柴油機振聲信號特征提取與低振聲機體結構改進研究.pdf

1、柴油機的振動噪聲控制是一個涉及多個學科的、綜合性的、復雜的系統(tǒng)工程。在柴油機振動噪聲控制研究領域,振動噪聲源及其特性識別、振動噪聲源與整機振動噪聲的關系是兩個最關鍵的環(huán)節(jié)。為了達到良好的振動噪聲控制效果,需要識別柴油機的主要振動噪聲源及其特征,建立振動噪聲源與整機振動噪聲的關系,并在此基礎上進行低振聲柴油機結構優(yōu)化與振聲信號能量評價,從而實現(xiàn)在設計階段預測和控制柴油機振動噪聲的目的。
　　論文以天津市自然科學基金重點項目“基于低噪

2、聲目標的內燃機噪聲源特性識別及結構優(yōu)化”和國家自然科學基金項目“基于熱機耦合的柴油機活塞敲擊噪聲研究與控制及活塞系統(tǒng)優(yōu)化設計”為研究背景,以柴油機振動噪聲的特征提取、貢獻度計算、信號能量特征評價、信號特性預測與機體的傳遞特性及結構改進設計為主要研究內容,開展以低振聲柴油機為目標的柴油機振動噪聲源識別與整機振動噪聲控制的研究工作。應用時頻技術對柴油機振動噪聲進行了信號特征提取、信號源識別與主要噪聲源貢獻度計算,提出了柴油機主要振動噪聲源識

3、別與貢獻度計算的分析方法;在信號特征提取研究的基礎上,采用信號能量特征評價指標分析了柴油機振動信號的主要頻率成分,并依據(jù)所建立的關于靈敏度因子的計算模型,分析了與供油參數(shù)變化密切相關的柴油機振動源及振動源能量特征的變化規(guī)律;建立了柴油機整機振動噪聲的預測流程,分析了柴油機機體的傳遞特性并對其進行了以低振聲為目標的結構改進設計研究,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)驗模態(tài)分解(EMD)

4、的基本原理及算法研究的基礎上,結合信號相關性分析、組合模態(tài)函數(shù)(CMF)方法與小波包技術(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需注意的問題。柴油機振動信號特征提取的應用研究結果驗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,以及干擾噪聲會嚴重影響信號分解過程等問題,提出了基于EMD與獨立成分分析(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,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,針對柴油機測量噪聲的噪聲源貢獻度問題,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度計算方法,定義了獨立元的貢獻度與貢獻度矩陣,并通過噪聲源貢獻度計算的應用研究結果很好的驗證了該方法的可行性與有效性。
　　3.建立了基于多體動力學(MBS)-有限元法(FEM)-表面振動速度法的柴油機整機振動噪聲仿真分析平臺,計

6、算了柴油機主要結構部件的輻射噪聲聲功率與貢獻度的大小,分析了模擬工況下機體振動響應信號及其時頻特征,并通過整機平均聲壓級譜的試驗測試結果來驗證仿真預測方法的計算精度。同時,在該柴油機仿真平臺的基礎上,采用傳遞函數(shù)與譜相關技術探討了機體結構的傳遞特性,并依據(jù)振動源貢獻度計算流程確定了影響機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激勵載荷、機體傳遞特性、振聲信號特征之間的相互關系提供了一個理想的分析研究平臺。

7、
　　4.在信號特征提取的基礎上,采用能量特征評價指標對柴油機振動信號進行分析,識別出柴油機振動信號的主要頻率成分,并采用能量變化指標計算得出了轉速與負荷變化對柴油機機體與缸蓋測點振動信號能量特征的影響程度。同時,建立了關于靈敏度因子的計算模型,確定了與柴油機供油參數(shù)變化密切相關的振動源以及該振動源信號能量特征的變化規(guī)律,有助于實現(xiàn)柴油機供油參數(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為目標的機體結構改進設

8、計與評價的分析流程。首先以振動速度最小化為目標對柴油機機體結構進行改進設計,并分析各設計參數(shù)對振動速度的靈敏度;然后以某四缸柴油機機體為研究對象,探討拓撲與形狀優(yōu)化方法在低振動柴油機機體結構設計中的應用,并通過試驗分析驗證計算模型改進的有效性;最后在信號特征提取研究的基礎上,建立了基于信號特征的結構改進方案評價方法,用以評價柴油機機體改進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計合理的低振動柴油機結構部件,并對設計方案提供