（动力机械及工程专业论文）基于小波变换与独立分量分析的内燃机振声特性研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 随着人们对车辆n v h ( n o i s ev i b r a t i o na n dh a r n e s s ) 性能要求的不断提高， 内燃机的振动噪声问题也逐渐成为国内内燃机学科研究的热点问题和重要方向。 以有限元、边界元以及多体动力学为代表的数值计算方法逐渐成为预测和解决内 燃机结构噪声辐射闯题主要手段。另一方面，如何准确、快捷的识别内燃机豹主 要噪声源是内燃机噪声控制的重要前提。内燃机振动的多激励性和各种激励的时 变性使其外在表现出的振动噪声现象非常复杂。传统的数学工具在描述内燃机的 振动噪声特性上都有一定的局限性。近些年来，数字信号处理技术的迅速发展为 内燃机振动噪声信号分析提供了更加丰富的手段。 本文在国内外研究现状的基础上，研究了利用声强测试技术、小波变换技术 和独立分量分析等现代信号分析方法在内燃机振声信号分析以及主要噪声源识 别上应用的问题，主要内容如下： l 研究了内燃机振动噪声现象的主要产生机理，揭示了内燃机噪声辐射的主 要激励源，以及振动在内燃机结构内部的传递路径。激励的时变性和传递路径的 时变性决定了其振动噪声信号的非平稳性特征。回顾了内燃机主要噪声源的识别 方法。 2 回顾了声强测试技术双传声器法的基本原理和主要误差来源。在f o u r i e r 变换的基础上，利用声强测试技术对w d 4 1 5 柴油机和z h l1 3 0 柴油机以及某1 2 5 摩托车噪声源频率的特性进行了分析，识别出主要噪声源。为噪声控制工程提供 了可靠依据。 3 介绍了小波变换技术的原理，建立了内燃机噪声信号的小波变换分析模 型。利用c o m p l e xm o r l e t 小波对w d 4 1 5 和z h l l 3 0 柴油机噪声信号的时频特性 和空间分布规律进行了研究。并根据声信号的尺度一能量谱和小波系数的欧氏空 间距离识别了z h i1 3 0 柴油机的主要噪声源。建立了瞬时声强小波变换的数学模 型，并应用于柴油机噪声特性的研究。 4 介绍了独立分量分析方法的原理以及其在工程上的应用。建立了内燃机声 振信号的并行独立分量分析模型。利用f a s t l c a 算法对z h i l 3 0 柴油机的声振信 号进行了分析研究，将振动噪声信号分解成几个独立分量。利用小波分析，相关 分析等手段对各独立分量进行了确定。 5 在独立分量分析的基础上，利用内燃机振动噪声信号的燃烧分量和a r m a 模型建立了内燃机气缸压力重构模型，对z h i1 3 0 柴油机的气缸压力进行了成功 的重构。 关键词：内燃机振动噪声声强测试小波变换独立分量分析 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t t h es t u d yo nn o i s ea n dv i b r a t i o no fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ew e r ep a i dm o r e a t t e n t i o nr e c e n t l yb yi n t e r n a lr e s e a r c h e r sf o rt h ei m p r o v i n gr e q u i r e m e n to fv e h i c l e s n v h ( n o i s ev i b r a t i o na n dh a r s h n e s s ) p e r f o r m a n c e f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e a ) ， b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ( b e m ) a n dm u l t i - b o d yd y n a m i ca n a l y s i s ( m s s ) w e r e a p p l i e dt op r e d i c ta n ds o l v et h ee n g i n ev i b r a t i o na n dt h en o i s ee m i s s i o np r o b l e m ，a n d t h e s em e t h o d sh a db e e np r o v e dt ob em o r ee f f i c i e n tt h e nt h et r a d i t i o n a lw a y s o nt h e o t h e rh a n d ，t h ei d e n t i f i c a t i o n so ft h em a i nn o i s es o u r c ea n dt h er e s e a r c ho n m e c h a n i s mo fe n g i n en o i s ee m i s s i o na r ea l s oc d t c a lf o rb o t hn o i s ec o n t r o le n 西n e e r a n df a u l td i a g n o s e t h ev i b r a t i o na n dn o i s ee m i 鲻i o nf r o me n g i n ei sc o m p l i c a t e df o r t h e r ea l et o om a n yi n t e r n a le x c i t a t i o n so fe n g i n e ，a n dt h ee x c i t a t i o n sa r ea l s ot i m e v a r i a b l e t h et r a d i t i o n a la n a l y s i sm e t h o d so fa c o u s t i ca n dv i b r a t i o ns i g n a l sf r o m i c e n g i n es h o wt h e i rl i m i t a t i o ni nd e s c r i b i n gt h ec o m p l e x i t y t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) t e c h n i q u eh a dg o tg r e a ta c h i e v e m e n ti n r e c e n tt w e n t yy e a r s a n dt h ea c h i e v e m e n to fd i g i t a ls i 驴a lp r o c e s s i n gw a s c o n t i n u o u s l ya p p l i e dt oa n a l y z et h ev i b r a t i o na n dn o i s es i g n a l sf r o mm a c h i n e s t h e s e r e s e a r c h e sa l s oe n h a n c et h ea b i l i t yo fn o i s es o u r c ei d e n t i f i c a t i o na n df a u l td i a g n o s i s o f i c e n g i n e b a s eo np r e s e n tr e s e a r c hf o u n d a t i o nf r o mw o r l d w i d e ，t h ea p p l i c a t i o no fs o u n d i n t e n s i t ym e a s u r e m e n lw a v e l e tt r a n s f o r ma n di n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i st o t h er e s e a r c ho fv i b r a t i o na n dn o i s es i g n a l sf r o mi c e n 【g i n ew a sd e e p l yi n v e s t i g a t e d h e r e ： 1 t h em e c h a n i s mo f n o i s ee m i s s i o nf o re n g i n ew a ss t u d i e df r o mt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ：t h em a i ne x c i t a t i o n sa si m p o r t a n tf a c t o r st h a tc a u s e dt h en o i s er a d i a t i o n ；t h e p a t ho fv i b r a t i o nt r a n s m i s s i o ni nt h ei n t e r n a lp a r t so ft h ee n g i n e t h en o i s ea n d v i b r a t i o ns i g n a lw a sn o s t a t i o n a r yi n d u c e db yb o t ht h et i m e - v a r i a b l ee x c i t a t i o n sa n d t i m e - d e p e n d e n tt r a n s m i s s i o np a t h t h em e t h o d so fn o i s ei d e n t i f i c a t i o no fi n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ew e r er e v i e w e d 2 t h ep h y s i c a lm e a n i n go fs o u n di n t e n s i t ya n di t sa p p l i c a t i o ni nn o i s es o u r c e f i e l da n a l y s i sw e r ed i s c u s s e d b a s e do nf o u r i e rt r a n s f o r m ，t h ec h a r a c t e r i s t i co f a c o u s t i cs i g n a l si nf r e q u e n c yd o m a i nf r o mw d 4 1 5d i e s e le n g i n e ，z h l l 3 0d i e s e l e n g i n e a n dam o t o r c y c l ew a ss t u d i e db ys o u n di n t e n s i t ym e a s u r e m e n t t h e c o n c l u s i o nf r o mt h es o u n di n t e n s i t ym e a s u r e m e n tw a sp r o v e dt ob er e l i a b l ei nt h e 浙江大学博士学位论文 s u c c e e d i n gn o i s ec o n t r o le n g i n e e r i n g 3c o m p a r e dw i t hf o u r i e rt l a n s f o r m ，t h ea d v a n t a g eo fw a v e l e tt r a n s f o r mi n n o n - s t a t i o n a r ys i g n a lp r o c e s s i n gw a sd i s c u s s e d a n dc o m p l e xm o r l e tw a si n d u c e d h e r et op r o c e s st h ea c o u s t i cs i g n a l sf r o mw d 4 1 5d i e s e la n dz h i l 3 0d i e s e le n g i n e t h er e s u l t sr e v e a l e ds i g n a l st i m e - f r e q u e n c yp r o p e r t ya n dt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o n a v e r a g e ds c a l e - - - w a v e l e tp o w e rs p e c t r u ma n de u c l i d e a nd i s t a n c eh e r ew e r eu s e d h e r et oi d e n t i f yt h em a i nn o i s e8 0 u t c e 8o fz h l1 3 0d i e s e le n g i n e t h em e t h o dt o s t u d yt h ea c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i cb a s e do nt h ew a v e l e tt r a n s f o r mo fi n s t a n t a n e o u s s o u n di n t e n s i t yw a sp r o p o s e dh e r e t h i sm e t h o dw a sa p p l i e dt oa n a l y z et h ea c o u s t i c e m i s s i o nf r o mw d 4 1 5d i e s e le n g i n e 4i n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i sw a sa p p l i e dt oa n a l y z et h ev i b r a t i o na n d a c o u s t i cs i g n a l sf r o md i e s e le n g i n e b yt h ef a c t l c aa l g o r i t h m s ，t h el a wv i b r a t i o n a n da c o u s t i c s i g n a l s w e r ed e c o m p o s e dt od i f f e r e n tc o m p o n e n t s b yw a v e l e t t r a n s f o r ma n dc o r r e l a t i o na n a l y s i s ，t h em a i nn o i s es o u r c e sw e r ei d e n t i f i e d 5t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o m b u s t i o nc o m p o n e n to fv i b r a t i o n ，a c o u s t i c s i g n a l sa n di n t e m a lc o m b u s t i o np r e s s u r ew a sm o d e l e db ya r m a a n db yt h e r e l a t i o n s h i p ，t h ei n t e m a lp r e s s u r eo fz h l l 3 0d i e s e le n g i n ew a sr e c o n s t r u c t e d s u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ；n o i s ea n dv i b r a t i o n ；s o u n di n t e n s i t y ； w a v e l e tt r a n s f o r m ；i n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s 学号；! 堂4 竺翌至兰 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 靴敝储鹳：鲒签字隰汕1 年 ，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸江盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权澎至三盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名； 签字日期：加1 年 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 翮微。舞专 签字日期：瑚1 年9 月7 日 电话： 邮编： 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 开展内燃机噪声研究的意义 内燃机自问世以来已经有一百余年的历史。经过的不断改进和提高，内燃机 以热效率高、重量轻等优点，被广泛的应用于工业、农业、交通、国防等各个领 域，成为汽车、船舶、兵器、机车以及工程机械最主要的动力来源。内燃机在给 人类社会带来巨大便利的同时也消耗了大量的能源，全球能源日益枯竭。与此同 时，人们对环境保护的认识也在不断地增强。水污染、噪声污染、大气污染等问 题越来越受到重视。汽车噪声是城市噪声的主要来源，研究表明6 0 以上的车辆 的加速噪声来源于内燃机。因此，内燃机噪声问题受到越来越多的关注。“能源 和环境”问题逐渐成为内燃机以及汽车工业在二十一世纪面临的两个最重大的问 题和挑战。 汽车工业经过一百多年的发展，到现在已经发展成为一个庞大的产业，成为 全球经济的支柱。2 0 0 2 年全球汽车的总销量为63 0 0 万辆，预计到2 0 1 0 年全球 总销量将达到76 0 0 万辆，交通噪声的问题也随汽车产销量和保有量的增加日益 突出。全球汽车保有量逐年增加，城市交通噪声问题日益凸现。为此，各国都制 定了相应的车辆噪声法规，并且随着时间的推移噪声法规也逐渐严格。近几年来， 中国的汽车保有量也迅速增加，截止到2 0 0 0 年，中国汽车保有量为15 7 2 万辆； 到2 0 0 5 年的数据为31 8 0 万辆；而到2 0 1 0 年，预计我国的汽车保有量将攀升到 5 4 7 0 万辆。汽车保有量的不断增加，交通噪声的问题也日益突出。我国在2 0 0 2 年颁布了新的汽车加速行驶噪声车外噪声限值及测量方法，新法规对车辆的 加速噪声限值有了更严格的规定。法规对汽车噪声水平的严格限制使内燃机的噪 声问题受到更多学者的重视。 从上世纪八十年代以来，我国政府对汽车工业加大了资金和技术上的投入。 宏观经济政策对汽车工业的倾斜也极大地提升了中国汽车行业的生产能力和技 术水平。随着我国经济实力和技术实力的不断增强，中国已经成为全球最重要的 汽车市场和生产地区。全球的汽车生产重心也正在从欧洲和美国等传统成熟的汽 车市场逐渐的转向以中国为代表的亚太地区。全球的各大汽车企业为争夺中国的 汽车市场展开了激烈的竞争，国产汽车企业必将面临日趋严峻的生存压力。然而 中国整个汽车行业的技术水平与先进国家有明显的差距。表1 1 是我国汽车加速 噪声法规与欧溯加速噪声法规的比较。以九座以下的乘用车( m 1 ) 为例，我国2 0 0 2 颁布的新的加速噪声标准只相当于欧洲的1 9 9 6 年的标准。这一方面可以看出以 浙江大学博士学位论文 往我国对车辆噪声问题的重视程度不够，另一方面也反映了中国汽车和内燃机行 业在噪声这一指标上的总体水平与发达国家的差距。 汽车行业的市场竞争主要集中在产品的技术、质量、性能和服务几个主要方 面。n v h ( n o i s ev i b r a t i o na n dh a r s h n e s s ) 水平是车辆性能的重要指标之一，n v h 性能直接反映了车辆的舒适性品质，而车辆的乘坐舒适程度将直接影响其市场竞 争力。国外几乎所有大的汽车企业( g m 、v w 、t o y o t a ) 在车辆的n v h 方面的 研究都投入了大量的人力、物力，不仅拥有优良的基础设施和实验设备，更重要 的是拥有成熟的科研团队和多年积累的工程经验。国内的汽车企业近几年受市场 和法规等因素压力，也纷纷加大了这方面的投入，一些企业开始建整车和发动机 的噪声实验室。但是由于国内的汽车企业在n v h 方面研究的起步比较晚，人力 和资金的投入相对不足，研究水平总体不高。因此，如何更好的控制车辆的噪声 和振动水平，提高国内汽车产品的品质，增强其市场竞争力也是内燃机工作者的 重要社会职责。 表1 i国内外车辆行驶噪声限值标准的比较( d b a ) 国内7 9 年标准国内0 2 年标准欧盟标准 汽车分类 8 5 年前8 5 年后0 5 年前0 5 年后9 0 年9 6 年 生产生产生产生产 r 5 i 0 1r 5 l ，0 2 m t ： 8 48 27 77 47 77 4 m 2 ( g v m 3 5 0 ，或n l ( g v m 3 5 t ) ； g v m = v 2 t8 88 37 87 67 87 6 2 t g v m = 3 5 t8 98 47 9 7 7 7 97 7 m 2 ( 3 5 g v m 5 0 ； p 一1 5 0 k w8 58 38 3 8 0 n 2 ( 3 5 t g v m 1 2 0 ： p 6 5 k w昭8 l8 l7 7 9 08 6 6 5 k w = 9 ) m 3 ( s 9 ) 此外，内燃机的振动噪声状况是其本身的结构响应和内部激励综合作用的外 在表现形式。因此，振动噪声信号中包含了内燃机结构的固有特性和工作状态的 信息，利用内燃机的振动噪声信号对内燃机进行故障诊断和状态监测也是很多学 2 浙江大学博士学位论文 者研究的内容。 综上所述，开展对内燃机的噪声和振动特性的研究有着重要的理论意义和工 程实用价值。 1 2 国内外内燃机噪声问题的研究现状 国外对内燃机噪声方面的研究开展的比较早。早在1 9 3 1 年，英国的r i e a r d o 公司最早发现了内燃机的燃烧压力和噪声之间的变化关系。在1 9 6 0 年，英国的 t p r i m e 在伦敦机械工程研究会议上发表了柴油机气缸压力谱形式与噪声辐射 关系的论文【l 】。1 9 7 3 年，英国的e c g r o v e r ，n l a l o r 发表了关于低噪声柴油机 设计的综述文章 2 1 。1 9 7 5 年n l a l o r 和m p e t y t 在s a e 上发表文章，对作为噪 声源的内燃机结构振动模态进行了分析 3 1 。1 9 8 2 年，m f r u s s e l l 在论文中对柴 油机噪声控制技术进行了论述1 4 1 。与此同时，一些学校也进行了大量的研究工作。 1 9 8 8 年，英国南安普顿大学( u n i v e r s i t yo f s o u t h a m p t o n ) 的w i l c o x c l a r e 完成了有 关低噪声内燃机结构形状优化的博士论文【5 j 。作者描述了如何利用有限元法和时 间积分技术完成内燃机总体噪声预测的方法。1 9 9 2 年，奥地利t e e h n i s c h e u n i v e r s i t a e tg - r a z 大学的b e i l d c h r i s t i a n 完成了关于通过结构优化减小小排量火花 点火式内燃机噪声的博士论文。作者用有限元方法计算了内燃机的结构辐射噪 声，并讨论了不同部件结构刚度和阻尼参数对内燃机结构辐射噪声的影响。 七十年代，英国南安普顿大学振动噪声研究所对国外一些主要内燃机制造公 司生产的内燃机进行噪声测试，根据噪声测试的结果得出了以下的预测公式： 对于直喷自然吸气式四冲程柴油机，1 米处a 计权总声压级为： s p l = 3 0 l o g ( n ) + 5 0 l o g ( b ) 一1 0 1 8 对于高速二冲程直喷柴油机，l 米处a 计权总声压级为： s p l = 4 3 l o g ( n ) + 6 0 l o g ( b ) 一9 8 0 对于涡轮增压四冲程柴油机( 直喷或非直喷) ，1 米处a 计权总声压级为： s p l = 4 0 l o g ( n ) + 5 0 l o g ( b ) 一1 3 8 0 国外经过多年的发展，低噪声柴油机设计方法的研究在不断深化，柴油机噪 声在过去的几十年时间里有了较大的改善。英国的r i c a r d o 公司通过对世界上一 些主要的内燃机产品进行调查，于1 9 9 2 年在上述公式的基础上又提出了新的预 测公式。 对于自然吸气式四冲程柴油机，l 米处的a 计权总声压级为： s p l = 3 0 l o g ( n ) + 5 0 l o g ( 们一1 0 6 8 对于四冲程非直喷柴油机，l 米处a 计权的总声压级为： s p l = 4 3 l o g ( n ) + 6 0 l o g ( b ) 一1 7 6 0 3 浙江大学博士学位论文 对于涡轮增压四冲程柴油机( 直喷或非直喷) ，1 米处a 计权总声压级为： s p l = 4 0 l o g ( n ) + 5 0 l o g ( b ) 一1 3 6 8 以上公式中：为标定转速( r m i n ) ，b 为气缸直径( m m ) 。 随着对内燃机噪声振动研究问题的不断深入以及计算机技术的飞速发展， 有限元分析( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，f e a ) 、多体动力学仿真( m u l t i b o d ys y s t e m s i m u l a t i o n ，m s s ) 、边界元分析技术( b o u n d a r ye l e m e n ta n a l y s i s ，b e m ) 以及统 计能量分析( s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ，s e a ) 等方法被引入到内燃机噪声和振动 的分析中来，并形成了一套以数值仿真技术为核心的内燃机噪声振动问题的解决 方案。奥地利的a v l 公司开发了包括轴系动力学、活塞动力学、活塞运动学、 曲柄连杆运动学仿真技术的软件包，通过仿真技术对内燃机振动噪声问题进行分 析和计算；比利时l m s 公司的v i r t u a l l a b 软件包将多体动力学分析、有限元分 析和声学仿真功能集成起来，形成一套完整的结构噪声辐射问题的解决方案。 m s c 公司的多体动力学分析软件a d m a s 所包含的a d m a s e n g i n e 软件包具有 对内燃机轴系、传动系、进排气阀等运动机构进行动力学特性分析的强大功能； 基于统计能量法的振动噪声分析软件a u t o s e a 也被应用到内燃机子系统以及车 辆的振动噪声分析中来；除此之外，美国g t i 公司的g t - p o w e r 软件具有对内燃 机的进排气噪声进行建模的功能。上述的这些分析软件和分析方法逐渐成为解决 内燃机振动噪声问题的重要手段。图1 1 是利用a d m a s 建立的曲轴动力学模型， 图1 - 2 为利用s y s n o i s e 建立的机体噪声辐射的声学边界元模型。通过计算机辅助 设计( c a d ) 以及计算机辅助工程( c a e ) 的方法解决内燃机振动噪声问题代表了内 燃机振动噪声研究方法的发展方向，逶过虚拟样机技术f v i r t u a lp r o t o t y p i n g t e c h n i q u e ，v p t ) 解决内燃机的振动噪声问题逐渐成为一种趋势。 l i t1 - 1 曲轴多体动力学模型 图1 - 2 机体噪声辐射的边界元模型 国内对内燃机噪声方面的研究开展的比较晚。1 9 9 0 年沈荣瀛利用统计能量 法对1 8 d 涡轮增压柴油机部件噪声辐射进行了研究1 6 1 。1 9 9 4 年吉林工业大学的 俞明、李惠珍等利用有限元技术估算了内燃机机体表面辐射噪纠_ 7 】，由于受到计 算条件的限制，所建立的有限元模型相当粗糙，而且没有考虑一些机体的附件， 4 浙江大学博士学位论文 也没有研究结构声辐射参数如何选取。1 9 9 5 年葛蕴珊等人结合有限元和边界元 技术，建立了内燃机噪声辐射模型峭j 。 随着国内车辆噪声法规日益严格，内燃机的噪声问题也逐渐成为国内内燃机 学科研究的热点问题。国内对内燃机噪声的研究主要集中在噪声预测以及噪声控 制的现代设计方法学方面。多体动力学仿真技术、有限元技术、边界元技术被广 泛地应用于内燃机零部件声辐射的预测以及改进设计等方面。2 0 0 2 年，天津大 学的韩松涛完成了题为“内燃机的振动噪声控制及现代设计方法学研究”的博士 论文1 9 1 ，从现代设计理论和方法学角度，开展了内燃机复杂结构有限元分析、动 态模拟分析和虚拟设计等现代设计理论和方法的研究，在国内首次系统地开展了 现代设计理论和方法在内燃机低噪声设计中的应用研究。2 0 0 4 年，天津大学的 刘月辉撰写了题为“基于虚拟技术的发动机噪声控制研究”的博士论文【l o l ；毕风荣 撰写了题为“低噪声内燃机设计参数灵敏度分析与声功率预测研究”的博士论文 ”1 1 。同年华中科技大学的邓晓龙完成了题为“内燃机主要部件噪声预测与优化控 制研究”的博士学位论文，利用f e m b e m 结合的方法对y c 6 1 0 8 柴油机的机体、 缸盖、油底壳的噪声进行了预测l l ”。2 0 0 4 年，北京理工大学的冯慧华等人利用 f e m b e m 耦合技术对v 6 柴油机进行了外声场的模拟计算【l ”。2 0 0 5 年，张保成 等人利用多体动力学仿真软件m s c a d m a s 对作用在机体上的激励进行动力学 求解，并利用l m s 公司的噪声分析软件s y s n o i s e 对4 缸机的外声场进行了模拟 研究l l 。2 0 0 5 年，张保成等对利用a t v ( a c o u s t i ct r a n s f e rv e c t o r ) 技术进行内燃 机外声场进行模拟的方法进行了论述【1 ”。2 0 0 5 年，天津大学的段秀兵等人利用 多体动力学仿真技术对内燃机曲轴的扭振特性进行了仿真，并将仿真的结果与实 验结果进彳亍了比较【l “。2 0 0 6 年，张俊红等人利用多体动力学仿真技术对6 缸柴 油机的表面振动进行了计算，并根据计算结果提出了低噪声改进方案1 1 7 1 。2 0 0 6 年，毕风荣等人利用统计能量技术推导了内燃机结构阻尼系数对内燃机噪声辐射 的影响【l g j 。在空气动力噪声方面，1 9 9 3 年刘树功利用边界元技术对内燃机的空 气滤清器的声学性能进行了计算，并与实验结果进行了比较研究u 9 】。2 0 0 6 年， 葛蕴珊等人利用有限元技术对发动机排气消声器的内部声场进行了分析计算【2 0 1 。 以上这些研究成果为内燃机产品在开发阶段进行噪声振动预测和对现有产品的 低噪声改进设计提供了很好的理论指导。 上述对内燃机噪声问题的研究主要集中在内燃机噪声的预测及控制方法的 方面。对内燃机噪声辐射机理以及主要噪声源识别方法的研究也是内燃机噪声研 究的重要方面。对内燃机噪声机理的正确认识以及内燃机主要噪声源的准确识别 是内燃机噪声控制的重要前提。现有的内燃机噪声源识别技术大多以复杂的实验 手段为基础。同时内燃机振动噪声现象的复杂性，使得传统的噪声源识别方法不 5 浙江大学博士学位论文 能完备的对内燃机的噪声辐射现象进行描述。如何利用先进的实验手段和信号分 析方法对内燃机噪声辐射原理进行分析和主要噪声源识别就显得非常重要。 另外，人们对内燃机的状态监测和故障诊断方面展也开了广泛的研究。对内 燃机进行状态监测与故障诊断时可以利用的信号和参数很多，这其中包括内燃机 的表面振动信号、噪声信号、转速波动、气缸爆发压力、曲轴的扭转振动信号等 等。内燃机故障的多样性、可利用的信号的多样性和信号处理手段的多样性决定 了内燃机故障诊断的方法非常的多。内燃机表面振动信号与噪声信号中不仅包含 了激励源的特征也包含了结构以及传递路径的特征。因此从内燃机的振动信号与 噪声信号中提取特征是对内燃机进行诊断和监测行之有效的方法。利用振动噪声 信号进行内燃机故障诊断和状态监测的研究开展得比较广泛。从这个角度出发， 对内燃机振动噪声信号的深入分析研究也具有相当的现实意义。 最后，随着人们对噪声现象的深入研究，对内燃机和车辆噪声的描述和评价 也不仅限于a 声级这一单一指标，车辆辐射噪声的声品质问题逐渐受到人们的 重视【2 1 2 2 2 3 冽，国内的学者也展开了车辆声品质问题的研究。新研究领域的展 开必然要求有更适合的振动噪声分析方法的出现。 近几年来，很多学者在内燃机主要噪声源识别和利用声振信号进行故障诊断 等方面也进行了积极的开拓。2 0 0 4 年，天津大学韩军完成了题为“内燃机非平稳 信号的分析方法和噪声源小波识别技术的研究”的博士学位论文瞄j ，研究了内燃 机噪声信号的非平稳性，并利用小波变换技术对内燃机的噪声的时频特性进行了 研究。2 0 0 6 年，浙江大学的杨金才完成了题为“内燃机噪声源识别的声模态及a 计权小波改进算法的研究”的博士学位论文1 2 6 1 ，论述了内燃机表面噪声源识别的 声摸态分析方法，以及内燃机声信号小波变换的a 声级系数修正。天津大学的 卫海桥等人研究了瞬态工况对燃烧噪声的影响，并对内燃机的燃烧噪声和活塞拍 击噪声进行了分析【2 7 2 8 1 ，从气体动力载荷和高频压力振荡两方面分析研究瞬态 噪声与稳态噪声产生差异的机理；2 0 0 7 年，梁兴雨提出了基于相干功率谱分析 的柴油机噪声源识别方法，利用层次分析法建立了柴油机复杂噪声源的识别模型 t 2 9 1 。2 0 0 5 年，韩军利用振动信号的小波变换与声信号小波变换在时频域上的关 系，对内燃机的主要噪声源进行了识别1 3 0 1 。对内燃机振动噪声信号研究的另一 个目的就是从原始信号中提取与内燃机的工作过程密切相关的特征，实现内燃机 的故障诊断和状态监钡1 l 3 “3 2 。王珍等人利用表面振动信号的小波变换的方法对 柴油机进行了故障诊断【3 3 】；王华民等人利用爆发噪声信号对内燃机的失火进行了 诊断1 3 4 1 ；吕琛等人利用声信号小波变换的方法对内燃机的主轴承磨损进行了研究 m j ；闫兵等人利用曲轴扭转振动信号对内燃机各缸的工作均匀性进行了判断【”j ； 贾继德等人利用振动信号阶次分析的手段对内燃机的连杆轴承和曲轴的轴承故 6 浙江大学博士学位论文 障进行了诊断刚。 1 9 9 7 年，w “等人仿真了一个四缸内燃机的声信号，该信号包含了点 火次序的燃烧压力波形，并利用小波变换的方法对内燃机的声信号进行了 研究【3 “。1 9 9 9 年，z l i 等人利用声信号的小波变换的结果对内燃机进行了 故障诊断p 。p n i v e s r a n g s a n 提出了利用麦克风阵列进行内燃机主要噪声源 识别的方法【4 ”。m e 1 b a d a o u i 等利用循环w i e n e r 滤波以及独立分量分析 方法，对内燃机的燃烧噪声和机械噪声进行了分离【4 1 4 2 。w l i 等人利用 独立分量分析方法将内燃机的声信号分解成燃烧噪声和活塞拍击噪声等独 立成分1 4 ，并利用小波变换技术对各个噪声分量进行了识别研究。2 0 0 5 年 j i a n 等人提出了将内燃机噪声信号的波形转化为一种可视化的点状图进行 内燃机故障诊断的方法【4 4 1 。这些内燃机的噪声源识别方法都大大丰富了内 燃机噪声振动特性的研究方法。 1 3 本文的研究内容和组织安排 现代信号处理技术在二十世纪后期取得了巨大的发展，包括非平稳信 号的小波分析技术，独立分量分析技术等新技术在机械、医学、航天、天 文、振动工程领域都有广泛的运用。这些信号处理技术为内燃机的主要噪 声源识别、内燃机噪声辐射原理的研究以及基于振动噪声信号的内燃机故 障诊断和状态监测提供了有力的数学工具和崭新的研究思路。 本文回顾了内燃机噪声的辐射机理，并对内燃机振动噪声信号的特征 进行了描述。综述了内燃机主要噪声源的识别方法。利用声强测试技术、 小波变换技术、独立分量分析方法对内燃机的噪声特性进行研究，探讨了 现代信号分析方法在内燃机噪声振动特性分析上的应用，并取得了很多有 理论价值和工程价值的结论，具体内容安排如下： 第一章，论述了开展内燃机振动噪声方面研究的意义。介绍了国内外内燃机 振动噪声研究的进展概况和发展趋势，指出了开展内燃机主要噪声源识别方法以 及内燃机噪声辐射机理研究的重要意义。 第二章，从内燃机工作原理和内燃机结构动力学的角度出发，分析了内燃机 噪声辐射的主要激励源，以及内燃机内部振动传递的路径。并在此基础上对内燃 机噪声辐射的机理进行描述。介绍了目前内燃机振动噪声信号的研究方法，并加 以评述。 第三章，从声强测试的双传声器法的基本原理出发，介绍了声强测试 技术的发展历程。对声强测试的误差来源进行了分析。研究了测试环境、 噪声源特性对声强测试结果的影响。指出应用声强测试技术对内燃机进行 7 浙江大学博士学位论文 噪声源识别时，影响测量精度的主要因素，为实际的工程应用提供了理论 指导。 第四章，利用f o u r i e r 变换技术，在表面声强测试的基础上对w d 4 1 5 柴油机的主要噪声源进行了识别，研究了内燃机零部件噪声辐射的频率特 性。利用声强测试技术对z h l l 3 0 柴油机进行了表面噪声的声强测量，并根 据不同部件声功率的大小，对该柴油机的主要噪声源进行了识别。对某摩 托车进行了声强测量，指出了进排气噪声是最重要的噪声源。对空气滤清 器和消声器改进设计后，摩托车的加速噪声明显降低，证明了声强测试结 果的准确性。 第五章，介绍了非平稳信号的小波变换分析方法，对小波变换技术的 发展应用等问题进行了回顾，比较了小波变换和f o u r i e r 的不同之处。利用 模拟试验的方法指出了小波变换技术在分析非平稳信号技术上的优势。并 探讨了小波基的选取、小波参数的选取、尺度的选取、尺度的离散方式等 问题。 第六章，根据内燃机噪声的非平稳性的特征，将小波变换技术引入到 内燃机噪声信号的分析中来。利用小波变换对w d4 1 5 和z h l l 3 0 柴油机的 噪声信号进行了分析研究，根据声信号小波功率谱对柴油机噪声辐射特征 进行了描述和噪声源识别。利用尺度一能量谱对内燃机的噪声特性进行了描 述，并通过声信号小波系数欧氏空间距离的方法对z h i l 3 0 的主要噪声源进 行了识别。提出了利用瞬时声强小波变换研究内燃机噪声特性的方法，并 利用该方法对w d 4 1 5 柴油机的噪声特性进行了研究。 第七章，对独立分量分析方法的发展过程、基本原理、优化判据以及 工程应用等问题进行了介绍。详细介绍了独立分量分析的f a s t i c a 算法，利 用模拟信号的混合和解混过程，验证了独立分量分析技术对盲信号的分离 能力。 第八章，论述了独立分量分析方法在内燃机振动噪声分析上的应用的问题。 对z h l l 3 0 柴油机的振动信号和噪声信号的统计特性进行了研究。利用f a s t i c a 算法建立了内燃机振动噪声信号的并行独立分量分析模型。将内燃机的噪声和振 动信号分解成相互独立的分量。并根据内燃机噪声辐射原理和小波分析、相关分 析等技术对各个分量进行了确认和识别。建立了基于振动信号和噪声信号燃烧分 量与气缸压力之间传递函数的a r m a 模型。分别用振动信号和噪声信号的燃烧 分量对z h l1 3 0 单缸内燃机的缸内压力成功的进行了重构。 第九章，对全文的主要工作内容和创新点进行了总结，同时对进一步的研 究前景进行了展望。 8 浙江大学博士学位论文 第二章内燃机噪声辐射机理及主要噪声源 识别方法 内燃机是一种间歇完成工作循环的动力机械，具有周期性作功的特点。这种 周期性包括空气工质运动的周期性以及燃烧激励、机械激励的周期性。这些激励 的共同作用，引起内燃机结构部件的振动，这些振动通过不同的传播途径传递到 机体表面形成内燃机整体的噪声辐射。因此，对内燃机噪声辐射原理的研究必须 从内燃机的内部激励以及这些激励的传递路径出发。 2 1 内燃机振动的传递路径 内燃机的结构复杂，零部件众多。各部分在燃烧激励、惯性力激励、活塞侧 向力激励等主要激励力的作用下发生相互耦合的复杂的瞬态振动，同时各部件的 之间的连接还存在着大量的非线性因素。比如各轴颈油膜动力学特性的非线性问 题，零部件之间密封圈的接触问题。另外还存在燃烧的热现象和机械现象的耦合 作用。内燃机的噪声辐射机理因为上述原因变得非常的复杂。内燃机在各种激励 的作用下产生的振动，主要通过以下三个途径传播到内燃机的表面【4 54 6 】： l 、燃烧气体力使气缸盖、气缸套等部件发生振动，这些振动引起气门 室罩、进气管、排气管等部件的振动，产生表面噪声辐射。 2 、作用在活塞上的气体爆发压力和惯性力，使活塞产生垂向振动并沿连杆、 曲轴传向主轴承，传到主轴承上的振动再经过曲轴箱向油底壳等部件传播出去。 3 、在燃烧气