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