（车辆工程专业论文）汽车振动信号后处理的研究.pdf

汽车振动信号后处理的研究 摘要 汽车振动是影响车辆行驶平顺性和乘员乘坐舒适性的重要因素，同时也是 汽车产品在日益激烈的市场竞争中取得优势的一个重要因素。因此能否更加有 效地处理汽车振动信号，从而有针对性地采取措施减小或抑制汽车的振动就起 着举足轻重的作用。有鉴于此，本文选用两种方法一一傅里叶变换和小波分析 进行了汽车振动信号的处理。首先根据经典的快速傅里叶变换和谱分析理论基 于v i s u a l b a s i c6 0 语言编写了汽车振动信号后处理程序，实现了振动信号的数 据文件格式转换、三维显示、云图显示、基频处理以及与m a t l a b 的数据交 换等功能，提供了一个对汽车振动信号进行综合处理的平台，在此基础上，介 绍了小波分析的基本理论和工程理解，并选取小波闽值方法进行汽车振动信号 的去噪，对小波变换的两个参数一一小波母函数和系数调整策略进行了研究。 根据去噪性能的两个评价指标信噪比增益和去噪因子对四种离散小波系的5 0 种小波母函数进行了筛选，选取了四个较优小波母函数，即d b l3 、s y m l l 、 c o i f 3 以及b i o r 6 8 小波。针对闽值去噪的小波系数，分析了传统的软、硬阈 值方法的优缺点，归纳出三种改进的小波系数调整策略，并将它们应用于仿真 信号和实测汽车振动信号的去噪，取得了较好的去噪效果。 关键词：汽车振动信号处理傅里叶变换小波变换闽值去噪 r e s e a r c ho l lp o s tp r o c e s s i n gf o rv e h i c l ev i b r a t i o ns i g n a l a b s t r a c t v e h i c l ev i b r a t i o niso n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e v e h i c l er i d ep e r f o r m a n c ea n dp a s s e n g e rr i d ec o m f o r t m e a n w h i l e ，i ti so n eo f t h em o s ti n d i c e sw h i c hc a no b t a i np r e d o m i n a n c ei nt h ei n c r e a s i n g l yd r a s t i c m a r k e tc o m p e t i t i o nf o rv e h i c l ep r o d u c t s s op r o c e s s i n gt h ev e h i c l ev i b r a t i o n s i g n a lm o r ee f f e c t i v e l ya n dt a k i n gm e a s u r e sa c c o r d i n g l yt od i m i n i s ho rr e s t r a i n v e h i c l ev i b r a t i o nh a v eb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t b a s e do nt h i sp o i n t ， t h ep a p e rc a r r i e st h r o u g ht h ep r o c e s s i n go fv e h i c l ev i b r a t i o ns i g n a lw i t ht w o m e t h o d s 一一f o u “e rt r a n s f o r ma n dw a v e l e ta n a l y s i s f i r s t l y p o s tp r o c e s s i n g s o f t w a r ef o rv e h i c l ev i b r a t i o ns i g n a lh a sb e e nd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h e c l a s s i c a lf f tt r a n s f o r ma n ds p e c t r u ma n a l y s i st h e o r yb a s e do nv i s u a lb a s i c6 0 t h es o f t w a r e ，w h i c hh a v eu n d e r m e n t i o n e df u n c t i o n ：c o n v e r s i o no fd a t af i l e f o r m a t 、d i s p l a yo ft h r e ed i m e n s i o n s 、n e p h o g r a md is p l a y 、f i d u c i a lf r e q u e n c y p r o c e s s i n ga n dd a t ae x c h a n g ew i t hm a t l a b ，o f f e r sap l a t f o r mf o ri n t e g r a t e d p r o c e s s i n gf o rv e h i c l ev i b r a t i o ns i g n a l t h e nt h ep a p e rp r e s e n t st h eb a s i ct h e o r y a n de n g i n e e r i n gc o m p r e h e n s i o no fw a v e l e ta n a l y s i s t h ed e n o i s i n gw o r ko f v e h i c l ev i b r a t i o n s i g n a l w i t hw a v e l e tt h r e s h o l da n dr e s e a r c ho nt h et w o p a r a m e t e r so fw a v e l e tt r a s f o r m m o t h e rw a v e l e ta n da d j u s t i n gt a c t i co f w a v e l e tc o e f f i c i e n t sh a v eb e e nd o n e f i f t ym o t h e rw a v e l e t so ft h ef o u rd i s c r e t e w a v e l e ts e r i e sh a v e b e e nf i l t e r e da c c o r d i n gt ot h et w oe s t i m a t i o ni n d i c e so f d e n o i s i n gp e r f o r m a n c e ：t h ep l u so fs i g n a l - t o - n o i s er a t i oa n dt h ed e n o i s i n g g e n e a n dt h ef o u rm o t h e rw a v e l e t so fd b l3 、s y ml1 、c o i f 3a n db i o r 6 8h a v eb e e n s e l e c t e da sb e t t e rm o t h e rw a v e l e t s a i m e da tt h ew a v e l e tc o e f f i c i e n to f t h r e s h o l dd e n o i s i n g ，i ta n a l y z e st h et r a i to ft r a d i t i o n a ls o f t h a r dt h r e s h o l d m e t h o da n dc o n c l u d e st h r e ea m e l i o r a t i v ea d j u s t i n gt a c t i c s f i n a l l y ，i ta p p l i e s t h et h r e em e t h o d st od e n o i s i n gw o r ko fe m u l a t i o n a ls i g n a la n dt h et r u ev e h i c l e v i b r a t i o ns i g n a la n dg e t sp r e f e r a b l ee f f e c t k e yw o r d s ：v e h i c l ev i b r a t i o n s i g n a lp r o c e s s i n g f o u r i e rt r a n s f o r m w a v e l e tt r a n s f o r mt h r e s h o l dd e n o i s i n g 图2 1 图2 2 图2 - 3 图2 - 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图 图 图 图 9 1 0 1 1 1 2 插图清单 汽车振动信号后处理软件的主界丽 汽车振动信号后处理软件的流程图 汽车振动信号后处理软件的主菜单 文件管理模块的界面 窗口管理模块的界面 三维显示模块的界面 云图显示模块的界面r t 频率曲线模块的界面 谱列曲线模块的界面- - 时域导出曲线模块的界面 后桥左右测点的垂直加速度谱 驾驶室的垂直加速度谱 图2 1 3 怠速时车架前桥左右测点的垂直加速度谱 图2 1 4 车架前端加速度信号的谱阵图 图3 1 三层多分辨分析树结构图 图3 2h a a r 小波的尺度函数和小波函数 图3 3d b 8 小波的尺度函数和小波函数 图3 - 4b i o r 3 9 小波的分解尺度函数和分解小波函数 图3 - 5b i o r 3 9 小波的重构尺度函数和重构小波函数 图3 6c o i f 3 小波的尺度函数和小波函数- 图3 7s y m 8 小波的尺度函数和小波函数 图4 - 1 运用小波变换进行信号去噪的简要过程 图4 2 叠加2 0 白噪声前后的单谐波仿真信号 图4 3 叠加2 0 白噪声前后的双谐波仿真信号 图4 - 4 采用d a u b e c h i e s 小波系进行去噪前后的信噪比增益曲线 图4 5 采用s y m l e t s 小波系进行去噪前后的信噪比增益曲线 图4 6 采用c o i f l e t 小波系进行去噪前后的信噪比增益曲线 图4 7 采用b i o r t h o g o n a l 小波系进行去噪前后的信噪比增益曲线 图4 - 8 采用d a u b e c h i e s 小波系进行去噪前后的去噪因子曲线 图4 - 9 采用s y m l e t s 小波系进行去噪前后的去噪因子曲线 图4 1 0 采用c o i f l e t 小波系进行去嗓前后的去噪因子曲线一 图4 1 l 采用b i o r t h o g o n a l 小波系进行去噪前后的去噪因子曲线 图4 1 2 实测汽车振动含噪信号 c：。加他”m”m墙拇四加加筋嬲凹加如如弛”m”卯弛柏甜札袍 图4 - 13 用d b l 3 小波对含噪信号进行去噪后的图像 图4 1 4 用s y m l l 小波对含噪信号进行去噪后的图像r ， 图4 15 用c o i f 3 小波对含噪信号进行去嗓后的图像 图4 一1 6 用b i o r 6 8 小波对含噪信号进行去噪后的图像 图4 1 7 实测含噪信号的频谱图 图4 18 用d b l 3 小波进行去噪后信号的频谱图 图4 1 9 用s y m l i 小波进行去噪后信号的频谱图 图4 2 0 用c o l f 3 小波进行去噪后信号的频谱图 图4 2 l 用b i o r 6 8 小波进行去噪后信号的频谱图 图5 1 估计小波系数的软、硬阈值方法 图5 - 2 估计小波系数的软硬阈值折中方法和模平方处理方法 图5 3 估计小波系数的非线性处理方法 图5 - 4 原始h e a v y s i n e 信号及含噪h e a v y s i n e 信号 图5 5 采用d b l 3 小波基函数的各种闽值方法去噪后的信号 图5 - 6 采用s y m l l 小波基函数的各种阈值方法去噪后的信号 图5 7 采用各阈值方法对实测含噪信号进行去噪分析 图5 8 各种阈值方法去噪后信号的频谱图一 铊钙钉盯锣如铊舛硒卯卯弛 表格清单 表3 一l 常用小波函数的主要性质 表4 1 原始信号的基本参数 表4 2 参数s c a l 的选项 表4 3 对单谐波含噪仿真信号采用不同小波去噪，7 结果 表4 - 4 对双谐波含噪仿真信号采用不同小波去噪玎结果 表4 5 对单谐波含噪仿真信号采用不同小波去噪p 结果 表4 - 6 对双谐波含噪仿真信号采用不同小波去噪p 结果 表5 1 采用d b l 3 小波基函数的各阈值方法去噪性能比较 表5 2 采用s y m l l 小波基函数的各阈值方法去噪性能比较 表5 3 采用c o i f 3 小波基函数的各阈值方法去噪性能比较 表5 - 4 采用b i o r 6 8 小波基函数的各闽值方法去噪性能比较弘” 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己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得 金墨王、业太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。 学位论文作者签字：，羹= 手砖邕 签字日期：埘年争月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金肥工些太堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒壁王些太堂可以 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： 签名曰期：a 椰以年 导师签名： 膨嘭 签名日期： 驴铲牛月占日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：如穆渤夸懒、琦敞幺司电话：，站卜2 三，4 拈p 通讯地址：锄嘶寿、f 幻蜘75 乡邮编：五妒2 。 致谢 本人在三年的硕士研究生课程学习和学位论文的撰写过程中，自 始至终得到了我敬爱的导师王其东教授的悉心指导，无论是课程学习、 论文选题，还是资料收集、论文成稿，都倾注了王老师的心血。他渊 博的学识和丰富的实践经验以及分析问题、解决问题的思路，严谨的 治学作风，锲而不舍的钻研精神，对科学真理的执著和奉献以及对理 想对事业对生活的真诚态度，使我永远受益，终身难忘。在此硕士论 文完成之际向尊敬的王老师致以崇高的敬意和由衷的感谢! 感谢卢剑伟副教授以及北汽福田汽车股份有限公司的张文炬博士 后在课题完成阶段给予我的指导和帮助。同时感谢陈无畏教授、钱立 军教授、张代胜教授以及教研室其它老师三年来给予我的支持和鼓励。 感谢我的家人，他们不仅给予我物质上的支持，而且给予我精神 上的鼓励，在我处于迷茫与困惑时是他们以浓浓的亲情抚慰我，在我 取得成功时是他们警醒我戒骄戒躁继续努力，求学路上，亲人们的殷 殷之情是我奋斗的源泉。 感谢我的同学阳凤生、吴勃夫、李明红、李增辉、黄志鹏、徐杨、 陈宗好、李庆欢、毛啸滇、肖悦、孙启启、初长宝、汪文龙、孙习武、 高扬、李华香、姜竹胜、李进、顾福勇、李仲奎、尹鸿飞、汪知望、 李碧春、肖海萍、王亚晴、覃运梅、郑月楠在我攻读硕士学位期间给 予我的启发和帮助。 向所有关心、爱护我的人们致以深深的谢意! 作者：姜永胜 2 0 0 6 年3 月 第一章绪论 1 1 引言 1 。1 。 分析汽车振动信号的意义 随着汽车工业的迅速发展，汽车已成为人1 1 日常生活中不可或缺的一部分， 因此人们对汽车性能的要求也越来越高，在获得良好的动力性、经济性和操纵 稳定性的同时，还要求汽车具有良好的平顺性。汽车的平顺性主要是指保持汽 车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响在一定界限之内， 因此平顺性主要根据乘员主观感觉的舒适性来评价，对于载货汽车还包括保持 货物完好的性能，它是现代高速汽车的主要性能之一。 而车辆行驶时所产生的振动是影响汽车平顺性的最主要因素，因此能否更 好地分析处理汽车振动信号就成为能否提高汽车平顺性的重要因素。只有从汽 车振动信号中得到更多有用信号，才能对汽车各总成以及总成之间的匹配性能 作出更细致的分析，从而更有效地分析和评价汽车整车的振动性能并从中寻出 其振动产生的机理及规律，所以分析汽车振动信号对分析评价汽车整车振动性 能、提高汽车平顺性有着重要的意义。 1 1 2 分析汽车振动信号的现有方法 在小波分析技术出现以前，绝大多数的汽车振动信号处理都是采用基于统 计理论的分析方法：快速傅里叶变换( f f t ) 、建立在快速傅里叶变换算法基础 上的经典谱分析( 时间序列的频域) 、属于现代谱分析( 参数化方法) 的a r m a 分析( 自回归滑动平均) 、经典维纳( w i e n e r ) 滤波、卡尔曼( k a l m a n ) 滤波、 熵谱分析以及倒谱分析等【2 7 j ，如1 9 9 6 年巢凯年等人进行的汽车动力学性能实 时测试与分析系统软件研制工作捧】；2 0 0 3 年辽宁工学院王岩松、张立军等人对 汽车平顺性进行的非线性仿真以及试验验证工作【9 】；2 0 0 3 年华北电力大学唐贵 基等人进行的虚拟测试分析仪的设计工作【l 叭，这些研究对汽车的振动分析和平 顺性评价起到了重要作用，但是它们要么是侧重于不同时刻( 时域) 诸量的统 计分析，要么是侧重于与频率或谱有关的频域上的分析，由于这些传统的方法 广泛使用的频谱分析技术，即利用傅里叶变换把信号映射到频域内加以分析， 这种方法当信号是时间平稳且具有明显区别于噪声的频谱特性时是比较有效 的，然而实际的汽车振动信号是典型的非平稳信号，需要分析每个时刻内含有 的频率分量，由于此类信号的频谱特性沿时间轴无限扩展，因此利用傅里叶变 换分析汽车振动信号较难获得非常好的效果。 1 2 小波分析方法简介 1 2 1 小波发展史简要回顾 小波的起源可以追溯到本世纪初。19 1 0 年，h a a r 提出了小波规范正交基的 思想，构造了紧支撑的正交函数系一h a a r 函数系：1 9 3 6 年，l i t t l e w o o d 和p a l e y 对傅里叶级数建立了二进制频率分量分组理论，构造了一组l i t t l e w o o d p a l e y 基，这为小波在后来的发展奠定了理论基础。1 9 4 6 年，g a b o r 提出了加窗傅里 叶变换( g a b o r 变换) 理论，使得对信号的表示具有时频局部化性质。人们真 正研究小波理论是在八十年代，1 9 8 2 年，s t r o m b e r g 构造了一组具有指数衰减 且有限次导数连续的小波基；1 9 8 4 年，g r o s s m a n 和m o r l e t 首次提出了小波 ( w a v e l e t ) 的概念，给出了按一个确定函数f 的伸缩平移系展开的系统理论和 进行信号表示的新思想；随后，m e y e r 证明了维小波的存在性，并构造了具 有一定衰减性质的光滑小波函数；到1 9 8 6 年，m a l l a t 和m e y e r 提出了多分辨分 析的理论框架【1 1 1 ，为正交小波基的构造提供了一般的途径，至此，小波分析才 真正形成为一门科学。之后，人们构造出了大量的小波，其中包括具有指数衰 减的b a t t l e l e m a r i e 小波和第一个双正交小波一t c h a m i t c h i a n 小波等，比较引入 注目的是，1 9 8 8 年，d a u b e c h i e s 构造了一类具有紧支集的有限光滑正交小波函 数，该小波得到了非常广泛的使用。1 9 8 9 年，随着小波理论的进一步进展， m a l l a t 提出了实现小波变换的快速算法一m a l l a t 塔式算法，它的地位相当于f f t 之于傅里叶变换。1 9 9 0 年，崔锦泰和王建忠构造了基于样条的所谓单正交小波 函数，并讨论了具有最好局部化性质的尺度函数和小波函数。1 9 9 1 年，j a f f a r d 和l a u r e n e o t 把小波变换用于偏微分方程的数值解【1 2 1 ；w i c k h a u s e r 等将m a l l a t 算法进一步深化，得到了小波包算法。 1 2 2 小波分析的特点及应用 经过研究，可以发现小波分析具有如下特点，这些特点使得它广泛应用于 各个领域： ( 1 ) 小波分析的灵活性。小波分析的灵活性可以体现在两个方面：基函数 的选择或构造，多尺度分析中尺度的选择等。小波分析中所用到的小波函数具 有不唯一性，即小波函数具有多样性，一般只要满足“容许条件”即可。因此 有许多构造小波的方法，也形成了多种小波函数。另外，在小波多尺度分析中， 对不同信号选择不同的尺度来分析也可以得到不同的结果，因此我们可以根据 所期望的分析结果自由选择小波分解或重构的尺度。 ( 2 ) 小波算法的快速性。多尺度分析大大提高了小波分析的效率，可以从 尺度函数和双尺度关系来推导出小波系数，甚至不需要知道小波函数的解析表 达式也可以得到分析结果。尺度函数相当于低通滤波器，小波函数相当于带通 滤波器。将信号用低通和带通滤波器进行分解，显然比用频率点分解要快得多。 而且在需要的时候，小波分析还可以对所需的细节将频带细分下去，以起到“显 微镜”的作用并获得更细微的分析。这一点无论是傅里叶变换还是短时傅里叶 变换都是无法比拟的。 ( 3 ) 小波分析的双域性。小波与g a b o r 变换相比，它又具有优越的时域窗， 即窗口面积固定但是形状却可以改变，因此增加了时频分析的灵活性。 ( 4 ) 小波分析的等q 性。小波基函数在频域具有带通特性，但其品质因 数却不随尺度变化，是一组频率特性等q 的带通滤波器组。 ( 5 ) 小波分析数学基础的严密性。小波分析的发展魑由数学家和工程师们 共丽创遣魏，它是建立在实变函数、复变激数、泛丞分掇、键器分掇等遮钱数 学理论基础之上的，有着严密的数学理论熬础。 小波分橱是对傅里叶分橱的摆广乃至操本性变革毂结果，是一个饯于缮里 叶分析的有效的信号处理工具，己广泛地用于众多的科学和工程领域，并取得 了卓越的成效。它的应用范围主要包括【l 习： ( 1 ) 小波在数学领域中的应用，如求解微分方程、积分方裰、函数逼近、 分形、混沌问题、概率小波、非线憔分析罅问题。 ( 2 ) 小波在信鸯处理中的瘦弱，包括对信号进行分祈与检测、识别，信号 的滤波去噪。地质勘探，机械故障分析，地震检测等等。 ( 3 ) 小波在图像签瑾巾的应蘑，其中毽捂餮豫边缘僚惠疆取与裣测，圉豫 数据聪缩，图像去噪，图像编码，信息加密等。 ( 4 ) 小波在逶臻孛匏寝瘸，始c d m a 、鑫逡应麓锈、扩凝逶信、分影调 制等方面的应用。 1 2 3 小波分析用予振动信号处理的现状 信号处理技术静嗣益遴步和，j 、波理论本身静不断发裁，决定了小波变换在 分析处理振动信号方面有着广泛的威用。 1 9 9 6 年j 家科技大学徐科等人先嗣小波氲分解褥信号分解弱鞠邻豹不瑟 频率段上，然后对各个频率段上的信号进行重构，成功地实现了电机振幼信号 煞滤渡 柏。 1 9 9 7 年西安交通大学的李舜酪、许庆余以及山东工程学院的李允平对行驶 车辍鼹振动售号送学藤教二遴小波嶷换”，镬异豢谊号襄錾平穗离频绩号褥爨 了良好的时间定位和图形显示，弗成功地将信号路黼激励和车体搬动分离开来。 1 9 9 9 年妖誊大学静莹孝乎等人在路甏不平度数篷摸攘的基礁上利怒离教 二进小波变换对路面不平度进行了多层小波时域分析、统计分卡斤和频域分析， 得到了路面不平度较为深入的结果i l ，为车辆动力响应分析、零部件疲劳试验 以及整车可靠性试验提供了参考。 2 0 0 0 年中国农业大学朱孔源、余群等人运用小波以及小波包算法对“五叶” 牌1 6 0 8 k 农用运输车在工况为砂石路、满载、车速为2 0 k m h 的加速度信号进 行了分析处理，准确定位了影响振动的频率成分”。同年上海交通大学振动工 程研究所的罗超等人运用基于小波变换系数门限值和基于小波极大值分解的去 噪算法，对柴油机供油系高压管路压力波信号进行了去噪重现【”l ，有效地屏蔽 了背景噪声，较好地再现了高压油管的压力波形。 2 0 0 1 年哈尔滨工业大学的孙振明等人针对齿轮箱振动信号的特点，提出以 局部最大模原理为依托的浮动阈值降噪算法，有效地降低了齿轮箱的振动【19 1 。 2 0 0 2 年东南大学姚志远以及江苏大学曾发林、宫镇利用三级小波包分解， 获取了信号能量分布的特征向量，根据特征向量的相关系数成功地对车辆的噪 声源和振动源进行了识别1 2 ，为车辆振动和噪声控制的研究提供了新的测试手 段。 2 0 0 3 年北京理工大学李晓雷、韩宝坤根据路面样本值，以a r m a 模型为 基础建立路面不平度时间序列，建立1 2 车辆平顺性模型，并以该时间序列为 输入，运用小波变换方法分析了车辆的振动响应与路面激励之间的关系【2 1 1 。 综上所述，小波分析作为一种全新的信号处理工具，在振动信号处理方面 取得了越来越多和越来越深的应用。不过同时也应该看到小波分析本身也是一 门发展得非常快的学科，它也会有它的不适应范围和它的不足，只有结合实际 情况，具体问题具体分析，才能更好地运用小波理论解决实际问题。 1 3 本文的研究内容 本课题来源于北汽福田股份有限公司的“汽车振动测试后处理”项目。课 题要求基于v i s u a lb a s i c6 0 利用传统的谱分析技术编制汽车振动信号后处理软 件，提供一个对各种汽车振动信息进行综合处理的平台。笔者在完成软件编制 的基础上，针对传统的谱分析的优缺点，就小波分析应用于汽车振动信号处理 中的若干问题进行了探讨，对如何选择合适的小波参数以提取汽车振动信号中 的有用信息，提高小波参数选择的针对性、减少盲目性，起到了定的作用。 全文共分为六章，各章的主要内容如下： 第一章简述了汽车振动信号现有的处理方法、小波分析的发展史、特点及 其在振动信号处理中的应用现状。 第二章首先对软件编制的理论基础f f t 变换及谱分析作了简要介绍，然后 按各个模块较详细地说明了软件的功能，最后给出了软件的应用实例，表明软 件具有较好的可行性和实用性。 4 第三章介绍了小波变换的基本理论，包括连续小波变换、离散小波变换、 二进小波变换、小波变换的快速算法、多分辨分析以及常见的几种小波函数等 内容。 第四章对常用的四种小波系作了数学分析和总结，建立了小波母函数选择 的评价体系，提出去噪因子的概念，通过对典型汽车振动信号的去噪操作，得 出了信号去噪中可以选用的较优小波母函数，为避免小波基的盲目选择提供了 保障。 第五章主要研究了小波分析在信号的阈值去噪中的应用，先简要介绍了小 波分析用于信号阈值去噪的原理及其实现方法，重点分析了传统的软硬阈值方 法的优缺点，并在此基础上衍生出三种改进的小波阈值去噪方法，选用第四章 中选定的较优小波母函数进行去噪，给出了改进方案的仿真结果和用于实测汽 车振动信号的去噪效果。 第六章对全文作了总结，找出工作中的不足和尚需改进的地方，并展望了 小波变换在汽车振动信号分析中的应用以及个人将来在小波分析方面有待深入 研究的工作。 第二章基于谱分析理论的信号后处理软件的编制 2 1 概述 随着生活水平的提高，人们对汽车乘坐舒适性的要求越来越高，进行汽车 n v h 性能的研究也变得日益重要。目前，对汽车振动和平顺性进行分析和评价 的软件系统主要有以下两类：一类是基于少自由度模型或多体动力学模型的仿 真系统 2 2 , 2 3 ，另一类是基于实验数据的分析评价系统。这两类系统所进行的振 动分析的主要内容包括：频谱分析、相关和相干分析、模态分析、灵敏度分析 和结构修改等【2 4 7 ；而平顺性主要根据乘员主观感觉的舒适性来评价，或者是 计算加速度的均方根值和加权振级，利用g b 4 9 7 0 - - 8 5 、g b t 1 2 4 7 7 和i s 0 2 6 3 1 等标准来进行评价。这些研究对汽车的振动分析和平顺性评价起到了重要作用。 但也存在以下两个问题【2 8 3 0 1 ：一是常用振动分析软件的通用性强，缺乏针对性， 例如目前我国汽车企业和科研院所使用较多的l m s 数据分析仪以及与文献 【3 1 3 3 】中介绍的类似测试和评价系统都很难利用汽车的n v h 指标对汽车的 总成性能匹配、零部件结构整合进行研究；二是平顺性评价标指标不够完善， 在实车对比试验中发现，在总加权加速度均方根值相差无几的情况下，汽车的 实际舒适性却有可能相差较大，说明上述评价指标并不能完备地概括汽车的振 动性能。 而目前随着汽车振动理论分析和试验分析技术的不断发展提高，己逐步能 够在汽车设计时为汽车的振动性能进行规划设计，从而将n v h 分析技术贯穿 在汽车设计的整个过程中，即n v h 设计。要进行汽车n v h 设计，其首要任务 是确定汽车的n v h 设计的目标值，最实用方便的办法是：根据所需要开发的 车型，对市场上相近的汽车进行n v h 性能分析，预测汽车市场的未来趋势， 结合汽车设计理论和实际经验，确立n v h 设计目标，再分解到各总成及零部 件，从而制定整个开发过程。汽车振动信号后处理软件编制的主要目的就是： 针对汽车振动性能，提供一个对各种汽车振动信息进行综合处理的平台，从而 确立n v h 设计目标及目标分解的方法。 本软件是应北汽福田技术研究院的要求基于v i s u a lb a s i c6 0 1 3 4 17 i 平台开 发研制的，对利用比利时l m s 公司的t e s t 1 a b 及c a d a - - x 振动检测与分析软件 进行分析得到的数据进行后处理，全面分析汽车各部位的振动特性，为汽车设 计、制造、质量控制及试验验证提供帮助与指导。 2 2 软件编制的理论基础 3 8 - 4 0 2 2 1 离散傅里叶变换( d f t ) 设x ( n ) 是一个以为周期的序列，则可以定义以下的离散傅里叶变换对表 6 达式： f ( 七) ：窆。( 。) 。一j 和 ( 2 。1 ) j 忙。 h ，= 专蓑聊静 z ， 其中z ( i ) = z 0 。百) ，x ( ) ：x r ) ：x ( ) 也是一个以为周期的序列，称为序 列x ( ”) 的离散傅立叶变换，简称d f t ：而x ( n ) 则称为x ( k ) 的离散傅立叶逆变换。 2 2 2 按时间抽取的f f t 算法( 库利一图基算法) 将n = 2 “的序列z ( n ) ，0 = 0 , 1 ，n 一1 ) ，按肝为偶数和奇数分为两个长度为 n 2 的序列( 即时间抽选) ： rx ( 2 r ) = 一( r ) ( 2 3 ) 删 ，鲁一- l x ( 2 r + 1 ) = x ：( r )( 2 4 ) 因此 x 研) ) 的n 点d f t 可以表示为： 生一t坐一1 z ( 膏) ：至而( ，孵m + 艺石：o 渺常m ) * ：，( i ) + 畋z ：( 七) ( 2 5 ) 其中互( 的及x ：( 功分别是葺( ，) 及x ：( r ) 的n 2 点d f t ： 坐一i苎一l r 墨( 女) ：艺_ p 沙妒：窆x ( 2 r 孵 ( 2 6 ) j 2 ”。 2 l x ：。的：差石：。，沙：蔓x 。2 ，+ ，孵 。：， l x ：( ) = 石2 ( r 沙= x ( 2 r + 1 矽妒 ( 2 7 ) 由于系数孵的周期性，即咄：i + 譬以及蝶的对称性，即 亍i 榉“) ：群峨：一嗡，所以对于：o ，l ，了n l 有： x ( 后) = x j ( 2 ) + 孵z z ( 2 ) ( 2 - 8 ) 【x ( k + = n ) ：，( ) 一暇x ：( 女) ( 2 9 ) 这样就可以以n 2 点的离散傅里叶变换的x 1 ( 七) 和x ，( k ) 算出全部n 点离 散傅里叶变换x ( k ) 的值。若n = 2 。，则分解过程可以一直进行下去，共分解三次 直到1 点d f t 为止。 2 2 3f f t 谱分析法 4 1 , 4 2 1 周期图法是经典谱估计的基本方法，它把x ( n ) 的点观察值x 。( 行) 视为一能 量有限信号，直接取矗( h ) ) 的傅里叶变换，并除以作为对x ( n ) 的真实功率谱 的估计，即p ( c o ) = | 以( c o ) 12 n 。由于x ( n ) 要取的点数可能较多，通常由f f t 快 速计算得到爿。渤) 的值，因此也称之为f f t 谱分析法。 为了保证计算精度，f f t 谱分析法需要较多的采样数据，该算法要求离散 点必须满足采样点数2 “个，一般在5 1 2 点以上，且必须整周期地采样被测信号。 但是采样点数越多，给系统带来的计算量也越大，系统分析处理的实时性会有 所下降，所以在实际汽车振动信号的谱分析中，我们折中了运算时间和精度的 要求，每组一次处理1 0 2 4 点数据。 2 3 软件的界面及流程图 2 3 1 软件的主界面 汽车振动信号后处理软件的应用环境与m i e r o s o f to f f i c e 家族中的应用软 件类似，其工具栏按钮具有提示功能，单击右键可显示快捷菜单等等。双击“汽 车振动信号后处理软件”图标打开应用程序，会显示如图2 - 1 所示的应用环境 窗口，包含m i c r o s o f t 应用软件常规的标题栏、菜单栏，工具栏和状态栏。 图2 - 1 汽车振动信号后处理软件的主界面 2 3 2 软件流程图 汽车振动信号后处理软件的基本流程为：利用l m s 数据采集分析仪对整 车振动信号进行采样得到l m s 数据文件，此文件经预处理后得到数据文件 ( u n v 文件) ，主要包括功率谱文件、时域信号文件、相关函数文件、传递函数 文件。本系统首先读入u n v 数据文件，将数据文件的试验信息、数据标志信息 以及数据导入到评价系统中，然后对u n v 数据文件进行格式的转换，将其转换 成数据文件( ，z d t 文件) ，以二维云图和三维谱阵的形式进行数据的显示，进行 谱阵数据的相关指标值的运算、功率谱的计算和评价、基频处理等操作。采样 数据的f f t 变换在数据的预处理中完成。试验及分析的详细流程如图2 - 2 所示。 2 ，4 软件的功能及实现 汽车振动信号后处理软件实现了对整车试验数据进行数据的转换以及数据 的显示操作，并从中提取了数据文件的若干信息并形成了相对应的指标值。其 功能简述如下： 1 ，l m s 数据文件的自动识别及转换，其中l m s 数据文件包括功率谱文件、时 域信号文件、相关函数文件、传递函数文件、c a d a - - x 的导出文件、t e s t l a b 的导出文件等，转换后的文件应包含主要文件信息、试验信息、数据标志 信息、数据文件等。 2 ，谱阵数据的运算功能，包括整个谱阵的最大值和平均值的运算、各谱线总 能量的运算和平均能量谱的运算、各谱线的最大值和平均值的运算、峰值 谱线和平均谱线的运算以及上下两平均谱线的运算等。 3 谱阵数据的三维显示功能，包括三维谱阵显示，云图中峰值曲线的交互点 击、处理、谱阵基频曲线处理、基频文件管理( 读写操作) 。 4 谱阵数据的二维显示功能，各种数据随频率的变化曲线以及随时问的变化 曲线，显示过程中曲线可以进行缩放操作。 5 功率谱评价计算功能，包括人体感受评价以及分段、峰值评价等。 6 m a t l a b 数据交换功能。 图2 - 2 汽车振动信号后处理软件的流程图 l o 2 4 1 主程序菜单 螺 辎 坦 螺搽 倒 口 舀钽魍 蝼 徊 曲丑 并 鼎 剐 螫 曲 窖 止 日 纠 曾 i 乓1 乓= 蛆 叫嘣 日 呕 譬 一 一 赢 赢 期 撷 暑| ：f 撒 赢 期 o 爷 z 超 蜜 爷z 器需 最 z 。o 蘸 赢 z o 翘了 墨 蜜 镪 器 一 盘 一 3 娶娶尾犀 测趔 熟锣 一 衄咖】d 删日硎 斗蠖蜷 龊耀 u m 啷嘣 o 靶弛搬 期期 蒋h 株 模料得 + h 曝 聪曝 蛊 螂料 世 鲁 斟瓣褂斟槲 骚 刚啦 趔 褂 嚣骚嚣曝 曝 晦咚 露 舔 聪 霜糕籁 斗 蹦 蚓蚓霜 露 蜉斗露霹 弛 刭 k霜牛 斟_ 牛卜 l ；卜吲 1 1 婴 皤*叫卜晷 晷 瞽 口口 心 4 吐 地 1 碡 囤囤 臀 嘣 团团 1 h1 乜 鞲 圃 1 h 1 h 创 撤 褂 1 h 龄 1 趟蹦嘲 趟删 湘r 囤圃 1 悟 圃圈爨姑 吲 裂媒 鼎 i i l 赵 搬 滟划删 刚 蚓制 口 抓r 剐 蜷剐叵 蜘 瓣烈 卿 删 掣 捡 嚣1 b攥 咄 侮 珀醐 吲 篮h 剐 世 鼬 似 建 辎丑 议 徊赠 图2 3 汽车振动信号后处理软件的主菜单 2 4 2 主程序主要功能 汽车振动信号后处理软件的主程序是本系统的入口，它主要具有以下功能： 系统的起点：该程序是本软件的开始，用户只要进入本程序，就能使用 相应的功能： 各项子模块的入口：对本软件的各项功能进行分类、归纳、总结，设计 了该程序的各级菜单，用户可根据自己的要求进入各个子模块迸行相关操作； 其它功能管理：本软件考虑到图表框和数据列表框，设计了一些辅助工 具，在主程序中可以对这些工具进行相关管理。 2 4 3 文件管理模块 图2 4 文件管理模块的界面 本模块的主要任务是在系统中查找数据包文件( u n v 文件) ，并按照规定的 格式转换成我们能够进行处理的z d t 文件，或者是查找以前已经进行转换过的 时域频域文件，然后选定某一通道文件，该通道文件是进行谱阵的显示以及谱 阵运算的前提和保障，界面如图2 - 4 所示。其主要功能有： 查找l m s 数据文件、时域文件、频域文件：利用驱动器列表框、目录列 表框和文件列表框查找进行整车试验的数据包文件( u n v 文件) ，已经转换过 的时域频域文件( z d t 文件) 。 将l m s 数据文件转换成z d t 文件：在首次处理u n v 数据文件时，需要将 其转换成z d t 文件，由于后续的所有操作都是基于z d t 文件格式的，所以z d t 文件是我们进行后续操作的基础。 对数据文件的谱阵类型进行标定：原数据文件的谱阵类型分为峰值谱和 有效谱两类，系统裔动检测原数露文件的谱薛类毽，在对应的谱阵类塑前面戬 “”进行标记。 显示文件信意和通邋信息：系统鲁动检溺选定静数据文件，并在通道文 件列袭框中擞示其试验名称、数据溪型、通道数、步长、标识等信息。 将鼗据文件转换或m a t 文释：在逶遂文臀魏表框中选定莱一露域或者颓 域文件以后，可以将其转换成m a t l a b 可以识别的m a t 文件，就可以借助于 m a t l 曲强大戆数据处理秘爨形显示功麓避行糖关操作。 2 4 。4 塞口麓理模块 本模块烂对主稷序界面中显示的窗口和工具橙进行管理，并显示选定谱阵 的总体参数馕帮墓颧参数，将这些指标毽以数蠡捌表程的形式绘出，有嗣予对 整车的性能进性评价，界面如图2 - 5 所示。其主要功能有： 显示憨俸参数指标：对选定黥数蠢文 牟遴行稳关臻标蓬静静计冀，j 逄摇 标值怒总体参数指标，以列表框的形式给出。同时还给出了数据文件的一些标 识售想，一嚣了然。 图2 5 窗口管理模块的界面 显示基频处理窗口：将基频处理窗口和云图显示中的快捷菜单上的各子 菜单项进行结合，可以实现对谱阵的谐波曲线、谐波峰曲线等基频处理操作， 还可以实现峰值列表和基频列表的存储、插值等操作。 显示隐藏直尺工具：由于在本软件中经常出现图表框和数据列表框，所 以设计了直尺，方便在观察图像和较长的数据时作一个参照。利用这一组菜单 可以实现直尺的显示和隐藏。 工具栏的显示和隐藏：由于在本软件中某些操作( 例如云图显示) 比较 频繁，点击下拉菜单比较不便，所以设计了快捷工具栏。为适应用户的爱好， 可以对工具栏进行设置，使其可见或者不可见。 显示当前主界面中打开的窗口信息；系统自动检测当前主程序界面中已 经打开的窗口，可以在各窗口之间实现便捷的切换。 2 4 5 三维显示模块 本模块的主要任务是对选定的数据文件进行三维显示，以比较直观的方式 表征谱阵信息，有利于我们对整车的相关性能进行评价，界面如图2 6 所示。 其主要功能有： 对谱阵数据进行三维显示：以存放谱阵数据的二维数组的下标为横纵坐 标，以相应的谱阵值( 位移、速度、加速度、当量谱) 为第三维坐标对谱阵数 据进行直观的三维显示。 图2 - 6 三维显示模块的界面 对三维图的显示进行视角变换：用鼠标拖动三维坐标系的原点可以实现 对图形进行视角的变换操作，有利于我们对谱阵数据的察看。 2 4 6 云图显示模块 本模块的主要任务是对选定的某一通道文件进行云图的显示，并且可以对 云图中的若干条行曲线或者