基于連續(xù)小波變換的滑移裝載機駕駛室噪聲分析

□ 楊海英 □ 許 鵬

徐工集團工程機械股份有限公司 江蘇徐州 221004

1 分析背景

滑移裝載機又稱多功能工程車,是一種通過兩側(cè)車輪線速度差來實現(xiàn)滑移轉(zhuǎn)向的工程機械。隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推進,滑移裝載機行業(yè)得到了迅猛發(fā)展。滑移裝載機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格的要求[1]。噪聲是滑移裝載機質(zhì)量評價中的一個重要因素,駕駛室內(nèi)的噪聲水平是滑移裝載機整體性能中的一個重要指標,噪聲源識別對滑移裝載機駕駛室噪聲控制而言具有重要意義。

滑移裝載機實際運行時,發(fā)動機轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)變化,滑移裝載機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,許多研究者應用時頻分析技術(shù)來分析非平穩(wěn)信號。與其它常用的時頻分析方法相比,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)已成功應用于振動、噪聲信號處理領(lǐng)域,其識別結(jié)果能滿足實際工程需要[4]。筆者應用Complex Morlet小波基連續(xù)小波變換方法,對采集到的滑移裝載機駕駛室噪聲信號進行分析,確定駕駛室的主要噪聲源,進而為司機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)時域信號f(t)∈L2(R),L2(R)為時域空間,t為自變量時間,R為空間。φ(t)為基本小波或母小波函數(shù),則時域信號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)

時域信號f(t)在某一尺度a1、某一平移點τ1上的小波變換函數(shù),實質(zhì)上表征的是在τ1位置處、時間段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)信號時具有足夠的適應性,能滿足不同的需求。

Complex Morlet小波為高斯包絡(luò)下的復正弦函數(shù),其表達式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)。滑移裝載機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到3 200 Hz,筆者取最小尺度因子為1,可以滿足實際應用要求[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)國家標準GB/T 25613—2010《土方機械 司機位置發(fā)射聲壓級的測定 定置試驗條件》標準,采用LMS振動噪聲數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)在半消聲室內(nèi)對滑移裝載機駕駛室進行噪聲測試,信號采樣頻率為6 400 Hz,采樣時間為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入MATLAB軟件進行處理,駕駛室噪聲信號時域圖如圖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行處理,結(jié)果如圖4所示。圖4中,顏色棒圖對應信號幅值或能量,亮度越大,表示信號幅值或能量越大[6]。

由圖2可以看出,滑移裝載機駕駛室噪聲信號為非平穩(wěn)周期信號,聲壓隨時間呈現(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

滑移裝載機發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速為2 300 r/min,在噪聲測試時將發(fā)動機油門踩到最大,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。

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

(4)

式中:w為風扇轉(zhuǎn)速;m為風扇葉片數(shù),m=6。

所研究的滑移裝載機,其風扇與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速傳動比值為1.32。

發(fā)動機點火噪聲頻率ω為:

(5)

式中:N為發(fā)動機氣缸數(shù),N=4;n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速;v為發(fā)動機沖程因數(shù),v=2。

發(fā)動機空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速在2 484～2 576 r/min間變動時,由式(4)計算得到風扇旋轉(zhuǎn)噪聲基頻范圍為300～400 Hz,由式(5)計算得到發(fā)動機點火噪聲頻率為50～100 Hz。由此可以確認,駕駛室噪聲能量主要由風扇旋轉(zhuǎn)噪聲決定,風扇是駕駛室的主要噪聲源,發(fā)動機是駕駛室的次要噪聲源[8-10]。

5 結(jié)束語

筆者應用MATLAB軟件,基于連續(xù)小波變換對滑移裝載機駕駛室噪聲進行分析。分析結(jié)果表明, 在滑移裝載機發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化時,駕駛室噪聲信號能量主要集中在300～400 Hz,其次為50～100 Hz。滑移裝載機駕駛室噪聲中,主要是風扇旋轉(zhuǎn)噪聲,其次為發(fā)動機噪聲。

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間變化的特性,可見連續(xù)小波變換的結(jié)果適用于時頻特性明顯的信號分析,對噪聲控制具有參考價值。