工程機(jī)械司機(jī)室內(nèi)噪聲信號(hào)盲源分離及特性研究.pdf

1、目前我國(guó)工業(yè)化建設(shè)進(jìn)展迅速，工程機(jī)械設(shè)備在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著突出作用。工程機(jī)械行業(yè)已發(fā)展成為我國(guó)機(jī)械工業(yè)中的第四大行業(yè)，國(guó)產(chǎn)工程機(jī)械設(shè)備技術(shù)水平獲得了很大提升。隨著工程機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展以及各國(guó)環(huán)保政策的大力推行，人們對(duì)于工程機(jī)械的綜合性能提出了更高的要求，對(duì)于工程機(jī)械的舒適性和噪聲控制的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。工程機(jī)械司機(jī)室內(nèi)噪聲作為NVH(Noise、Vibration、Harshness)重要指標(biāo)之一，越來(lái)越受到廣泛的關(guān)注

2、。為增強(qiáng)我國(guó)的工程機(jī)械產(chǎn)品國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)我國(guó)向著工程機(jī)械制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變，對(duì)司機(jī)室內(nèi)噪聲問(wèn)題進(jìn)行研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
　　推土機(jī)司機(jī)室受到多種振動(dòng)和噪聲激勵(lì)影響，各噪聲源具有各自的時(shí)頻特征。當(dāng)在多個(gè)噪聲源共存的情況下，降低司機(jī)室噪聲，需要抑制最主要噪聲源，才能取得明顯的降噪效果。因此，確定噪聲源是降低噪聲限值的首要工作。由于多個(gè)噪聲源的同時(shí)作用，測(cè)試采集得到的噪聲信號(hào)包含多種復(fù)雜的瞬變非穩(wěn)態(tài)信號(hào)和少數(shù)穩(wěn)態(tài)信號(hào)的疊加，研究司機(jī)室振

3、動(dòng)噪聲源及特性，是實(shí)現(xiàn)噪聲源定位的重要基礎(chǔ)。
　　研究發(fā)現(xiàn)司機(jī)室內(nèi)噪聲、振動(dòng)信號(hào)是含有一定噪聲的非平穩(wěn)信號(hào)，采用小波等時(shí)頻分析方法能夠其進(jìn)行詳細(xì)的研究，但需依據(jù)信號(hào)特征反復(fù)調(diào)整參數(shù)才能取得較好的分析效果，而EEMD能夠?qū)⒎蔷€性、非平穩(wěn)信號(hào)自適應(yīng)分解成為一族固有模態(tài)函數(shù)IMF，這將有效的提高振動(dòng)、噪聲信號(hào)分析效率。但EEMD方法也存在著參與運(yùn)算的白噪聲信號(hào)影響分解效果的問(wèn)題。改進(jìn)的EEMD方法即MEEMD方法，在保持EEMD分解的優(yōu)

4、點(diǎn)的同時(shí)，減小了參與輔助計(jì)算的白噪聲殘留，對(duì)IMF分量的模態(tài)分裂也有較好的抑制作用。本研究將MEEMD方法應(yīng)用到推土機(jī)司機(jī)室內(nèi)振動(dòng)噪聲信號(hào)特征分析上，可改進(jìn)現(xiàn)司機(jī)室內(nèi)振動(dòng)噪聲源特征分析效果。
　　推土機(jī)司機(jī)室內(nèi)振動(dòng)噪聲源眾多，且傳入路徑復(fù)雜，由于工程實(shí)際測(cè)試時(shí)相關(guān)測(cè)量使用的傳感器數(shù)量限制，如何利用有限的觀測(cè)信號(hào)識(shí)別多個(gè)源信號(hào)，是欠定盲識(shí)別的難題。研究表明，單通道信號(hào)經(jīng)MEEMD分解，拓展為多個(gè)帶有源信號(hào)的特征信息的IMF分量，從而

5、實(shí)現(xiàn)欠定問(wèn)題到正定問(wèn)題的轉(zhuǎn)換。本文將采集的振動(dòng)、噪聲信號(hào)的MEEMD分解結(jié)果作為冗余的觀測(cè)分量，分別利用協(xié)方差矩陣特征值分析方法和信號(hào)稀疏性特征分析方法，探討司機(jī)室內(nèi)振動(dòng)噪聲源的數(shù)目估計(jì)，為實(shí)現(xiàn)司機(jī)室內(nèi)振動(dòng)噪聲源準(zhǔn)確識(shí)別提供研究基礎(chǔ)。
　　利用IMF分量進(jìn)行振動(dòng)噪聲源識(shí)別時(shí)，由于MEEMD方法分解得到的IMF分量之間總存在一定的耦合信息，需要對(duì)IMF信號(hào)進(jìn)行解耦，即去除各IMF信號(hào)間的相關(guān)性。IMF分量組合的觀測(cè)陣代表了多個(gè)源信號(hào)

6、的線性混合，采用獨(dú)立成分分析(ICA)從混合矩陣分離出若干相互獨(dú)立的成分，但現(xiàn)有方法受數(shù)值計(jì)算迭代初值的影響具有不確定性，且基于負(fù)熵的固定點(diǎn)算法(Fixed-PointAlgorithm-FICA)的穩(wěn)定性需要改進(jìn)，本研究將MEEMD和ICA方法相整合改進(jìn)，將其應(yīng)用于司機(jī)室內(nèi)噪聲源的分離和識(shí)別，并通過(guò)相干分析與時(shí)頻分析相結(jié)合的技術(shù)對(duì)噪聲源進(jìn)行定位，最后從隔聲和減振兩方面入手對(duì)司機(jī)室內(nèi)噪聲的進(jìn)行了綜合治理。
　　綜合以上問(wèn)題的分析，

7、本研究展開(kāi)了以下內(nèi)容的研究:
　　結(jié)合推土機(jī)的結(jié)構(gòu)和司機(jī)室的特點(diǎn)，對(duì)司機(jī)室內(nèi)噪聲來(lái)源、噪聲傳播途徑和產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析，對(duì)多個(gè)型號(hào)推土機(jī)司機(jī)室內(nèi)振動(dòng)、噪聲信號(hào)進(jìn)行初步分析，確定司機(jī)室內(nèi)振動(dòng)噪聲信號(hào)大致特征。采用四種不同的小波函數(shù)對(duì)多個(gè)型號(hào)推土機(jī)司機(jī)室內(nèi)振動(dòng)、噪聲信號(hào)進(jìn)行了時(shí)頻分析，確定最優(yōu)的復(fù)Morlet小波參數(shù)，并與STFT時(shí)頻分析比較分析效果，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)Morlet小波和STFT變換各有優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)選擇合適的時(shí)頻分析

8、工具。
　　將MEEMD方法引入推土機(jī)司機(jī)室振動(dòng)噪聲源特征識(shí)別研究中，結(jié)合相關(guān)系數(shù)分析篩選有效IMF分量組合。結(jié)合IMF分量時(shí)頻特征分析，研究了型號(hào)Ⅰ司機(jī)室內(nèi)底板振動(dòng)信號(hào)、耳旁噪聲信號(hào)，分析與司機(jī)室內(nèi)振動(dòng)噪聲信號(hào)密切相關(guān)的各IMF分量。采用IMF分量的能量變化指標(biāo)研究了運(yùn)行工況變化對(duì)IMF分量能量特征的影響情況，根據(jù)能量變化的情況確定轉(zhuǎn)速工況對(duì)耳旁噪聲各IMF分量的影響，對(duì)敏感的IMF分量進(jìn)行追蹤和定位，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)駕駛室內(nèi)噪聲治

9、理提供分析基礎(chǔ)。
　　利用MEEMD將單個(gè)觀測(cè)信號(hào)拓展為帶有多個(gè)源信號(hào)特征信息的IMF分量組合，將欠定盲分析問(wèn)題轉(zhuǎn)化為正定問(wèn)題。采用兩種不同的分析方法分別利用單通道觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行了源數(shù)估計(jì):(1)根據(jù)觀測(cè)陣信號(hào)子空間維數(shù)估計(jì)原理，將特征值方法應(yīng)用于IMF分量構(gòu)成的觀測(cè)信號(hào)的分析中，對(duì)源信號(hào)的個(gè)數(shù)進(jìn)行估計(jì);(2)根據(jù)觀測(cè)信號(hào)在時(shí)頻域的稀疏性原理，將IMF分量構(gòu)成的觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域轉(zhuǎn)換，提取信號(hào)的稀疏特征向量進(jìn)行源數(shù)估計(jì)。采用兩種分析

10、方法對(duì)型號(hào)Ⅱ推土機(jī)司機(jī)室內(nèi)耳旁噪聲和底板振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了源數(shù)估計(jì)，并對(duì)得到噪聲合成信號(hào)simf和振動(dòng)合成信號(hào)vimf，進(jìn)行時(shí)頻分析，分析影響司機(jī)室內(nèi)耳旁噪聲的主要頻率。
　　對(duì)MEEMD和ICA方法進(jìn)行整合，通過(guò)添加迭代步長(zhǎng)參數(shù)α對(duì)基于負(fù)熵的固定點(diǎn)算法進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)合分離性能指標(biāo)，選擇最優(yōu)的參數(shù)設(shè)置。采用整合改進(jìn)的MEEMD和ICA方法，結(jié)合相干分析與時(shí)頻分析相結(jié)合的技術(shù)，對(duì)型號(hào)Ⅰ推土機(jī)司機(jī)室內(nèi)噪聲信號(hào)進(jìn)行盲分離，并對(duì)型號(hào)Ⅰ推土機(jī)司

11、機(jī)室內(nèi)振動(dòng)噪聲進(jìn)行了分步分階段治理，有效降低了司機(jī)室內(nèi)耳旁噪聲。從隔聲和減振兩方面入手的分階段的綜合治理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了對(duì)司機(jī)室內(nèi)噪聲的綜合治理行之有效。通過(guò)改進(jìn)減振系統(tǒng)有效降低了低速工況下的噪聲水平，而隔聲措施對(duì)于降低中高速工況下的噪聲效果較明顯。
　　本研究以某系列液壓式履帶推土機(jī)研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了工程機(jī)械司機(jī)室內(nèi)噪聲盲源分離，以司機(jī)室內(nèi)振動(dòng)噪聲源估計(jì)、噪聲源識(shí)別和特性分析為主要內(nèi)容，以現(xiàn)代信號(hào)處理方法MEEMD、ICA、時(shí)頻

12、分析以及信號(hào)稀疏特征分析等多種方法為手段，對(duì)司機(jī)室內(nèi)復(fù)雜聲場(chǎng)內(nèi)盲源分離方法及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。研究結(jié)論和提出的研究方法對(duì)其他類(lèi)型的工程機(jī)械具有一定的借鑒意義。本研究還存在一定的不足，主要有以下兩個(gè)問(wèn)題需要繼續(xù)研究和完善:
　　(1)研究了某系列3種型號(hào)推土機(jī)的司機(jī)室內(nèi)振動(dòng)噪聲情況，但未涉及到其他類(lèi)型的工程機(jī)械，研究范圍還需要拓展，使文中提出的研究方法應(yīng)用更為廣泛;
　　(2)MEEMD分解對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)分析具有一定的優(yōu)勢(shì)，但