柴油機(jī)振聲信號特征提取與低振聲機(jī)體結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究.pdf

1、柴油機(jī)的振動噪聲控制是一個(gè)涉及多個(gè)學(xué)科的、綜合性的、復(fù)雜的系統(tǒng)工程。在柴油機(jī)振動噪聲控制研究領(lǐng)域,振動噪聲源及其特性識別、振動噪聲源與整機(jī)振動噪聲的關(guān)系是兩個(gè)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。為了達(dá)到良好的振動噪聲控制效果,需要識別柴油機(jī)的主要振動噪聲源及其特征,建立振動噪聲源與整機(jī)振動噪聲的關(guān)系,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行低振聲柴油機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與振聲信號能量評價(jià),從而實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段預(yù)測和控制柴油機(jī)振動噪聲的目的。
　　論文以天津市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“基于低噪

2、聲目標(biāo)的內(nèi)燃機(jī)噪聲源特性識別及結(jié)構(gòu)優(yōu)化”和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于熱機(jī)耦合的柴油機(jī)活塞敲擊噪聲研究與控制及活塞系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)”為研究背景,以柴油機(jī)振動噪聲的特征提取、貢獻(xiàn)度計(jì)算、信號能量特征評價(jià)、信號特性預(yù)測與機(jī)體的傳遞特性及結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)為主要研究內(nèi)容,開展以低振聲柴油機(jī)為目標(biāo)的柴油機(jī)振動噪聲源識別與整機(jī)振動噪聲控制的研究工作。應(yīng)用時(shí)頻技術(shù)對柴油機(jī)振動噪聲進(jìn)行了信號特征提取、信號源識別與主要噪聲源貢獻(xiàn)度計(jì)算,提出了柴油機(jī)主要振動噪聲源識

3、別與貢獻(xiàn)度計(jì)算的分析方法;在信號特征提取研究的基礎(chǔ)上,采用信號能量特征評價(jià)指標(biāo)分析了柴油機(jī)振動信號的主要頻率成分,并依據(jù)所建立的關(guān)于靈敏度因子的計(jì)算模型,分析了與供油參數(shù)變化密切相關(guān)的柴油機(jī)振動源及振動源能量特征的變化規(guī)律;建立了柴油機(jī)整機(jī)振動噪聲的預(yù)測流程,分析了柴油機(jī)機(jī)體的傳遞特性并對其進(jìn)行了以低振聲為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)研究,取得了良好的減振降噪效果。全文的主要研究成果如下:
　　1.在小波分析(WA)與經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)

4、的基本原理及算法研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合信號相關(guān)性分析、組合模態(tài)函數(shù)(CMF)方法與小波包技術(shù)(WPT),提出了基于EMD與WA協(xié)同的信號特征提取方法與分析流程,并指明了該方法在信號特征提取時(shí)需注意的問題。柴油機(jī)振動信號特征提取的應(yīng)用研究結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性與有效性。
　　2.針對單通道測量信號在信號源分離與識別方面的不足,以及干擾噪聲會嚴(yán)重影響信號分解過程等問題,提出了基于EMD與獨(dú)立成分分析(ICA)協(xié)同的信號源特征提取方法,克

5、服了源信號數(shù)不超過觀測信號數(shù)的假設(shè),以及避免了干擾噪聲會造成本征模態(tài)函數(shù)(IMF)模態(tài)混疊的現(xiàn)象。同時(shí),針對柴油機(jī)測量噪聲的噪聲源貢獻(xiàn)度問題,提出了基于EMD-ICA盲源分離模型的單一測量噪聲的噪聲源貢獻(xiàn)度計(jì)算方法,定義了獨(dú)立元的貢獻(xiàn)度與貢獻(xiàn)度矩陣,并通過噪聲源貢獻(xiàn)度計(jì)算的應(yīng)用研究結(jié)果很好的驗(yàn)證了該方法的可行性與有效性。
　　3.建立了基于多體動力學(xué)(MBS)-有限元法(FEM)-表面振動速度法的柴油機(jī)整機(jī)振動噪聲仿真分析平臺,計(jì)

6、算了柴油機(jī)主要結(jié)構(gòu)部件的輻射噪聲聲功率與貢獻(xiàn)度的大小,分析了模擬工況下機(jī)體振動響應(yīng)信號及其時(shí)頻特征,并通過整機(jī)平均聲壓級譜的試驗(yàn)測試結(jié)果來驗(yàn)證仿真預(yù)測方法的計(jì)算精度。同時(shí),在該柴油機(jī)仿真平臺的基礎(chǔ)上,采用傳遞函數(shù)與譜相關(guān)技術(shù)探討了機(jī)體結(jié)構(gòu)的傳遞特性,并依據(jù)振動源貢獻(xiàn)度計(jì)算流程確定了影響機(jī)體各部位振動狀況的主要振動源及大小排序。該仿真平臺與分析流程為探討柴油機(jī)激勵載荷、機(jī)體傳遞特性、振聲信號特征之間的相互關(guān)系提供了一個(gè)理想的分析研究平臺。

7、
　　4.在信號特征提取的基礎(chǔ)上,采用能量特征評價(jià)指標(biāo)對柴油機(jī)振動信號進(jìn)行分析,識別出柴油機(jī)振動信號的主要頻率成分,并采用能量變化指標(biāo)計(jì)算得出了轉(zhuǎn)速與負(fù)荷變化對柴油機(jī)機(jī)體與缸蓋測點(diǎn)振動信號能量特征的影響程度。同時(shí),建立了關(guān)于靈敏度因子的計(jì)算模型,確定了與柴油機(jī)供油參數(shù)變化密切相關(guān)的振動源以及該振動源信號能量特征的變化規(guī)律,有助于實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)供油參數(shù)的合理選擇以及振動噪聲控制。
　　5.建立了以低振聲柴油機(jī)為目標(biāo)的機(jī)體結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)

8、計(jì)與評價(jià)的分析流程。首先以振動速度最小化為目標(biāo)對柴油機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),并分析各設(shè)計(jì)參數(shù)對振動速度的靈敏度;然后以某四缸柴油機(jī)機(jī)體為研究對象,探討拓?fù)渑c形狀優(yōu)化方法在低振動柴油機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,并通過試驗(yàn)分析驗(yàn)證計(jì)算模型改進(jìn)的有效性;最后在信號特征提取研究的基礎(chǔ)上,建立了基于信號特征的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案評價(jià)方法,用以評價(jià)柴油機(jī)機(jī)體改進(jìn)前后能量與頻率的變化。該分析流程的采用可以方便的用來設(shè)計(jì)合理的低振動柴油機(jī)結(jié)構(gòu)部件,并對設(shè)計(jì)方案提供