汽車摘掛擋噪聲識(shí)別與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王繼躍 劉偉東 吳亞軍 申春寶 王泮震

（1.中國(guó)第一汽車股份有限公司新能源開(kāi)發(fā)院，長(zhǎng)春 130013；2.汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130013）

主題詞：時(shí)域分析法 摘掛擋噪聲 LabVIEW

1 前言

隨著對(duì)雙離合自動(dòng)變速器（Dual Clutch Transmission，DCT）的研究深入，汽車廠家對(duì)濕式DCT摘掛擋品質(zhì)提出了更高的要求。目前，對(duì)汽車在運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行采集和分析的主要方法是采用聲級(jí)計(jì)進(jìn)行音頻信號(hào)處理[1-2]。然而，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段臺(tái)架及整車試驗(yàn)和標(biāo)定過(guò)程中，DCT所處的聲學(xué)環(huán)境較為惡劣，普通聲級(jí)計(jì)和分析儀無(wú)法滿足變速器摘掛擋噪聲識(shí)別、分析與評(píng)價(jià)的需求[3-4]。為此，本文基于振動(dòng)傳感器和撥叉位置傳感器，利用LabVIEW 開(kāi)發(fā)能夠在復(fù)雜聲學(xué)環(huán)境下進(jìn)行摘掛擋噪聲識(shí)別與分析的系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于LabVIEW的汽車變速器摘掛擋噪聲識(shí)別與分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件組成如圖2 所示，選取BK 4507-B-001型振動(dòng)傳感器，采用自動(dòng)變速器內(nèi)置撥叉位置傳感器和計(jì)算機(jī)內(nèi)置聲卡，以HBM 公司的QuantumX MX840B通用放大器作為數(shù)據(jù)采集卡，并與計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)通訊。

圖2 系統(tǒng)硬件組成示意

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用由NI公司推出的基于圖形化編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)工具LabVIEW[5]，其采用了面向?qū)ο蟮姆椒ê透拍钸M(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化編程思路，根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同可劃分為若干個(gè)子模塊，使用過(guò)程中可根據(jù)不同的需求選擇相應(yīng)的測(cè)試功能。

系統(tǒng)軟件組成如圖3 所示，軟件系統(tǒng)信息流向如圖4 所示。其中，噪聲識(shí)別裝置基于LabVIEW 平臺(tái)開(kāi)發(fā)，包括噪聲識(shí)別模塊、噪聲分析模塊和噪聲轉(zhuǎn)換模塊。噪聲識(shí)別模塊用于獲取振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域特性曲線，并據(jù)此確定振動(dòng)信號(hào)是否為噪聲。噪聲分析模塊用于對(duì)振動(dòng)信號(hào)和撥叉位置信號(hào)進(jìn)行對(duì)齊和重采樣處理，并根據(jù)處理后的信號(hào)確定產(chǎn)生噪聲時(shí)撥叉的對(duì)應(yīng)位置區(qū)間。噪聲轉(zhuǎn)化模塊用于對(duì)振動(dòng)信號(hào)按照設(shè)定的采樣間隔進(jìn)行重采樣，并實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為音頻信號(hào)。

圖3 基于LabVIEW的系統(tǒng)軟件組成

圖4 軟件系統(tǒng)信息流向

振動(dòng)信號(hào)進(jìn)入噪聲識(shí)別模塊后被分為兩路，對(duì)其中一路做幅值和電平測(cè)量獲得振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域幅值，若振動(dòng)信號(hào)為變速器摘掛擋時(shí)產(chǎn)生的噪聲，則將噪聲產(chǎn)生期間所獲得的時(shí)域幅值分別增、減設(shè)定值FΦ，獲得上、下限掩區(qū)帶，并將其刷入掩區(qū)和邊界測(cè)試單元。

以實(shí)車狀態(tài)下掛2 擋為例，對(duì)本系統(tǒng)上、下限掩區(qū)帶的選取進(jìn)行說(shuō)明。反復(fù)執(zhí)行掛2擋命令，自命令發(fā)出時(shí)刻起至掛擋命令執(zhí)行結(jié)束時(shí)刻，測(cè)量此時(shí)域區(qū)間內(nèi)變速器掛2 擋無(wú)噪聲時(shí)振動(dòng)信號(hào)時(shí)域幅值帶F1及掛2 擋產(chǎn)生噪聲時(shí)振動(dòng)信號(hào)時(shí)域幅值帶F2，F(xiàn)1與F2做差得到差值帶Fσ。上述FΦ為差值帶Fσ中數(shù)據(jù)中位數(shù)的絕對(duì)值，命名為F0.5，將F2增、減FΦ即為本系統(tǒng)上、下限掩區(qū)帶的設(shè)定參數(shù)。同時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)FΦ來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)噪聲識(shí)別靈敏度，為保證系統(tǒng)功能，F(xiàn)Φ應(yīng)小于Fσ的最大值。

對(duì)另一路振動(dòng)信號(hào)調(diào)用信號(hào)掩區(qū)和邊界測(cè)試單元，對(duì)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域特性曲線進(jìn)行信號(hào)掩區(qū)和邊界測(cè)試。當(dāng)該曲線在上、下限掩區(qū)之間時(shí)，該振動(dòng)信號(hào)為摘掛擋產(chǎn)生的噪聲。本系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)不同種類的噪聲信號(hào)做幅值和電平測(cè)量獲得時(shí)域幅值，從而獲得不同種類噪聲信號(hào)對(duì)應(yīng)的上、下限掩區(qū)帶，通過(guò)確定振動(dòng)信號(hào)時(shí)域特性曲線落入的區(qū)間，可以識(shí)別噪聲信號(hào)的類別。

具體的，振動(dòng)信號(hào)和撥叉位置信號(hào)輸入噪聲分析模塊后，調(diào)用對(duì)齊和重采樣單元對(duì)振動(dòng)信號(hào)和撥叉位置信號(hào)進(jìn)行對(duì)齊處理，采用線性插值模式以預(yù)設(shè)采樣間隔并進(jìn)行重采樣。當(dāng)變速器產(chǎn)生摘掛擋噪聲時(shí)，檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)的波形突變點(diǎn)，根據(jù)對(duì)齊的振動(dòng)信號(hào)和撥叉位置信號(hào)確定波形突變點(diǎn)與撥叉位置信號(hào)對(duì)應(yīng)的區(qū)間，從而獲得噪聲信號(hào)對(duì)應(yīng)的撥叉位置區(qū)間，即確定摘掛擋噪聲產(chǎn)生時(shí)變速器所處的換擋階段。

振動(dòng)信號(hào)輸入噪聲轉(zhuǎn)換模塊后，按照實(shí)車在安靜環(huán)境下的摘掛擋噪聲確定的采樣間隔，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行重采樣，并調(diào)用聲卡驅(qū)動(dòng)單元將重采樣后的振動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為音頻信號(hào)，其中一路音頻信號(hào)被存儲(chǔ)，另一路音頻信號(hào)被發(fā)送至聲音播放模塊進(jìn)行播放。本系統(tǒng)中，采用實(shí)車在安靜環(huán)境下的摘掛擋噪聲確定的采樣間隔對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行重采樣，使轉(zhuǎn)換后的音頻信號(hào)音色與實(shí)車在安靜環(huán)境下的摘掛擋噪聲一致，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)惡劣聲學(xué)環(huán)境下變速器摘掛擋噪聲大小的主觀評(píng)價(jià)。同時(shí)，噪聲轉(zhuǎn)換模塊獲取振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域幅值，并將時(shí)域幅值的均方根與實(shí)車在安靜環(huán)境下的摘掛擋噪聲對(duì)應(yīng)的時(shí)域幅值閾值進(jìn)行比較，判斷時(shí)域幅值的均方根是否落入設(shè)定閾值范圍，若落入，則進(jìn)行報(bào)警。例如，獲得實(shí)車安靜環(huán)境摘掛擋產(chǎn)生的3個(gè)不同噪聲的閾值分別為T1、T2和T3，且T1＜T2＜T3，設(shè)時(shí)域幅值的均方根為T：如果T1≤T＜T2，則綠色指示燈點(diǎn)亮，蜂鳴器不報(bào)警；如果T2≤T＜T3，則黃色指示燈點(diǎn)亮，蜂鳴器不報(bào)警；如果T≥T3，則紅色指示燈點(diǎn)亮，蜂鳴器報(bào)警。由此實(shí)現(xiàn)了對(duì)噪聲的客觀評(píng)價(jià)。

3 系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證

以某型在研濕式7速DCT為例，利用本文提出的噪聲識(shí)別與分析系統(tǒng)對(duì)該型變速器進(jìn)行分析。系統(tǒng)測(cè)試僅對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行驗(yàn)證。

在噪聲識(shí)別模塊中，圖5所示為某換擋工況下用于摘掛擋噪聲識(shí)別的上限掩區(qū)設(shè)置界面，可通過(guò)文件導(dǎo)入或者手動(dòng)寫入的方式輸入上、下限掩區(qū)限值。然后接通被測(cè)信號(hào)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)與上、下限掩區(qū)交叉時(shí)，表明所測(cè)信號(hào)非摘掛擋噪聲，此時(shí)第一圖譜顯示單元顯示如圖6所示的“超限區(qū)域”，當(dāng)被測(cè)信號(hào)完全落入上、下限掩區(qū)之間時(shí)，被測(cè)信號(hào)為該限值下摘掛擋噪聲，此時(shí)第一報(bào)警單元蜂鳴器響起。

圖5 上限掩區(qū)限值輸入界面

圖6 第一圖譜顯示單元

在噪聲分析模塊中，將自動(dòng)變速器穿缸線束中的撥叉位置信號(hào)引入數(shù)據(jù)采集卡，并將其與振動(dòng)信號(hào)對(duì)齊重采樣，同步顯示在第二圖譜顯示單元，如圖7 所示。通過(guò)對(duì)比振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生尖峰時(shí)的撥叉位置區(qū)間，可便捷地分析出噪聲產(chǎn)生時(shí)變速器所處的換擋階段。

在噪聲轉(zhuǎn)換模塊中，調(diào)用計(jì)算機(jī)內(nèi)置聲卡，將采集到的振動(dòng)信號(hào)重采樣后以音頻信號(hào)實(shí)時(shí)輸出，通過(guò)改變重采樣時(shí)的采樣頻率使得實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換后的摘掛擋噪聲具備與實(shí)車摘掛擋噪聲相近的音色，以此進(jìn)行噪聲的主觀評(píng)價(jià)。同時(shí)，以實(shí)車產(chǎn)生摘掛擋噪聲時(shí)振動(dòng)信號(hào)的幅值均方根為閾值，實(shí)時(shí)獲取振動(dòng)信號(hào)的幅值均方根并與上述閾值作比較，結(jié)果如圖8所示，當(dāng)產(chǎn)生摘掛擋噪聲時(shí)，第二報(bào)警單元報(bào)警，實(shí)現(xiàn)摘掛擋噪聲的客觀評(píng)價(jià)。

圖7 第二圖譜顯示單元

圖8 第二報(bào)警單元

4 結(jié)束語(yǔ)

本文構(gòu)建了一種基于LabVIEW的汽車變速器摘掛擋噪聲識(shí)別與分析系統(tǒng)，以噪聲的識(shí)別、分析與評(píng)價(jià)為中心進(jìn)行系統(tǒng)的功能開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)內(nèi)置了上、下限掩區(qū)、均方根閾值、重采樣頻率等多種標(biāo)定參數(shù)，用戶可根據(jù)實(shí)際使用需求在變速器不同的擋位、使用溫度、換擋力大小等維度，針對(duì)本系統(tǒng)的內(nèi)置參數(shù)以及所采集的噪聲信號(hào)等數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)搭建，提升產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中變速器噪聲問(wèn)題的可追溯性。同時(shí)，由于該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，具有靈活性和可擴(kuò)展性。