基于连续小波变换的滑移装载机驾驶室噪声分析

□ 杨海英 □ 许 鹏

徐工集团工程机械股份有限公司 江苏徐州 221004

1 分析背景

滑移装载机又称多功能工程车,是一种通过两侧车轮线速度差来实现滑移转向的工程机械。随着国家基础设施建设的推进,滑移装载机行业得到了迅猛发展。滑移装载机的综合性能日益受到重视,早期仅要求作业效率高,目前对环保性能和舒适性也提出了严格的要求[1]。噪声是滑移装载机质量评价中的一个重要因素,驾驶室内的噪声水平是滑移装载机整体性能中的一个重要指标,噪声源识别对滑移装载机驾驶室噪声控制而言具有重要意义。

滑移装载机实际运行时,发动机转速在一定范围内变化,滑移装载机噪声信号为典型的非平稳信号。传统的频谱分析方法适用于稳态信号,用傅里叶变换处理非平稳周期信号存在一定局限性,因此,许多研究者应用时频分析技术来分析非平稳信号。与其它常用的时频分析方法相比,小波分析更适用于非平稳周期信号[2-3]。目前,小波变换技术已成功应用于振动、噪声信号处理领域,其识别结果能满足实际工程需要[4]。笔者应用Complex Morlet小波基连续小波变换方法,对采集到的滑移装载机驾驶室噪声信号进行分析,确定驾驶室的主要噪声源,进而为司机耳边位置处的噪声控制提供技术依据。

2 小波分析原理及基函数选择

设时域信号f(t)∈L2(R),L2(R)为时域空间,t为自变量时间,R为空间。φ(t)为基本小波或母小波函数,则时域信号f(t)的连续小波变换Tf(a,τ)可以定义为:

(1)

式中:a为尺度参数;τ为平移参数;φa,τ(t)为经平移和尺度伸缩后的小波基函数。

(2)

时域信号f(t)在某一尺度a1、某一平移点τ1上的小波变换函数,实质上表征的是在τ1位置处、时间段a1Δt中包含在中心频率为ω0、带宽为Δω频窗内的频率分量大小随尺度参数a1变化,对应中心频率ω0及带宽Δω也发生变化。小波变换是在窗口傅里叶变换引入时频局部化思想的基础上产生和发展起来的,在高频处具有较高的时间分辨率,在低频处具有较高的频率分辨率,即具有变焦特性。这一特性使小波变换在处理非平稳信号时具有足够的适应性,能满足不同的需求。

Complex Morlet小波为高斯包络下的复正弦函数,其表达式ψ(x)为:

(3)

式中:x为频率自变量;fc为高斯包络下的中心频率;fb为带宽因数。

根据相关研究成果,笔者选择Complex Morlet小波作为小波基函数。滑移装载机驾驶室噪声采样频率为6 400 Hz,根据采样定理,为使小波尺度图的频率范围达到3 200 Hz,笔者取最小尺度因子为1,可以满足实际应用要求[5]。

3 驾驶室噪声测试

为了确定驾驶室噪声的主要噪声源,根据国家标准GB/T 25613—2010《土方机械 司机位置发射声压级的测定 定置试验条件》标准,采用LMS振动噪声数据测试系统在半消声室内对滑移装载机驾驶室进行噪声测试,信号采样频率为6 400 Hz,采样时间为10 s。测试环境如图1所示。

▲图1 驾驶室噪声测试环境

4 噪声分析

将测试得到的信号导入MATLAB软件进行处理,驾驶室噪声信号时域图如图2所示,驾驶室噪声信号频域图如图3所示。采用连续小波变换方法对所采集到的噪声信号进行处理,结果如图4所示。图4中,颜色棒图对应信号幅值或能量,亮度越大,表示信号幅值或能量越大[6]。

由图2可以看出,滑移装载机驾驶室噪声信号为非平稳周期信号,声压随时间呈现无规律变化。由图3可以看出,通过频谱分析只能确定各频率下的声压幅值,无法直观确定噪声信号的能量分布。由图4可以看出,驾驶室的噪声信号能量主要集中在300～400 Hz,其次是50～100 Hz[7]。

▲图2 驾驶室噪声信号时域图▲图3 驾驶室噪声信号频域图▲图4 驾驶室噪声信号连续小波变换结果

滑移装载机发动机额定转速为2 300 r/min,在噪声测试时将发动机油门踩到最大,最大油门空转转速比额定转速提高8%～12%,即最大油门空转转速在2 484～2 576 r/min间变动。

风扇旋转噪声是由旋转叶片周期性打击空气质点,引起空气脉动而激发出的噪声,风扇旋转噪声基频f0为:

(4)

式中:w为风扇转速;m为风扇叶片数,m=6。

所研究的滑移装载机,其风扇与发动机的转速传动比值为1.32。

发动机点火噪声频率ω为:

(5)

式中:N为发动机气缸数,N=4;n为发动机转速;v为发动机冲程因数,v=2。

发动机空转转速在2 484～2 576 r/min间变动时,由式(4)计算得到风扇旋转噪声基频范围为300～400 Hz,由式(5)计算得到发动机点火噪声频率为50～100 Hz。由此可以确认,驾驶室噪声能量主要由风扇旋转噪声决定,风扇是驾驶室的主要噪声源,发动机是驾驶室的次要噪声源[8-10]。

5 结束语

笔者应用MATLAB软件,基于连续小波变换对滑移装载机驾驶室噪声进行分析。分析结果表明, 在滑移装载机发动机转速变化时,驾驶室噪声信号能量主要集中在300～400 Hz,其次为50～100 Hz。滑移装载机驾驶室噪声中,主要是风扇旋转噪声,其次为发动机噪声。

非平稳驾驶室噪声信号经连续小波变换后,不仅可以分析信号的能量分布特性,正确反映信号频率成分,而且可以分析信号中主要频率成分随时间变化的特性,可见连续小波变换的结果适用于时频特性明显的信号分析,对噪声控制具有参考价值。