小波分析在汽車空調(diào)啟動(dòng)異響診斷中的應(yīng)用

楊　誠，肖　堯，胡美龍

（重慶大學(xué) 汽車工程學(xué)院，重慶 400044）

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小波分析在汽車空調(diào)啟動(dòng)異響診斷中的應(yīng)用

楊誠，肖堯，胡美龍

（重慶大學(xué) 汽車工程學(xué)院，重慶 400044）

當(dāng)按下汽車空調(diào)啟動(dòng)鍵（AC ON）后，空調(diào)系統(tǒng)工作，車內(nèi)產(chǎn)生異響。針對(duì)車內(nèi)空調(diào)啟動(dòng)異響，探究其產(chǎn)生原因和影響因素以解決該問題。使用B&K信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)車內(nèi)噪聲信號(hào)與壓縮機(jī)、膨脹閥的加速度信號(hào)進(jìn)行采集。選取適當(dāng)?shù)男〔ɑ托〔▍?shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波能量譜分析。發(fā)現(xiàn)空調(diào)啟動(dòng)異響是由壓縮機(jī)吸合時(shí)銜鐵的沖擊振動(dòng)引起，并與膨脹閥上的振動(dòng)相關(guān)。對(duì)壓縮機(jī)、空調(diào)管路采取隔振減振措施后，壓縮機(jī)吸合沖擊及膨脹閥振動(dòng)大大衰減，車內(nèi)的空調(diào)啟動(dòng)異響明顯減弱。

振動(dòng)與波；空調(diào)啟動(dòng)；車內(nèi)異響；小波分析；壓縮機(jī)吸合沖擊；膨脹閥

車載空調(diào)系統(tǒng)是汽車的一個(gè)重要系統(tǒng)，也是汽車NVH問題關(guān)注較多的一個(gè)子系統(tǒng)［1］。空調(diào)系統(tǒng)是車內(nèi)異響的一個(gè)重要來源，特別是在炎熱的夏季。由于空調(diào)壓縮機(jī)銜鐵為金屬部件，吸合時(shí)會(huì)有明顯的瞬時(shí)沖擊。這種沖擊振動(dòng)或通過連接壓縮機(jī)的高低壓管路傳進(jìn)車內(nèi)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振音，或通過空氣直接將壓縮機(jī)吸合的沖擊聲傳進(jìn)車內(nèi)，產(chǎn)生“啪”一聲響，使乘客產(chǎn)生反感情緒。

要解決該異響問題，首先要確定異響特征和產(chǎn)生異響的原因。一般的信號(hào)分析方法如傅里葉變換等，只適用于分析穩(wěn)態(tài)信號(hào)，且變換到頻域之后失去了時(shí)間信息［2］。而對(duì)于這種具有瞬態(tài)沖擊特性的非平穩(wěn)信號(hào)，為了進(jìn)行準(zhǔn)確描述，必須使用具有局部性能的時(shí)域和頻域的二維變換分析方法。小波變換可以精確定位到發(fā)生沖擊的時(shí)刻，并且描述該沖擊的頻域分布，是處理瞬態(tài)非平穩(wěn)信號(hào)的一種適用、成熟的時(shí)頻分析方法［3］。小波分析在1984年由Morlet首次提出，經(jīng)過三十年不斷演變與完善已經(jīng)日趨成熟。筆者提出過基于小波空間相關(guān)濾波與對(duì)稱點(diǎn)模型診斷發(fā)動(dòng)機(jī)異響等方法［4］。國外的Blough等利用小波分析方法提取了包含在穩(wěn)態(tài)信號(hào)中的瞬態(tài)成分［5］。Cheng利用小波分析研究由于汽車碰撞引起的響應(yīng)［6］。Discenzo等運(yùn)用小波分析建立了一套齒輪故障診斷系統(tǒng)［7］。

文中使用丹麥B&K公司的Pulse Lab Shop測試軟件，對(duì)某國產(chǎn)品牌SUV進(jìn)行空調(diào)啟動(dòng)車內(nèi)噪聲的數(shù)據(jù)采集與測試。使用Pulse中的Time Edit& Analyze模塊對(duì)所測數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻譜分析，得到車內(nèi)噪聲的時(shí)間譜陣圖。在Matlab中利用小波工具箱篩選合適的小波基對(duì)所測信號(hào)進(jìn)行小波變換，得到?jīng)_擊發(fā)生的時(shí)刻與空調(diào)壓縮機(jī)吸合的時(shí)刻相吻合以及沖擊信號(hào)的頻率構(gòu)成成分與時(shí)間譜陣大致吻合的結(jié)論。另外，在壓縮機(jī)低壓吸氣口與膨脹閥（TXV）低壓出口發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的振動(dòng)沖擊信號(hào)，說明控制低壓管的振動(dòng)傳遞也是改善異響的必要措施。由此鎖定車內(nèi)聽到的異響由壓縮機(jī)吸合產(chǎn)生的沖擊聲以及沖擊振動(dòng)引起。

通過采取必要的措施，緩和壓縮機(jī)吸合沖擊、衰減低壓管振動(dòng)傳遞等，使空調(diào)啟動(dòng)異響程度得到改善。對(duì)采取改進(jìn)措施后的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集測試，噪聲和振動(dòng)在頻譜和時(shí)頻譜上均得到明顯的抑制。

1　連續(xù)小波分析定義

小波分析主要針對(duì)L2（）R函數(shù)空間，即R上平方可積函數(shù)構(gòu)成的函數(shù)空間

即Cψ有界，則稱ψ為一個(gè)基小波或母小波。將母小波經(jīng)過伸縮平移可以得到一個(gè)小波序列

其中a，b∈R且a＞0。稱a為伸縮因子，b為平移因子，它們都是連續(xù)變換的量。則關(guān)于母小波ψ的連續(xù)小波變換定義為

可以看出，變換后的函數(shù)是二維的。小波分析提出了變時(shí)窗，當(dāng)需要低頻信息時(shí)，采用長的時(shí)窗；當(dāng)需要高頻信息，則采用短的時(shí)窗。小波變換把原來的一維信號(hào)變?yōu)槎S信號(hào)，以便分析信號(hào)的時(shí)頻特性。

2　母小波的選取

小波分析所用的母小波不是唯一的。采用不同的母小波對(duì)同一信號(hào)進(jìn)行分析，得到的分析效果往往是不同的。小波基的選擇可以從小波基本參數(shù)特性和各小波基對(duì)信號(hào)的實(shí)際處理效果兩方面進(jìn)行分析［8］。

在膨脹閥（TXV）低壓出口設(shè)置傳感器測取加速度，信號(hào)采樣頻率為65 536 Hz。在所采信號(hào)中間截取時(shí)間1 s的時(shí)域波形，如圖1。

圖1　TXV低壓口加速度時(shí)域波形

該時(shí)段內(nèi)，空調(diào)壓縮機(jī)吸合（AC ON），產(chǎn)生一個(gè)沖擊振動(dòng)，該振動(dòng)沿低壓管傳至TXV低壓口，大概位于0.06 s左右。圖2為該信號(hào)的頻域分布。可看出頻域能量主要分布在0～2 kHz和8 kHz～9 kHz。

圖2　TXV低壓口加速度的頻域分布

利用各種小波函數(shù)，計(jì)算該信號(hào)的小波能量譜，通過小波能量譜中能量分布情況選取合適的母小波。Matlab小波工具箱中有幾十種母小波函數(shù)。針對(duì)Haar小波（haar）、Meyer小波（meyr）、Mexican hat小波（mexh）、Daubechies小波（db）、Symlets小波（sym）、Guassian小波（gaus）、Morlet小波（morl）、Complex Morlet小波（cmor）等典型的母小波，計(jì)算了它們的小波能量譜。由于篇幅所限，圖3中只列出了其中的8種。

圖3　TXV低壓口加速度信號(hào)的小波能量譜

可以看出，圖3（h）的小波能量分布最符合圖2所示的頻譜分布。除了morl和cmor小波以外，其他的小波能量譜分布均與TXV低壓口加速度的頻譜分布相差甚遠(yuǎn)。由于Morlet小波過于單一，分解效果相對(duì)于Complex Morlet小波簇較差，并且Complex Morlet小波的特征明顯，在實(shí)際工程中易于選取，因此選用該小波簇進(jìn)行分析。

Complex Morlet小波簇的定義式為

該母小波只有兩個(gè)參數(shù)，fb為帶寬，fc為中心頻率。Complex Morlet小波在Matlab中的表示方式為“cmor fc-fb”。選擇適當(dāng)?shù)?fb與 fc可以更好的刻畫信號(hào)的時(shí)頻特征。經(jīng)過一定的篩選與比較，當(dāng)fc=10，fb=0.7時(shí)，譜圖顯示較為細(xì)膩，分析效果較好。因此選用cmor10-0.7對(duì)所測的信號(hào)進(jìn)行小波分析。

3　實(shí)車空調(diào)啟動(dòng)異響的小波分析

所使用的信號(hào)采集系統(tǒng)為B&K公司的Pulse Lab Shop軟件與信號(hào)采集前端。針對(duì)某款國產(chǎn)SUV，在車內(nèi)駕駛員右耳處布置麥克風(fēng)測取車內(nèi)噪聲，在壓縮機(jī)吸氣口與膨脹閥TXV低壓管口布置加速度計(jì)測取振動(dòng)信號(hào)。在壓縮機(jī)吸氣口處，空調(diào)開啟、壓縮機(jī)吸合瞬間產(chǎn)生沖擊振動(dòng)。該沖擊通過低壓管傳至膨脹閥，產(chǎn)生微弱的時(shí)間差，使TXV加速度也相應(yīng)地發(fā)生瞬時(shí)突變。但從時(shí)域中很難分辨出車內(nèi)噪聲的沖擊突變。

圖4和圖5為壓縮機(jī)吸氣口處的加速度頻譜與小波能量譜。

圖4　壓縮機(jī)吸氣口加速度頻譜

從圖4可看出振動(dòng)的能量分布在很寬的頻帶內(nèi)，而在圖5中也體現(xiàn)出，壓縮機(jī)吸合時(shí)刻產(chǎn)生了一個(gè)寬頻帶的沖擊。二者的頻域分布很好地吻合。

圖5壓縮機(jī)吸氣口加速度小波能量譜

圖6為膨脹閥TXV低壓口處加速度的小波能量譜（該加速度的頻譜見圖2）。圖中也存在一個(gè)寬頻帶的沖擊，在時(shí)間軸上位于約0.06 s處，與圖1所示的時(shí)域圖形符合。沖擊時(shí)刻比壓縮機(jī)吸氣口處的沖擊時(shí)刻稍滯后（約0.02 s），與時(shí)域波形所得結(jié)論相符合。

圖6膨脹閥TXV低壓口處加速度小波能量譜

圖7為利用PULSE信號(hào)分析軟件對(duì)車內(nèi)噪聲所作的時(shí)間譜陣圖。可以看出，在空調(diào)開啟的時(shí)刻，有一個(gè)寬頻帶（0～10 kHz）的沖擊，其頻域能量主要分布于0～2 kHz，其次為2 kHz～5 kHz。

圖7　車內(nèi)噪聲時(shí)間譜陣

由于Pulse系統(tǒng)中，時(shí)間譜陣的計(jì)算是基于FFT變換，只能得到粗略的時(shí)間—頻譜分布圖。圖8是利用cmor10-0.7小波分析得到的小波能量譜，以便細(xì)致地刻畫車內(nèi)噪聲時(shí)頻特性。由圖可見，車內(nèi)噪聲的能量主要分布在2 kHz以下。t=0.05 s左右，在2 kHz～5 kHz有一定的能量增長（圖中白圈內(nèi)），該時(shí)刻與壓縮機(jī)吸合產(chǎn)生沖擊的時(shí)刻相吻合。

圖8　車內(nèi)噪聲cmor10-0.7小波能量譜

通過以上分析，基本確定開空調(diào)時(shí)車內(nèi)的異響是由壓縮機(jī)吸合產(chǎn)生，并與膨脹閥的振動(dòng)密切相關(guān)。據(jù)此可提出解決措施。

4　實(shí)車空調(diào)啟動(dòng)異響的解決方案

根據(jù)以上分析所得結(jié)論，可以從兩方面采取措施。一是緩和壓縮機(jī)吸合時(shí)銜鐵碰撞產(chǎn)生的沖擊，二是控制和衰減振動(dòng)沿空調(diào)管路傳遞以及膨脹閥TXV上的振動(dòng)。具體措施為：空調(diào)壓縮機(jī)上加全周橡膠銜鐵；空調(diào)低壓管的部分硬管改為橡膠軟管；空調(diào)高壓管靠近TXV處加抱箍。

采用措施后，從時(shí)域波形圖9中可知壓縮機(jī)吸合時(shí)刻為t=0.05 s左右。

圖9　壓縮機(jī)吸氣口加速度時(shí)域波形

壓縮機(jī)吸氣口處與膨脹閥低壓口處的小波能量譜如圖10和圖11所示。可見在吸合時(shí)刻，與采取措施之前相比較，0～10 kHz頻帶內(nèi)沖擊能量大大減弱，高頻能量基本衰減完，看不到明顯的瞬時(shí)沖擊現(xiàn)象。

圖10　改進(jìn)后壓縮機(jī)吸氣口小波能量譜

圖11改進(jìn)后TXV低壓口小波能量譜

圖12為改進(jìn)后的車內(nèi)噪聲小波能量譜。在吸合時(shí)刻，原本有異響的2 kHz～5 kHz頻段變得非常干凈。通過測試現(xiàn)場的人工聽覺確認(rèn)，改進(jìn)后空調(diào)開啟時(shí)刻的車內(nèi)異響程度明顯改善。

圖12　改進(jìn)后車內(nèi)噪聲小波能量譜

5　結(jié)語

針對(duì)汽車開空調(diào)時(shí)車內(nèi)存在異響的問題，對(duì)車內(nèi)噪聲和壓縮機(jī)吸氣口、膨脹閥低壓口的振動(dòng)加速度進(jìn)行了小波能量譜分析。經(jīng)過細(xì)致篩選和比對(duì)，從二十多種小波函數(shù)中選取cmor10-0.7作為母小波，以便精確刻畫信號(hào)的時(shí)頻特征。經(jīng)過小波變換，證實(shí)車內(nèi)該異響發(fā)生的時(shí)刻與壓縮機(jī)吸合產(chǎn)生沖擊振動(dòng)的時(shí)刻一致，鎖定了異響原因。并且，經(jīng)過一段微小的、可忽略不計(jì)的時(shí)間滯后（約0.02 s），在膨脹閥TXV低壓口處也發(fā)現(xiàn)了相應(yīng)的振動(dòng)沖擊現(xiàn)象，表明車內(nèi)異響與TXV振動(dòng)也有關(guān)聯(lián)。由此采取的解決措施為：壓縮機(jī)加全周橡膠銜鐵以衰減吸合沖擊；將空調(diào)低壓管金屬硬管換為橡膠軟管以衰減振動(dòng)傳遞；空調(diào)高壓管靠近TXV處加抱箍以控制TXV振動(dòng)。改進(jìn)以后，壓縮機(jī)吸氣口和TXV低壓口的吸合沖擊明顯衰弱，車內(nèi)開空調(diào)異響顯著改善，從小波能量譜上可以得到相應(yīng)結(jié)論，說明該措施取得了較為明顯的效果。

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Application of WaveletAnalysis to VehicleAC-ONAbnormal Sound Diagnosis

YANGCheng，XIAOYao，HU Mei-long

（Collage ofAutomotive Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

Abnormal noise starts inside vehicles as soon as the air-conditioning（AC）ON button is pressed and AC system starts working.In this paper，the cause and influencing factors of this AC-ON noise are investigated to solve for the problem.Interior sound pressure and acceleration signals of the compressor and the thermal expansion valve（TXV）are measured using B&K signal acquisition system.The appropriate wavelet base and wavelet parameters are chosen to analyze the wavelet energy spectrum of the signals.It is found that the AC-ON abnormal noise is caused by compressor’s activating impact and the TXV vibration.Countermeasures of isolation and damping are applied to the compressor and the TXV.As a result，the compressor activating impact and the vibration of TXV as well as theAC-ON noise are significantly reduced.

vibration and wave；AC-ON；interior abnormal noise；wavelet analysis；compressor’s activating impact；thermal expansion valve

TB533+.2

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.04.032

1006-1355（2016）04-0151-05

2016-01-04

重慶大學(xué)中央高校基本業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（106112013CDJZR13110047）

楊誠（1964-），男，湖北人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)槠囌駝?dòng)噪聲控制、信號(hào)處理與信號(hào)分析。

肖堯，男，碩士生。E-mail:245579904@qq.com

通訊作者：胡美龍，男，碩士生。E-mail:humeilong163@163.com