基于連續(xù)小波變換的滑移裝載機(jī)駕駛室噪聲分析

□ 楊海英 □ 許 鵬

徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司 江蘇徐州 221004

1 分析背景

滑移裝載機(jī)又稱多功能工程車,是一種通過兩側(cè)車輪線速度差來實(shí)現(xiàn)滑移轉(zhuǎn)向的工程機(jī)械。隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推進(jìn),滑移裝載機(jī)行業(yè)得到了迅猛發(fā)展。滑移裝載機(jī)的綜合性能日益受到重視,早期僅要求作業(yè)效率高,目前對環(huán)保性能和舒適性也提出了嚴(yán)格的要求[1]。噪聲是滑移裝載機(jī)質(zhì)量評價(jià)中的一個(gè)重要因素,駕駛室內(nèi)的噪聲水平是滑移裝載機(jī)整體性能中的一個(gè)重要指標(biāo),噪聲源識別對滑移裝載機(jī)駕駛室噪聲控制而言具有重要意義。

滑移裝載機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)變化,滑移裝載機(jī)噪聲信號為典型的非平穩(wěn)信號。傳統(tǒng)的頻譜分析方法適用于穩(wěn)態(tài)信號,用傅里葉變換處理非平穩(wěn)周期信號存在一定局限性,因此,許多研究者應(yīng)用時(shí)頻分析技術(shù)來分析非平穩(wěn)信號。與其它常用的時(shí)頻分析方法相比,小波分析更適用于非平穩(wěn)周期信號[2-3]。目前,小波變換技術(shù)已成功應(yīng)用于振動(dòng)、噪聲信號處理領(lǐng)域,其識別結(jié)果能滿足實(shí)際工程需要[4]。筆者應(yīng)用Complex Morlet小波基連續(xù)小波變換方法,對采集到的滑移裝載機(jī)駕駛室噪聲信號進(jìn)行分析,確定駕駛室的主要噪聲源,進(jìn)而為司機(jī)耳邊位置處的噪聲控制提供技術(shù)依據(jù)。

2 小波分析原理及基函數(shù)選擇

設(shè)時(shí)域信號f(t)∈L2(R),L2(R)為時(shí)域空間,t為自變量時(shí)間,R為空間。φ(t)為基本小波或母小波函數(shù),則時(shí)域信號f(t)的連續(xù)小波變換Tf(a,τ)可以定義為:

(1)

式中:a為尺度參數(shù);τ為平移參數(shù);φa,τ(t)為經(jīng)平移和尺度伸縮后的小波基函數(shù)。

(2)

時(shí)域信號f(t)在某一尺度a1、某一平移點(diǎn)τ1上的小波變換函數(shù),實(shí)質(zhì)上表征的是在τ1位置處、時(shí)間段a1Δt中包含在中心頻率為ω0、帶寬為Δω頻窗內(nèi)的頻率分量大小隨尺度參數(shù)a1變化,對應(yīng)中心頻率ω0及帶寬Δω也發(fā)生變化。小波變換是在窗口傅里葉變換引入時(shí)頻局部化思想的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來的,在高頻處具有較高的時(shí)間分辨率,在低頻處具有較高的頻率分辨率,即具有變焦特性。這一特性使小波變換在處理非平穩(wěn)信號時(shí)具有足夠的適應(yīng)性,能滿足不同的需求。

Complex Morlet小波為高斯包絡(luò)下的復(fù)正弦函數(shù),其表達(dá)式ψ(x)為:

(3)

式中:x為頻率自變量;fc為高斯包絡(luò)下的中心頻率;fb為帶寬因數(shù)。

根據(jù)相關(guān)研究成果,筆者選擇Complex Morlet小波作為小波基函數(shù)?；蒲b載機(jī)駕駛室噪聲采樣頻率為6 400 Hz,根據(jù)采樣定理,為使小波尺度圖的頻率范圍達(dá)到3 200 Hz,筆者取最小尺度因子為1,可以滿足實(shí)際應(yīng)用要求[5]。

3 駕駛室噪聲測試

為了確定駕駛室噪聲的主要噪聲源,根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25613—2010《土方機(jī)械 司機(jī)位置發(fā)射聲壓級的測定 定置試驗(yàn)條件》標(biāo)準(zhǔn),采用LMS振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)在半消聲室內(nèi)對滑移裝載機(jī)駕駛室進(jìn)行噪聲測試,信號采樣頻率為6 400 Hz,采樣時(shí)間為10 s。測試環(huán)境如圖1所示。

▲圖1 駕駛室噪聲測試環(huán)境

4 噪聲分析

將測試得到的信號導(dǎo)入MATLAB軟件進(jìn)行處理,駕駛室噪聲信號時(shí)域圖如圖2所示,駕駛室噪聲信號頻域圖如圖3所示。采用連續(xù)小波變換方法對所采集到的噪聲信號進(jìn)行處理,結(jié)果如圖4所示。圖4中,顏色棒圖對應(yīng)信號幅值或能量,亮度越大,表示信號幅值或能量越大[6]。

由圖2可以看出,滑移裝載機(jī)駕駛室噪聲信號為非平穩(wěn)周期信號,聲壓隨時(shí)間呈現(xiàn)無規(guī)律變化。由圖3可以看出,通過頻譜分析只能確定各頻率下的聲壓幅值,無法直觀確定噪聲信號的能量分布。由圖4可以看出,駕駛室的噪聲信號能量主要集中在300～400 Hz,其次是50～100 Hz[7]。

▲圖2 駕駛室噪聲信號時(shí)域圖▲圖3 駕駛室噪聲信號頻域圖▲圖4 駕駛室噪聲信號連續(xù)小波變換結(jié)果

滑移裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 300 r/min,在噪聲測試時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)油門踩到最大,最大油門空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速比額定轉(zhuǎn)速提高8%～12%,即最大油門空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速在2 484～2 576 r/min間變動(dòng)。

風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)噪聲是由旋轉(zhuǎn)葉片周期性打擊空氣質(zhì)點(diǎn),引起空氣脈動(dòng)而激發(fā)出的噪聲,風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)噪聲基頻f0為:

(4)

式中:w為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速;m為風(fēng)扇葉片數(shù),m=6。

所研究的滑移裝載機(jī),其風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速傳動(dòng)比值為1.32。

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火噪聲頻率ω為:

(5)

式中:N為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù),N=4;n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;v為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程因數(shù),v=2。

發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速在2 484～2 576 r/min間變動(dòng)時(shí),由式(4)計(jì)算得到風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)噪聲基頻范圍為300～400 Hz,由式(5)計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火噪聲頻率為50～100 Hz。由此可以確認(rèn),駕駛室噪聲能量主要由風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)噪聲決定,風(fēng)扇是駕駛室的主要噪聲源,發(fā)動(dòng)機(jī)是駕駛室的次要噪聲源[8-10]。

5 結(jié)束語

筆者應(yīng)用MATLAB軟件,基于連續(xù)小波變換對滑移裝載機(jī)駕駛室噪聲進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明, 在滑移裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí),駕駛室噪聲信號能量主要集中在300～400 Hz,其次為50～100 Hz?；蒲b載機(jī)駕駛室噪聲中,主要是風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)噪聲,其次為發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。

非平穩(wěn)駕駛室噪聲信號經(jīng)連續(xù)小波變換后,不僅可以分析信號的能量分布特性,正確反映信號頻率成分,而且可以分析信號中主要頻率成分隨時(shí)間變化的特性,可見連續(xù)小波變換的結(jié)果適用于時(shí)頻特性明顯的信號分析,對噪聲控制具有參考價(jià)值。