互加强。

2)如果原始的两个简谐波的相位相反(相差180度),即Δφ=φ2-φ1=(2k+1)π,(k=0,±1,±2,…),那么有

其中,

对于两个相位相反的同频率简谐波而言,叠加后的波形的幅值为两个原始波形幅值直接相减的绝对值。因而,相位相反时,叠加后的信号幅值相互减弱。

3)对于一般相位而言,叠加后的幅值处于

|A1-A2|

另外,如果有多个同方向同频率的简谐波叠加,叠加后的波形仍为简谐波。

(二)两个同方向不同频率的简谐波叠加。假设两个简谐波的原始方程为:

考虑A1=A2,且|ω1-ω2|<<ω1+ω2时,根据和差化积公式,它们叠加后形成拍的波形方程为

式中,A=2A1|cos(ω2-ω1)t/2|为叠加后的拍的幅值。因为ω2-ω1很小,所以A表示缓慢周期变化的幅值。由于0≤|cos(ω2-ω1)t/2|≤1,因此有,

Amax=2A1

Amin=0

拍的周期Tb和频率fb为

这就使得拍的幅值按频率fb作周期性变化:加强与减弱,如图4所示。合成后的波形的振动频率为

合成后的拍除了上述两个频率成分之外,还有一个频率成分,即包络线(如图4中蓝色曲线)的频率成分,该频率成分为拍频的一半,即

图4 拍