柴油機(jī)振聲信號(hào)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(dòng)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(dòng)噪聲控制研究領(lǐng)域,振動(dòng)噪聲源及其特性識(shí)別、振動(dòng)噪聲源與整機(jī)振動(dòng)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(dòng)噪聲控制效果,需要識(shí)別柴油機(jī)的主要振動(dòng)噪聲源及其特征,建立振動(dòng)噪聲源與整機(jī)振動(dòng)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(hào)能量評(píng)價(jià),從而實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)和控制柴油機(jī)振動(dòng)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(shí)別及結(jié)構(gòu)優(yōu)化”和國(guó)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(dòng)噪聲的特征提取、貢獻(xiàn)度計(jì)算、信號(hào)能量特征評(píng)價(jià)、信號(hào)特性預(yù)測(cè)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?jī)?nèi)容,開展以低振聲柴油機(jī)為目標(biāo)的柴油機(jī)振動(dòng)噪聲源識(shí)別與整機(jī)振動(dòng)噪聲控制的研究工作。應(yīng)用時(shí)頻技術(shù)對(duì)柴油機(jī)振動(dòng)噪聲進(jìn)行了信號(hào)特征提取、信號(hào)源識(shí)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(dòng)噪聲源識(shí)

3、別與貢獻(xiàn)度計(jì)算的分析方法;在信號(hào)特征提取研究的基礎(chǔ)上,采用信號(hào)能量特征評(píng)價(jià)指標(biāo)分析了柴油機(jī)振動(dòng)信號(hào)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(dòng)源及振動(dòng)源能量特征的變化規(guī)律;建立了柴油機(jī)整機(jī)振動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)流程,分析了柴油機(jī)機(jī)體的傳遞特性并對(duì)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(hào)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(hào)特征提取方法與分析流程,并指明了該方法在信號(hào)特征提取時(shí)需注意的問題。柴油機(jī)振動(dòng)信號(hào)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(duì)單通道測(cè)量信號(hào)在信號(hào)源分離與識(shí)別方面的不足,以及干擾噪聲會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)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(hào)源特征提取方法,克

5、服了源信號(hào)數(shù)不超過觀測(cè)信號(hào)數(shù)的假設(shè),以及避免了干擾噪聲會(huì)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(duì)柴油機(jī)測(cè)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(cè)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(dòng)力學(xué)(MBS)-有限元法(FEM)-表面振動(dòng)速度法的柴油機(jī)整機(jī)振動(dòng)噪聲仿真分析平臺(tái),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(dòng)響應(yīng)信號(hào)及其時(shí)頻特征,并通過整機(jī)平均聲壓級(jí)譜的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果來驗(yàn)證仿真預(yù)測(cè)方法的計(jì)算精度。同時(shí),在該柴油機(jī)仿真平臺(tái)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(dòng)源貢獻(xiàn)度計(jì)算流程確定了影響機(jī)體各部位振動(dòng)狀況的主要振動(dòng)源及大小排序。該仿真平臺(tái)與分析流程為探討柴油機(jī)激勵(lì)載荷、機(jī)體傳遞特性、振聲信號(hào)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(tái)。

7、
　　4.在信號(hào)特征提取的基礎(chǔ)上,采用能量特征評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)柴油機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析,識(shí)別出柴油機(jī)振動(dòng)信號(hào)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(duì)柴油機(jī)機(jī)體與缸蓋測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)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(dòng)源以及該振動(dòng)源信號(hào)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(dòng)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(píng)價(jià)的分析流程。首先以振動(dòng)速度最小化為目標(biāo)對(duì)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(duì)振動(dòng)速度的靈敏度;然后以某四缸柴油機(jī)機(jī)體為研究對(duì)象,探討拓?fù)渑c形狀優(yōu)化方法在低振動(dòng)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(hào)特征提取研究的基礎(chǔ)上,建立了基于信號(hào)特征的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案評(píng)價(jià)方法,用以評(píng)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(dòng)柴油機(jī)結(jié)構(gòu)部件,并對(duì)設(shè)計(jì)方案提供