工程車輛降噪節(jié)能與聲學(xué)舒適性的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究.pdf

1、當(dāng)前，噪聲已經(jīng)成為衡量工程機械裝備性能的一個重要指標(biāo)。市場要求越來越高，相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格。隨著大功率產(chǎn)品的不斷發(fā)展，整機噪聲隨之增加和熱流密度不斷提高，過低的冷卻空氣流量已滿足不了發(fā)動機的熱平衡要求，整機工作熱流密度與逐漸降低的噪聲限值的矛盾日益突出。同時，隨著人們生活質(zhì)量和品質(zhì)追求的提高，整機聲學(xué)舒適性也逐漸備受關(guān)注，對噪聲的控制由最初的滿足限值要求將轉(zhuǎn)向聲學(xué)舒適性的研究。因此，我國工程機械要發(fā)展并躋身世界市場，必須解

2、決整機存在噪聲偏大、熱流密度高和聲學(xué)舒適性差的共性問題。
　　針對以上問題，本文圍繞工程車輛的噪聲源分離與識別方法、多物理場耦合作用下降噪節(jié)能優(yōu)化技術(shù)和聲品質(zhì)評價方法與預(yù)測及其控制策略等方面的問題展開研究，提出了基于改進(jìn)后FastICA算法和Scan&Paint聲源掃描定位系統(tǒng)的噪聲源識別數(shù)值分析與試驗研究方法;建立了基于多物理耦合分析和多學(xué)科參數(shù)優(yōu)化模型;提出基于等級評分對比法的聲品質(zhì)主觀評價方法并開發(fā)了軟件系統(tǒng)，提高了主觀評價

3、試驗的工作效率和可靠性;建立了與主觀評價結(jié)果相一致的聲品質(zhì)評價模型，尋求主要聲學(xué)評價參數(shù)與工程車輛噪聲頻譜特性之間的關(guān)系，提供合理的聲品質(zhì)的控制策略。通過平衡重式內(nèi)燃叉車等實際應(yīng)用案例，驗證了以上提出的研究方法、技術(shù)路線和計算模型的可行性和準(zhǔn)確性。論文主要研究內(nèi)容如下:
　　1)在確定工程車輛輻射噪聲特點的基礎(chǔ)上，提出綜合運用獨立分量分析、小波變換和聲學(xué)成像技術(shù)的準(zhǔn)確識別噪聲源方法。針對FastICA估計存在排序、相位和幅值的不確

4、定性，提出基于傅里葉變換和頻譜最大相似度的校正方法，并通過數(shù)值算例對比改進(jìn)前后的FastICA算法的分離結(jié)果，驗證了改進(jìn)后FastICA算法具有盲源分離的有效性和優(yōu)越性。以平衡重式內(nèi)燃叉車為例，在分析和確定采集到的噪聲信號滿足ICA分析獨立性和高斯性的前提下，運用改進(jìn)后的FastICA算法、連續(xù)小波變換和叉車動力艙的先驗知識，分離和識別了怠速工況下的噪聲源，并通過Scan&Paint聲源定位系統(tǒng)驗證了數(shù)值分析計算的準(zhǔn)確性。計算所有噪聲信

5、號和獨立分量的噪聲貢獻(xiàn)度，確定了主次噪聲源分別為發(fā)動機燃燒的基頻噪聲和排氣系統(tǒng)的基頻噪聲。
　　2)針對現(xiàn)有工程車輛存在降噪與散熱的矛盾問題，提出基于多物理場耦合分析與多學(xué)科參數(shù)優(yōu)化的方法?？紤]到聲波輻射過程中多物理場的相互影響，分析和推導(dǎo)了在非理想介質(zhì)中聲場、溫度場和流速場相互耦合的控制方程，并引入了完美匹配層邊界模擬聲波在大氣層的無反射現(xiàn)象。以降噪降溫為目標(biāo)函數(shù)，以結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)為設(shè)計變量，以多物理場耦合的偏微分方程組及設(shè)計變量

6、初始值為約束條件，提出多學(xué)科參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型和運用COMSOL Multiphysics平臺進(jìn)行數(shù)值計算。以同款叉車的動力艙為研究案例，以理論分析和試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立動力艙的多物理場耦合模型，并進(jìn)行數(shù)值計算。通過對比數(shù)值計算和試驗測試得到了觀測點聲壓級和溫度，驗證了所建模型的有效性。在此基礎(chǔ)上，建立了動力艙的多學(xué)科參數(shù)優(yōu)化模型，得到了較好的降噪降溫效果，并對優(yōu)化結(jié)果給出合理的解釋，從而提出了動力艙結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的改進(jìn)方案。
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7、針對如何評價工程機械聲學(xué)舒適性問題，提出了基于等級評分對比法的聲品質(zhì)評價方法，并設(shè)計和開發(fā)了基于該方法的評價系統(tǒng)。結(jié)合工程車輛自身特點，選取了線性聲壓級、A計權(quán)聲壓級、響度、尖銳度、粗糙度、抖動度、音調(diào)度、語音清晰度和沖激量為心理聲學(xué)客觀參數(shù)，并以煩躁度為主觀評價指標(biāo)。介紹了基于多元線性回歸法、標(biāo)準(zhǔn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的常見主客觀建模方法后，提出基于PSO-BP算法的主客觀非線性映射方法，并指出運用Garson算法確定主要客

8、觀參數(shù)。以50個叉車的噪聲信號為樣本數(shù)據(jù)，在提出評價系統(tǒng)的校驗方法和確定對比樣本及其對應(yīng)等級后，組織評審團(tuán)進(jìn)行主觀評價試驗，并對評價數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性和有效性檢驗，計算了所選的客觀參數(shù)值和分析其與煩躁度的相關(guān)性。建立了基于多元線性回歸、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評價模型和對比了模型的預(yù)測精度，確定了PSO-BP模型為叉車噪聲主客觀評價的數(shù)學(xué)模型，并由此得到影響煩躁度的最主要客觀參數(shù)為響度。分析了在怠速和額定轉(zhuǎn)速

9、下的響度與頻率的對應(yīng)關(guān)系，確定了叉車的聲品質(zhì)取決于低頻，并據(jù)此提出可實現(xiàn)的聲品質(zhì)控制策略。
　　4)根據(jù)以上的研究成果，提出基于減振和局部密封的應(yīng)用樣機改進(jìn)方案。按照叉車的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行試驗測試，結(jié)果表明改進(jìn)后樣機的輻射噪聲降低2.4 dB(A)，熱平衡水溫降低2.2℃，均滿足了標(biāo)準(zhǔn)限值。改進(jìn)后的煩躁度預(yù)測值較改進(jìn)前的主觀評價值均下降了10％以上，樣機的聲學(xué)舒適性得到了明顯的改善。樣機的成功改進(jìn)驗證了本文提出的噪聲控制理論、方