良好的振动：汽车中的声学技术

这篇文章摘自2020年8月的“物理世界”，标题为“良好的振动”。物理研究所的成员可以通过物理世界APP享受完整的问题。

如果没有机械振动，一辆现代汽车不会开得太远--事实上，它不会启动。大卫·R·安德鲁斯检查声音和超声波在燃油喷射和停车传感器中的作用。

我们看不到他们。事实上，我们也经常听不到他们的声音。但机械振动，无论是声音还是超声波，在现代汽车中发挥着关键作用。它们可能最为人所熟知的形式是那些超声波传感器，当我们停车或开车离开时，它们会安全地引导我们进出狭窄的空间。但更重要的是，为今天的车辆提供动力的绝大多数内燃机使用的是法国物理学家保罗·朗之万(Paul Langevin)在1916年发明的超声波换能器的改装。

在过去的30年里，大约有15亿辆道路车辆安装了燃油喷射系统，其中大约三分之一装有朗之万式的装置。依靠压电晶体的微小机械振动，它们可以向发动机的气缸注入精确的、由计算机控制的燃料量。事实上，燃油喷射系统已经如此成功，以至于轿车、卡车和卡车不再是50年前的污染怪物。今天的汽车几乎不会排放铅、黑烟或危险的未燃烧汽油烟，尽管它们仍会排放大量导致气候变暖的二氧化碳(CO2)。

作为一名物理学家，燃油喷射系统让我着迷的是它们依赖于压电振动，在这种情况下，频率为1-5 千赫。这完全在人类的听觉范围内，最高可达20 千赫。超过这个极限的是“超声波”，尽管你能听到的精确上限频率取决于你的年龄和耳朵的质量。但在我的职业中，振动是可听见的声音还是超声波大多无关紧要：物理学都是一样的。考虑到这一点，让我们用一项甚至在你开始驾驶之前就至关重要的技术来开始我们的声波汽车之旅。

仔细观察大多数现代汽车，你会看到一些直径约20 mm的小圆盘安装在前后保险杠上。自2000年代中期首次进入市场以来，已有数亿辆汽车安装了这些机电传感器。它们发射和接收超声波脉冲，是回声定位器，不仅像蝙蝠的声带，也像它们的耳朵。

超声波脉冲离开停车换能器，直到它们从附近的物体上反弹。一些反射的能量返回到换能器，在那里它被转换成电信号，然后被送去进行信号处理。脉冲进行此往返行程的时间Δt是2L/c，其中c是空气中的声速(约为330 m/s)，L是到物体的距离。由于电子数字定时器能够非常精确地进行此类定时测量(Δt ~ 300-30,000 μs)，因此超声波传感器非常适合测量一两米的距离。

停车传感器制造简单，成本低廉，其结构有点像三明治(图1)。金属，通常是铝，首先被挤压成一个平底杯，壁厚约1 毫米。然后将一个由极化的锆钛酸铅制成的扁平压电盘粘在杯子的内侧底座上。圆盘厚约1 mm，直径约1 cm，有两个金属电极，已经蒸发到其两个平坦的表面上。

杯子的开口端用聚合层密封，聚合层有两个金属引脚与两个电极电连接。在传感器的引脚上施加电压会使压电盘变形，压电盘在跟随电气驱动电压(通常是短时间的正弦波)时会膨胀和收缩。但也有一个较小的径向变形，这取决于材料的特定压电特性。由于圆盘粘在设备的内部，因此杯子的外平坦表面会弯曲，产生频率约为40 KHz的超声波振动。

夹层换能器有许多谐振频率，与不同的振动模式相对应，就像鼓的外壳一样。然而，制造商喜欢调整驱动电压的频率，以便换能器的整个平坦表面同相振荡，像活塞一样上下移动。这种振动最大限度地提高了电声耦合，在很大范围内产生了同相的波。事实上，由于它们的波长(8 mm)大致等于压电盘的直径(10 mm)，声波作为半径以音速扩展的半球传播。

任何压电换能器也可以反向工作，当输入的超声波变形时会产生电荷。显然，换能器不能同时发射和接收超声波，因此只有在关闭驱动电压时才会接收到波(没有计时问题，因为回声到达的时间要晚很多微秒)。事实上，换能器的平面在空间上与接收平面回波相匹配，当传出的球面波返回时，它们将变成平面回波。

夹层换能器和超声波停车传感器一样非常常见，一辆典型的汽车上安装了大约10个传感器。它们的最大续航里程约为5 m-非常适合停车-而它们的密封结构意味着它们可以承受雨水和道路车辆上积累的大部分污垢。然而，它们的射程太短，无法检测到其他高速行驶的车辆，这就是为什么使用微波传感器或摄像头来避免碰撞的原因。

超声波夹心换能器的一个意想不到的好处是，它们可以抵御啮齿类动物，它们最喜欢的就是爬进汽车发动机舱，啃咬美味的电缆和橡胶软管。老鼠可以听到高达60 千赫的超声波，而小鼠的耳朵可以工作到100 千赫，这使得安装在引擎盖下的超声波换能器成为理想的、低成本的啮齿动物扫描仪。动物能听到声音，但我们听不到。你甚至不需要很好地测量返回信号：你只需要一次响亮的间歇性超声波，啮齿类动物就会离开你珍爱的车辆。

那么，让我们假设那些超声波停车传感器已经帮助你谈判走出了那个紧张的停车位，你已经准备好上路了。要开始移动，你的脚踩在油门踏板上，这会向汽车发出开始燃烧更多燃料的信号。但为了让它尽可能高效地燃烧，燃料必须与适量的空气混合。

在内燃机中，这最初是通过化油器来完成的-本质上是一根管道，空气通过它进入发动机。燃料从侧面进入，由一个“浮阀”控制进入的量。问题是，阀门必须根据重力正确定位。把它颠倒过来，它根本不会起作用。转弯太快，浮阀可能会受到强大的惯性力的干扰，有可能使发动机燃料匮乏，并阻止其产生机械动力。

化油器的这一缺点也适用于飞机发动机，正如英国皇家空军在第二次世界大战期间发现的那样。它的喷火和飓风飞机安装了梅林发动机，这种发动机有化油器，当飞行员进行陡峭的俯冲时，化油器很容易切断。相比之下，德国的Messerschmitt 109使用了最早的燃油喷射系统之一，可以在全功率下进行俯冲和操纵。这是一架优越的战斗机，尽管最终英国制造新飞机的速度比德国人快，这让英国获得了决定性的军事优势。

自从20世纪70年代和80年代进入汽车市场以来，喷油器已经改变了我们的驾驶方式。对于传统的化油器，经典的四冲程内燃机的工作原理是，当空气和燃料进入气缸时，活塞首先向下移动。在第二次冲程时，活塞向上移动以挤压混合气，混合气被点燃(在柴油发动机中是自发的；在汽油发动机中是用火花塞)。燃烧的燃料然后又把活塞推回原处。最后，活塞向上运动，排出燃烧的气体，每一冲程使发动机的主曲轴旋转半圈。

但对于每个气缸的单独喷油器，四个冲程略有不同。在第一种情况下，当空气(而不是空气/燃料混合物)进入气缸时，活塞向下移动。在第二次冲程时，空气被压缩，直到现在-接近冲程结束时-才注入燃料。第三，混合物燃烧，推动钢瓶向下。最后，当气体被排出时，活塞又向上运动。通过在第二冲程接近尾声时喷射燃料，发动机变得更有效率，并且能够在较低的温度下运行。

在过去50年来日益严格的排放法规的推动下，燃油喷射系统现在已经在很大程度上取代了大多数道路车辆的化油器。他们运行的关键是微型压电传感器，这种传感器可以打开和关闭阀门，让精确数量的燃料进入发动机的气缸。与老式的化油器发动机相比，这些燃油喷射系统可以让现代汽车在相同的功率输出下更高效地运行，而且使用的燃料要少得多。

然而，制造商不能使用简陋的超声波停车传感器中的三明治换能器：它们不能在空气中产生超过0.01 μm的位移，也不能与液体燃料一起工作，液体燃料比空气难压缩得多。相反，燃油喷射系统中的大多数大功率超声波换能器都是基于朗之万换能器的，这种换能器是在第一次世界大战期间发明的，目的是通过检测换能器本身的回声来帮助法国海军追踪敌方潜艇。

与超声波停车传感器不同，现代的朗之万换能器采用夹在两根金属棒之间的一叠压电盘。厚约5 mm，直径30 mm，每个锆钛酸铅圆盘的中心有一个圆柱形的10 mm的孔，一个螺纹金属螺钉穿过这个孔。螺钉将组件固定在一个机械单元中，该机械单元通过沿其长度伸展和收缩来振动(图2)。

朗之万变换器在燃油喷射系统中主要做两件事。首先，它启动一个“针阀”，允许燃油进入喷油器尖端靠近喷嘴的一个小腔体。其次，它在高压下将燃料从小腔中泵出进入汽车发动机的气缸。事实上，传感器被喷射器的外体夹在离喷嘴最远的一端，这意味着堆叠的一端是静止的，但另一端是移动的。

制造商想要的是最大限度地增加尖端的排量，这样燃料就可以尽可能有效地泵入发动机。我们知道，压电材料的位移与应变成正比，这在很大程度上取决于每个圆盘上的外加电场E。为了最大化位移，我们需要最大化E = V/d，这里V是每个圆盘上的电压，d是圆盘的厚度。最好的解决方案是使用多个薄盘，而不是一个单一的FAT盘，即使它的总厚度相同。多个薄盘将产生相同的总变形，但电压只有一小部分，这是很方便的，因为较小的电压更容易产生，使用更安全，并且需要更薄的绝缘。

在实践中，大多数喷油器在堆叠中有20到100个压电圆盘，每个圆盘的直径为10-20 mm，厚度仅为0.5 mm。它们可以实现约10 μm的位移，驱动电压约为150 V，并且具有相对较低的机械“品质因数”，这意味着它们不会共振，您可以获得单个机械脉冲，而不是像传统朗之万堆那样获得一包脉冲。

在简单的系统中，汽车只使用一个喷油器就可以在每个气缸的进气阀之前将燃料喷射到进气歧管中，从而直接取代化油器。但许多汽车现在每个气缸都有一个喷油器，每个喷油器向每个气缸输送精确优化的燃油量，以适应接收的空气数量。几乎所有的燃料都会在活塞的每一次动力冲程中燃烧-几乎消除了燃烧不完美时会积聚的碳沉积-并确保几乎没有微小的碳颗粒离开尾气。

至于喷油器工作所需的速度，以最高转速运转的发动机每分钟约6000转，也就是每秒100转。因此，喷油器必须在活塞的不到半个周期内打开和关闭，在本例中为5 ms，尽管典型的打开和关闭时间通常是1 ms或更短。相比之下，传统的朗之万换能器的工作频率为25-60  μ，因此振荡周期为15-40 s，远小于燃油喷射所需的1 kHz。

朗之万变换器的最后一个诀窍是，它将输入的低压燃料在高压下转化为液体。这不仅克服了气缸中的压缩压力，而且将燃料变成了直径约10 μm的细小液滴的薄雾。因此，更多的燃料表面暴露在空气中，从而使燃烧更充分。朗之万的设计可以做到这一点，这要归功于其具有高“声阻抗”(密度×波速)的振动。

当涉及到向汽车发动机输送燃料时，喷油器可以通过三种方式调整精确量。首先，他们控制注射器打开的时间。此方法在发动机运行速度较快时更为有效(在需要强力加速的低速情况下，燃油泵动作不能在喷油器阀门打开的整个时间内保持燃油的高压)。其次，喷油器可以控制压电盘堆叠的电压(峰值电压约为150 V，但较低的值将缩小喷嘴的孔径，从而限制进入气缸的燃油量)。最后，喷油器可以通过重复脉冲电压来调整燃油水平，以便喷嘴在活塞的一次行程内反复打开和关闭。

因此，作为一种脉冲系统，喷油器可以使现代内燃机得到高度控制。事实上，一些一级方程式赛车制造商喜欢展示他们可以通过在试验台上无负荷运行发动机，并通过编程播放“上帝拯救女王”等曲调来实现这一点。由喷油器提供的发动机数字控制，允许精确合成发动机速度，因此可以精确合成发动机发出的可听见的音符。这只是个噱头，但还是令人印象深刻。

在现实中，你的车有自己的计算机系统来计算注入多少燃料-以及何时注入。通过快速执行简单任务，“发动机控制单元”从发动机、排气和油门踏板上的几个传感器收集数据，然后将数据与其持有的值表进行比较，以找出要使用的燃油喷射器设置。因此，制造商可以精确控制他们的汽车发动机，让司机可以选择操作-例如经济、运动、赛道、发动机寿命和低污染-或者满足特定的污染监测测试。

显然，这些模式中的一些模式相互冲突，甚至是相互排斥的。例如，经济并不适合运动或赛道模式，而在击败污染监测测试的同时最大化性能的愿望也可能会发生冲突，一家大型汽车制造商(大众汽车)已经付出了代价。但我们不应该忽视这样一个事实，即燃油喷射系统已经改变了汽车行业。

与化油器相比，除了让内燃机运行得更高效、更可靠外，它们还消耗更少的燃料，减少污染。它们还可以让发动机使用更长时间，并通过降低废气的污染量来延长催化转化器的使用寿命。然而，燃油喷射系统并没有减少道路车辆的二氧化碳排放，道路运输的未来肯定会涉及在内燃机中燃烧氢气(生产水而不是二氧化碳)，或者批量转向电动汽车。

这两种变化都将消除二氧化碳的产生，前提是每种情况下的氢气和电力都可以在不排放温室气体的情况下提供。然而，与此同时，我们可以感谢微小压电晶体的振动，它至少帮助我们更好地燃烧燃料。事实上，更多的小颗粒污染来自汽车刹车和轮胎的作用，而不是来自目前内燃机的废气-这证明了催化转化器和现代燃油喷射系统的有效性。这些振动可能很小，但它们的好处很大。