V型雙缸柴油機(jī)噪聲源及其激勵(lì)源響應(yīng)的識(shí)別分析

孟浩東 李舜酩 白 瑩 孫建中 莊華良

1.南京航空航天大學(xué)，南京，210016 2.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州，213000

3.常柴股份有限公司，常州，213002

0 引言

柴油機(jī)振動(dòng)的多激勵(lì)性、時(shí)變性、傳遞路徑的錯(cuò)綜復(fù)雜性使結(jié)構(gòu)剛度分布不同的表面振動(dòng)響應(yīng)和向外輻射噪聲之間的關(guān)系十分復(fù)雜。燃燒激勵(lì)響應(yīng)(燃燒噪聲)、機(jī)械激勵(lì)響應(yīng)(機(jī)械噪聲)在發(fā)生的時(shí)間、空間、傳播的途徑和信號(hào)的基本頻域特征等方面都重疊交織在一起，如何進(jìn)行分離和識(shí)別就成了一個(gè)十分重要的難題。目前采用較多的還是以試驗(yàn)方法為主并結(jié)合信號(hào)時(shí)頻域分析的傳統(tǒng)識(shí)別方法:文獻(xiàn)［1］通過采用改變噴油提前角的方法，在保持內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械噪聲聲功率和傳遞函數(shù)不變的情況下改變?nèi)紵肼暵暪β?，從而?shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械噪聲和燃燒噪聲的識(shí)別與分離;文獻(xiàn)［2］結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳遞函數(shù)試驗(yàn)工作對(duì)燃燒噪聲和活塞敲擊噪聲的產(chǎn)生機(jī)理開展相關(guān)研究，識(shí)別得到燃燒氣體力和活塞敲擊激勵(lì)的主要傳遞路徑及振動(dòng)響應(yīng)特性。

在現(xiàn)代信號(hào)處理方法中，獨(dú)立分量分析(independent component analysis，ICA)是一種非常有效的盲源分離技術(shù)，這種分離技術(shù)不受源信號(hào)時(shí)間互相交疊和頻譜互相交疊的影響，而且分離后的輸出信號(hào)能保留源信號(hào)中的微弱特征信息。從原理上講，利用ICA方法對(duì)柴油機(jī)振聲源信號(hào)進(jìn)行分離是適合的［3-4］。例如:文獻(xiàn)［5］采用基于負(fù)熵極大的FastICA算法對(duì)4缸柴油機(jī)的輻射噪聲信號(hào)進(jìn)行了盲源分離，結(jié)合小波變換技術(shù)，分離與識(shí)別了柴油機(jī)的燃燒噪聲、活塞敲擊噪聲、正時(shí)齒輪噪聲等噪聲源;文獻(xiàn)［6］利用多通道盲最小均方差(MBLMS)算法進(jìn)行了柴油機(jī)振動(dòng)信號(hào)的分離實(shí)驗(yàn)，結(jié)合短時(shí)傅里葉時(shí)頻分析，分離與識(shí)別了燃燒、活塞撞擊和進(jìn)氣閥關(guān)閉信號(hào)。

本文以某V型雙缸柴油機(jī)為研究對(duì)象，采用基于四階累積量的JWSmICA技術(shù)(JADE CWT single cylinder misfire ICA)進(jìn)行噪聲源及其激勵(lì)源響應(yīng)的識(shí)別分析，該技術(shù)即是JADE盲分離算法、連續(xù)小波變換(continuous wavelet transform，CWT)、單缸熄火法結(jié)合ICA方法的組合技術(shù)。首先通過對(duì)柴油機(jī)在各個(gè)工況下進(jìn)行單缸熄火的方法來分離與識(shí)別機(jī)械噪聲和燃燒噪聲，然后采用JADE算法及小波時(shí)頻分析，分離與識(shí)別標(biāo)定工況下燃燒激勵(lì)響應(yīng)和機(jī)械激勵(lì)響應(yīng)，最后結(jié)合單缸熄火與ICA識(shí)別結(jié)果，進(jìn)一步研究機(jī)械噪聲和燃燒噪聲與其主要振動(dòng)激勵(lì)響應(yīng)的相關(guān)特性。

1 機(jī)械噪聲和燃燒噪聲及其激勵(lì)源響應(yīng)的JWSmICA識(shí)別技術(shù)

1.1 單缸熄火法

在屏蔽進(jìn)排氣噪聲前提下，柴油機(jī)由n缸做功調(diào)整到對(duì)應(yīng)工況，通過九點(diǎn)聲壓法測量整機(jī)聲功率級(jí)為Wp。當(dāng)其中有一缸斷油熄火，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下降，理論上總輸出功率相當(dāng)于原來功率的(n－1)/n，保持油門不變，調(diào)整負(fù)荷，使轉(zhuǎn)速恢復(fù)到熄火前的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，此時(shí)測量整機(jī)聲功率級(jí)為W'p1［7］。因此，熄火缸所產(chǎn)生的燃燒噪聲可以通過總噪聲能量與熄火后的噪聲能量之差來求出，以第一缸燃燒噪聲計(jì)算為例:

依次對(duì)計(jì)算所得各缸燃燒噪聲能量求和即可求出總的燃燒噪聲，在此基礎(chǔ)上，通過整機(jī)噪聲能量消去燃燒噪聲能量，即可得到總的機(jī)械噪聲。同時(shí)對(duì)實(shí)測整機(jī)噪聲頻譜的頻帶中心聲功率級(jí)按上述能量進(jìn)行疊加與消去還可進(jìn)一步得到機(jī)械噪聲和燃燒噪聲的頻譜特性。

1.2 基于四階累積量的聯(lián)合近似對(duì)角化算法

JADE算法與基于二階統(tǒng)計(jì)量的算法不同，它聯(lián)合近似對(duì)角化的不是時(shí)延協(xié)方差矩陣而是四階累積量矩陣，是四階盲辨識(shí)(four order blind identification，F(xiàn)OBI)算法的推廣和改進(jìn)，不僅可以解決源信號(hào)具有相同峭度信號(hào)的分離問題，而且在高斯噪聲背景下分離性能比較穩(wěn)定［8］。

定義經(jīng)過白化后的白化信號(hào)z(t)(z(t)=Qx(t)，Q為白化矩陣)的四階累積量矩陣為

其中，cum()為四階累積量的運(yùn)算符號(hào)，mkl為任意N×N維矩陣M的元素，Cz(M)是對(duì)稱陣，此累積量矩陣可以分解為Cz(M)= λM，因此M被稱為Cz(M)的特征矩陣。JADE算法可歸納如下:

(1)利用協(xié)方差矩陣對(duì)觀測數(shù)據(jù)x(t)作白化去相關(guān)處理，即z(t)=Qx(t);

(2)利用式(2)計(jì)算z(t)的四階累積量矩陣組 Cz(Mp)，p=1，2，…，N;

(3)對(duì)矩陣組Cz(Mp)進(jìn)行聯(lián)合近似對(duì)角化處理，估計(jì)出一個(gè)酉矩陣U;

(4)得到估計(jì)分離矩陣W=UTQ;

(5)得到分離信號(hào)的估計(jì)y(t)=Wx(t)。

在此基礎(chǔ)上，針對(duì)柴油機(jī)振聲信號(hào)的非平穩(wěn)性，利用小波變換的時(shí)頻聚焦能力以及在分析非平穩(wěn)信號(hào)方面的優(yōu)勢，通過時(shí)頻圖提取分離信號(hào)的時(shí)頻和頻域聯(lián)合特征，識(shí)別各源信號(hào)的產(chǎn)生原因。綜上所述，基于JWSmICA技術(shù)進(jìn)行柴油機(jī)噪聲源及其激勵(lì)源響應(yīng)的識(shí)別分析流程如圖1所示。

圖1 基于JWSmICA技術(shù)的識(shí)別分析流程

2 機(jī)械噪聲和燃燒噪聲的分離與識(shí)別試驗(yàn)分析

本試驗(yàn)在常柴股份有限公司的柴油機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室墻面裝有吸聲微穿孔板，頂面也設(shè)有吸聲材料，靜態(tài)背景噪聲聲壓級(jí)為53.9dB(A)，A表示計(jì)權(quán);臺(tái)架采用的是電渦流測功機(jī)，工作時(shí)振動(dòng)小，同時(shí)用覆蓋件和石棉對(duì)電渦流測功機(jī)及驅(qū)動(dòng)軸端進(jìn)行了隔聲處理，電渦流測功機(jī)近場噪聲要比聲源運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)聲壓級(jí)低10dB(A)以上;另外采用的供油裝置是普通的燃油箱，采用的冷卻水箱則移至室外，通過橡膠水管傳輸而無需其他動(dòng)力傳輸裝置。因此，背景噪聲無需修正，實(shí)驗(yàn)室聲學(xué)環(huán)境滿足工程測試要求。為排除空氣動(dòng)力性噪聲對(duì)測試結(jié)果的影響，進(jìn)排氣管用石棉材料包裹并引至室外;房間通風(fēng)扇在噪聲測試時(shí)及時(shí)關(guān)閉。研究所用柴油機(jī)為V型四沖程自然吸氣水冷雙缸柴油機(jī)，氣缸夾角為80°，標(biāo)定工況為(3600r/min，14kW)。

考慮到柴油機(jī)實(shí)際工作的機(jī)械效率，進(jìn)行單缸熄火所選擇的柴油機(jī)工況為:轉(zhuǎn)速從1200～3600r/min，間隔為600r/min，各轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)負(fù)荷從50% ～100%，間隔為25%。在50%、75%、100%負(fù)荷條件下，對(duì)應(yīng)各個(gè)轉(zhuǎn)速的機(jī)械噪聲和燃燒噪聲進(jìn)行分離，結(jié)果如圖2所示。

圖2 機(jī)械噪聲和燃燒噪聲的分離結(jié)果

由圖2分析可知，在不同負(fù)荷條件下，整機(jī)噪聲聲功率級(jí)隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增加。然而，燃燒噪聲和機(jī)械噪聲對(duì)整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)卻不同。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速從1200～1800r/min，燃燒噪聲均為主要噪聲源，尤其在1200r/min、50%負(fù)荷條件下，燃燒噪聲占整機(jī)噪聲比例最大為91%。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在2400r/min時(shí)，在50%和100%負(fù)荷條件下，機(jī)械噪聲對(duì)整機(jī)噪聲貢獻(xiàn)稍大;而在75%負(fù)荷條件下，以燃燒噪聲為主，占整機(jī)噪聲56%。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速從3000～3600r/min，隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加，燃燒噪聲進(jìn)一步增加，其中，在3000r/min時(shí)，燃燒噪聲對(duì)整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)占主要地位;在3600r/min時(shí)，在50%和75%負(fù)荷條件下，燃燒噪聲與機(jī)械噪聲所占比重比較接近，但在100%高負(fù)荷條件下，整機(jī)噪聲增大主要是來源于燃燒噪聲。綜上分析可知，在常用轉(zhuǎn)速工況下，燃燒噪聲是整機(jī)降噪的重點(diǎn)。

在標(biāo)定工況下，柴油機(jī)燃燒噪聲聲功率級(jí)為108.3dB(A)，占整機(jī)噪聲的74%，將實(shí)測整機(jī)噪聲1/3倍頻程譜的頻帶中心聲功率級(jí)按噪聲能量疊加和消去方法得到機(jī)械噪聲和燃燒噪聲的1/3倍頻程聲功率級(jí)譜，如圖3所示。

圖3 機(jī)械噪聲和燃燒噪聲的1/3倍頻程聲功率級(jí)譜

由圖3分析可知，燃燒噪聲與機(jī)械噪聲的能量都主要集中在中心頻率2.5kHz以下，其中，燃燒噪聲在以1kHz(891～1122Hz)為中心的頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)噪聲峰值，說明降低此頻帶范圍內(nèi)的噪聲能量是降低燃燒噪聲的關(guān)鍵。機(jī)械噪聲在以2kHz(1778～2239Hz)為中心的頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)噪聲峰值，同樣降低此頻帶范圍內(nèi)的噪聲能量是控制機(jī)械噪聲的重點(diǎn)。

3 燃燒激勵(lì)響應(yīng)和機(jī)械激勵(lì)響應(yīng)的分離與識(shí)別試驗(yàn)分析

柴油機(jī)缸蓋系統(tǒng)和氣缸體(主推力面)既是燃燒激勵(lì)、氣門機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)沖擊、活塞敲擊的承受者，又是柴油機(jī)輻射噪聲的主要傳遞路徑。因此，將兩個(gè)振動(dòng)加速度傳感器分別布置在缸蓋螺栓和靠近氣缸套的主推力面上，同時(shí)獲取標(biāo)定工況下活塞運(yùn)動(dòng)方向和活塞敲擊方向上的4個(gè)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，測點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 振動(dòng)測點(diǎn)布置

在采用ICA方法進(jìn)行盲分離之前，必須滿足一定的前提條件，即源信號(hào)之間須相互統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，而且至多只能有一個(gè)源信號(hào)為高斯分布［9］。柴油機(jī)燃燒激勵(lì)源和機(jī)械激勵(lì)源具有確定的時(shí)間周期和特定的頻率范圍，在空間傳播上，各有不同的傳遞路徑，這種獨(dú)立的時(shí)間空間分布特性滿足ICA對(duì)源信號(hào)的獨(dú)立性要求。另外，缸蓋測點(diǎn)和主推力面測點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的峭度值均大于0，即均服從超高斯分布，尤其是氣缸蓋，其峭度最大值為30.74。因此，可以推斷，柴油機(jī)燃燒激勵(lì)源與機(jī)械振動(dòng)激勵(lì)源也都具有非高斯分布特性。綜上分析可知，可采用ICA方法對(duì)缸蓋和主推力面振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行盲分離，其中，JADE批處理算法的主要特點(diǎn)是加強(qiáng)算法的代數(shù)概念——引入多變量數(shù)據(jù)的四維累積量，并對(duì)其作特征分解。

因此，本文采用JADE盲分離算法對(duì)缸蓋和主推力面振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行盲源分離，圖5所示為盲分離結(jié)果中比較突出的2個(gè)獨(dú)立分量，每個(gè)獨(dú)立分量都可能對(duì)應(yīng)于柴油機(jī)的一個(gè)振動(dòng)激勵(lì)源響應(yīng)信號(hào)。由于振動(dòng)激勵(lì)源特征是未知的，盲分離結(jié)果的幅值和排列順序又具有不確定性，而僅根據(jù)各獨(dú)立分量的時(shí)域描述，無法判斷各獨(dú)立分量分別對(duì)應(yīng)于哪一種激勵(lì)源響應(yīng)，因此，本文采用功率譜分析和具有較好時(shí)頻定位特性的連續(xù)小波變換對(duì)各獨(dú)立分量進(jìn)行后處理，結(jié)合柴油機(jī)先驗(yàn)知識(shí)，識(shí)別各獨(dú)立分量，并進(jìn)一步分析各激勵(lì)源響應(yīng)的時(shí)頻特征。

圖5 振動(dòng)信號(hào)ICA分離結(jié)果

本文采用韋爾奇譜估計(jì)方法以及選取與柴油機(jī)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)形狀相似的complex morlet1－2小波基對(duì)獨(dú)立分量y1進(jìn)行功率譜計(jì)算和連續(xù)小波變換，結(jié)果如圖6所示。

從圖6a可以看出:y1的能量主要集中在1000～2500Hz的中高頻帶內(nèi)，且以1895Hz的峰值最為突出。圖6b為y1的小波時(shí)頻分析結(jié)果，在3600r/min時(shí)，2缸4沖程柴油機(jī)在0.033s內(nèi)完成一個(gè)工作周期，振動(dòng)能量集中頻帶具有明顯的周期瞬態(tài)特性，與時(shí)域波形中的各沖擊響應(yīng)相對(duì)應(yīng)。由于缸蓋系統(tǒng)、氣缸體所受機(jī)械振動(dòng)激勵(lì)以氣門落座沖擊、活塞橫向敲擊為主，激勵(lì)頻帶都屬于中高頻范圍，因此可以推斷，獨(dú)立分量y1是由機(jī)械激勵(lì)引起的振動(dòng)響應(yīng)。

圖6 獨(dú)立分量y1的功率譜與小波時(shí)頻分析

圖7為獨(dú)立分量y2的分析結(jié)果。從圖7a可以看出:y2的能量主要集中在800～1200Hz的中低頻帶內(nèi)，且以993Hz的峰值最為突出，另外在譜圖上有180Hz的諧波特征頻率存在，正好對(duì)應(yīng)于柴油機(jī)的3倍發(fā)火頻率。圖7b為y2的小波時(shí)頻分析結(jié)果，在柴油機(jī)工作周期0.033s內(nèi)，周期呈現(xiàn)兩個(gè)明顯的瞬態(tài)沖擊響應(yīng)，其頻率成分在800～1200Hz左右，而且出現(xiàn)的間隔和位置正好與時(shí)域波形中的各沖擊響應(yīng)相對(duì)應(yīng)。因此，可以判定獨(dú)立分量y2是由缸內(nèi)燃燒激勵(lì)引起的振動(dòng)響應(yīng)。

圖7 獨(dú)立分量y2的功率譜與小波時(shí)頻分析

綜合單缸熄火法與JADE盲分離算法識(shí)別結(jié)果分析可知:以機(jī)械激勵(lì)引起的振動(dòng)響應(yīng)能量主要集中在1000～2500Hz的中高頻帶內(nèi)，而機(jī)械噪聲在1778～2239Hz頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)能量峰值;以燃燒激勵(lì)引起的振動(dòng)響應(yīng)能量主要集中在800～1200Hz的中低頻帶內(nèi)，而燃燒噪聲在891～1122Hz在頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)能量峰值;機(jī)械噪聲和燃燒噪聲能量集中的頻率區(qū)間在其振動(dòng)激勵(lì)響應(yīng)的頻率區(qū)間范圍內(nèi)，說明氣門落座沖擊、活塞橫向敲擊、燃燒激勵(lì)是柴油機(jī)機(jī)械噪聲與燃燒噪聲的主要振動(dòng)激勵(lì)源。而要控制機(jī)械噪聲和燃燒噪聲關(guān)鍵是降低對(duì)應(yīng)頻帶內(nèi)的振動(dòng)與噪聲能量，最終結(jié)果也說明了JADE算法分離與識(shí)別結(jié)果的正確性、合理性。

4 結(jié)論

(1)在V型雙缸柴油機(jī)常用轉(zhuǎn)速、中高負(fù)荷條件下，燃燒噪聲是主要噪聲源，是整機(jī)降噪的重點(diǎn)。在標(biāo)定工況下，控制燃燒噪聲的關(guān)鍵是降低其中低頻范圍內(nèi)的噪聲能量。

(2)在標(biāo)定工況下，燃燒激勵(lì)源引起的振動(dòng)響應(yīng)能量集中在中低頻帶，機(jī)械振動(dòng)激勵(lì)源引起的振動(dòng)響應(yīng)能量集中在中高頻帶，降低相應(yīng)頻帶內(nèi)的振動(dòng)響應(yīng)能量是降低機(jī)械噪聲和燃燒噪聲的重點(diǎn)。

(3)機(jī)械噪聲和燃燒噪聲能量集中的頻率區(qū)間在激勵(lì)源響應(yīng)頻率區(qū)間范圍內(nèi)，氣門落座沖擊、活塞橫向敲擊、燃燒激勵(lì)是柴油機(jī)機(jī)械噪聲與燃燒噪聲的主要振動(dòng)激勵(lì)源。

(4)基于四階累積量的JWSmICA技術(shù)可以準(zhǔn)確地分離與識(shí)別柴油機(jī)機(jī)械噪聲和燃燒噪聲及其激勵(lì)源響應(yīng)，找到主要振動(dòng)激勵(lì)源，指導(dǎo)后期整機(jī)降噪。

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