汽車摘掛擋噪聲識別與分析系統設計

王繼躍 劉偉東 吳亞軍 申春寶 王泮震

（1.中國第一汽車股份有限公司新能源開發院，長春 130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春 130013）

主題詞：時域分析法 摘掛擋噪聲 LabVIEW

1 前言

隨著對雙離合自動變速器（Dual Clutch Transmission，DCT）的研究深入，汽車廠家對濕式DCT摘掛擋品質提出了更高的要求。目前，對汽車在運行過程中所產生的噪聲進行采集和分析的主要方法是采用聲級計進行音頻信號處理[1-2]。然而，在產品開發階段臺架及整車試驗和標定過程中，DCT所處的聲學環境較為惡劣，普通聲級計和分析儀無法滿足變速器摘掛擋噪聲識別、分析與評價的需求[3-4]。為此，本文基于振動傳感器和撥叉位置傳感器，利用LabVIEW 開發能夠在復雜聲學環境下進行摘掛擋噪聲識別與分析的系統。

2 系統設計

基于LabVIEW的汽車變速器摘掛擋噪聲識別與分析系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構示意

2.1 系統硬件設計

系統硬件組成如圖2 所示，選取BK 4507-B-001型振動傳感器，采用自動變速器內置撥叉位置傳感器和計算機內置聲卡，以HBM 公司的QuantumX MX840B通用放大器作為數據采集卡，并與計算機通過以太網通訊。

圖2 系統硬件組成示意

2.2 系統軟件設計

系統的軟件設計采用由NI公司推出的基于圖形化編程語言的開發工具LabVIEW[5]，其采用了面向對象的方法和概念進行系統開發。整個系統采用模塊化編程思路，根據實現功能的不同可劃分為若干個子模塊，使用過程中可根據不同的需求選擇相應的測試功能。

系統軟件組成如圖3 所示，軟件系統信息流向如圖4 所示。其中，噪聲識別裝置基于LabVIEW 平臺開發，包括噪聲識別模塊、噪聲分析模塊和噪聲轉換模塊。噪聲識別模塊用于獲取振動信號的時域特性曲線，并據此確定振動信號是否為噪聲。噪聲分析模塊用于對振動信號和撥叉位置信號進行對齊和重采樣處理，并根據處理后的信號確定產生噪聲時撥叉的對應位置區間。噪聲轉化模塊用于對振動信號按照設定的采樣間隔進行重采樣，并實時轉化為音頻信號。

圖3 基于LabVIEW的系統軟件組成

圖4 軟件系統信息流向

振動信號進入噪聲識別模塊后被分為兩路，對其中一路做幅值和電平測量獲得振動信號的時域幅值，若振動信號為變速器摘掛擋時產生的噪聲，則將噪聲產生期間所獲得的時域幅值分別增、減設定值FΦ，獲得上、下限掩區帶，并將其刷入掩區和邊界測試單元。

以實車狀態下掛2 擋為例，對本系統上、下限掩區帶的選取進行說明。反復執行掛2擋命令，自命令發出時刻起至掛擋命令執行結束時刻，測量此時域區間內變速器掛2 擋無噪聲時振動信號時域幅值帶F1及掛2 擋產生噪聲時振動信號時域幅值帶F2，F1與F2做差得到差值帶Fσ。上述FΦ為差值帶Fσ中數據中位數的絕對值，命名為F0.5，將F2增、減FΦ即為本系統上、下限掩區帶的設定參數。同時，可通過調節FΦ來調節系統噪聲識別靈敏度，為保證系統功能，FΦ應小于Fσ的最大值。

對另一路振動信號調用信號掩區和邊界測試單元，對振動信號的時域特性曲線進行信號掩區和邊界測試。當該曲線在上、下限掩區之間時，該振動信號為摘掛擋產生的噪聲。本系統中，通過對不同種類的噪聲信號做幅值和電平測量獲得時域幅值，從而獲得不同種類噪聲信號對應的上、下限掩區帶，通過確定振動信號時域特性曲線落入的區間，可以識別噪聲信號的類別。

具體的，振動信號和撥叉位置信號輸入噪聲分析模塊后，調用對齊和重采樣單元對振動信號和撥叉位置信號進行對齊處理，采用線性插值模式以預設采樣間隔并進行重采樣。當變速器產生摘掛擋噪聲時，檢測振動信號的波形突變點，根據對齊的振動信號和撥叉位置信號確定波形突變點與撥叉位置信號對應的區間，從而獲得噪聲信號對應的撥叉位置區間，即確定摘掛擋噪聲產生時變速器所處的換擋階段。

振動信號輸入噪聲轉換模塊后，按照實車在安靜環境下的摘掛擋噪聲確定的采樣間隔，對振動信號進行重采樣，并調用聲卡驅動單元將重采樣后的振動信號實時轉化為音頻信號，其中一路音頻信號被存儲，另一路音頻信號被發送至聲音播放模塊進行播放。本系統中，采用實車在安靜環境下的摘掛擋噪聲確定的采樣間隔對振動信號進行重采樣，使轉換后的音頻信號音色與實車在安靜環境下的摘掛擋噪聲一致，從而實現對惡劣聲學環境下變速器摘掛擋噪聲大小的主觀評價。同時，噪聲轉換模塊獲取振動信號的時域幅值，并將時域幅值的均方根與實車在安靜環境下的摘掛擋噪聲對應的時域幅值閾值進行比較，判斷時域幅值的均方根是否落入設定閾值范圍，若落入，則進行報警。例如，獲得實車安靜環境摘掛擋產生的3個不同噪聲的閾值分別為T1、T2和T3，且T1＜T2＜T3，設時域幅值的均方根為T：如果T1≤T＜T2，則綠色指示燈點亮，蜂鳴器不報警；如果T2≤T＜T3，則黃色指示燈點亮，蜂鳴器不報警；如果T≥T3，則紅色指示燈點亮，蜂鳴器報警。由此實現了對噪聲的客觀評價。

3 系統測試驗證

以某型在研濕式7速DCT為例，利用本文提出的噪聲識別與分析系統對該型變速器進行分析。系統測試僅對系統功能進行驗證。

在噪聲識別模塊中，圖5所示為某換擋工況下用于摘掛擋噪聲識別的上限掩區設置界面，可通過文件導入或者手動寫入的方式輸入上、下限掩區限值。然后接通被測信號，當被測信號與上、下限掩區交叉時，表明所測信號非摘掛擋噪聲，此時第一圖譜顯示單元顯示如圖6所示的“超限區域”，當被測信號完全落入上、下限掩區之間時，被測信號為該限值下摘掛擋噪聲，此時第一報警單元蜂鳴器響起。

圖5 上限掩區限值輸入界面

圖6 第一圖譜顯示單元

在噪聲分析模塊中，將自動變速器穿缸線束中的撥叉位置信號引入數據采集卡，并將其與振動信號對齊重采樣，同步顯示在第二圖譜顯示單元，如圖7 所示。通過對比振動信號產生尖峰時的撥叉位置區間，可便捷地分析出噪聲產生時變速器所處的換擋階段。

在噪聲轉換模塊中，調用計算機內置聲卡，將采集到的振動信號重采樣后以音頻信號實時輸出，通過改變重采樣時的采樣頻率使得實時轉換后的摘掛擋噪聲具備與實車摘掛擋噪聲相近的音色，以此進行噪聲的主觀評價。同時，以實車產生摘掛擋噪聲時振動信號的幅值均方根為閾值，實時獲取振動信號的幅值均方根并與上述閾值作比較，結果如圖8所示，當產生摘掛擋噪聲時，第二報警單元報警，實現摘掛擋噪聲的客觀評價。

圖7 第二圖譜顯示單元

圖8 第二報警單元

4 結束語

本文構建了一種基于LabVIEW的汽車變速器摘掛擋噪聲識別與分析系統，以噪聲的識別、分析與評價為中心進行系統的功能開發，系統內置了上、下限掩區、均方根閾值、重采樣頻率等多種標定參數，用戶可根據實際使用需求在變速器不同的擋位、使用溫度、換擋力大小等維度，針對本系統的內置參數以及所采集的噪聲信號等數據進行產品開發數據庫搭建，提升產品開發過程中變速器噪聲問題的可追溯性。同時，由于該系統采用模塊化設計思路，具有靈活性和可擴展性。