基于結構阻尼的懸掛沖擊噪聲診斷

陳 凡，張曉宇

(江門職業技術學院，廣東 江門529030)

汽車懸掛包括減振器、彈簧、擺臂和橫向穩定桿等，這些主要部件通過球頭或襯套與車身連接。在車輛行駛過程中，路面的沖擊振動通過懸掛傳遞到車身，當懸掛部件受損時，故障一般以沖擊噪聲的形式顯露出來。這些沖擊噪聲位置相近，激勵源相同，信號特征也比較接近，而且受到胎噪等的掩蔽，給故障診斷帶來很大困難[1]。丁渭平等認為減振器內部氣液固特性的急劇變化是其產生異響的最根本動因，并提出基于權重系數聚類分析法來識別減振器異響[2-3]，彈性體的老化磨損則是球頭和襯套出現噪聲的主要原因。

現有的振動噪聲診斷方法包括時域、頻域和時頻域分析。時域參數包括峭度、峰值等，在頻域上使用譜分析、包絡譜分析，在時頻域上使用時頻分析和小波分析等[4-5]。頻譜分析適合于平穩信號，包絡譜分析適合于旋轉機械的診斷且需要設置恰當的濾波器，時頻分析適合觀察非平穩信號的變化過程，小波分析適合于對信號細節的觀察。懸掛沖擊噪聲作為一種脈沖信號，使用時頻域分析能夠觀察信號變化過程，但難以提取有效的診斷參數。

考慮到結構特性的不同是其噪聲特性的決定性因素，本文提出一種基于結構阻尼的診斷方法，首先對反向積分在脈沖振聲信號的處理算法進行了推導；然后通過仿真和實驗證明了該方法在結構阻尼測量上的可行性；之后計算反向積分曲線的對數衰減率，對減振器和穩定桿球頭進行了故障識別；最后，對診斷效果進行了討論。

1 脈沖信號的反向積分

基于脈沖信號反向積分的封閉環境下混響時間測量方法[6]已成為混響時間測量的標準。該方法從統計的角度來處理聲音信號，具有抗噪效果好、測量簡單準確的優點。現考慮將反向積分應用到振聲脈沖信號的處理中[7-9]。

令n(t)為白噪聲信號，則n(t1)與n(t2)的相關函數僅與時間差t2-t1相關，n(t)自相關函數表示為

其中：N為一定帶寬內的振動能量，δ(t2-t1)為狄拉克函數。

令平穩隨機振動荷載作用在構件上，達到穩態后，撤去激勵。在接收點獲取的信號為

其中：∑ri(t)是構件內各模態的脈沖響應函數之和。積分的上限是激勵撤去時刻（τ=0），下限表示激勵開啟的時間足夠長，使構件振動達到穩態。

對接收點獲取到的信號進行平方，可得到如下形式：

作無限次激勵實驗，并對所有響應信號的平方取平均，利用式(1)，可得：

由于δ(θ-τ)僅當θ=τ時不為零，故對兩個參數的積分等效。各模態的響應函數互不相關。積分形式可轉換為

繼續變化為

根據式(6)可知，無限次隨機振動激勵后在某時間點t所獲得的信號能量平均值＜s2(t)＞等于單次脈沖響應能量ri2(t)反向積分的N倍。脈沖響應信號能量為一定帶寬內各模態響應能量之和。單次脈沖信號存在能量低、模態激發不完全等問題，造成測量信號不穩定，信號特征識別困難，而對單次脈沖信號進行反向積分所獲得的是多次隨機振動響應的能量平均值，信號能量更高、更穩定。雖然單次脈沖的響應能量較小，但反向積分的效果等同于無限次隨機振動測試的平均，反向積分使得很多嚴重的隨機波動被抹平了。

2 測量驗證

2.1 單自由度信號的反向積分

單自由度系統的振動方程為

其響應為

式中：ξ為阻尼比系數，ωn為無阻尼固有頻率，A為初始幅值，φ為初始相位。

利用式(6)對響應信號進行反向積分，在t0時刻，其值為

求解可得：

由于ξ＜＜1，故式（10）可近似為

對上式兩邊取自然對數：

可以看到，反向積分的對數與阻尼比系數成線性關系，相比較而言，該信號的包絡為Ae-ξωnt，為指數衰減信號。

2.2 單自由度阻尼比的仿真驗證

令A=1，ξ=0.05，ωn=200π，φ=0°，并加上5%的高斯噪聲，建立信號如圖1所示。

圖1 自由衰減信號

對該自由衰減信號進行數值仿真，得到信號反向積分（取自然對數為底）隨時間變化曲線如圖2所示。下降曲線的斜率值為2ξωn，根據該斜率值和已知的信號頻率可計算出阻尼比。信號能量反向積分的衰減曲線存在輕微波動，這是由于式（10）中三角函數部分的存在。當采集時間足夠長，對各點進行反向積分時，只需截取定長且包含脈沖信號的片段，而不需對所有采集信號進行反向積分。根據式(12)還可知，該反向積分算法不僅適用于自由衰減信號，也適用于脈沖激勵信號。噪聲會降低信號的信噪比，但沒有對下降段的斜率造成影響。

圖2 自由衰減信號的反向積分曲線

2.3 寬帶信號的實驗驗證

在實際情況下，懸掛各部件內存在多模態，按統計能量法進行處理，計算其內部損耗因子。損耗因子與阻尼比、帶寬等因素有關。反向積分本身就是對帶寬內的信號能量進行積分，故也適用于損耗因子估計[10-12]。

對一用軟繩懸掛的大眾01M 自動變速器后端蓋進行錘擊實驗，隨機在平板各處進行錘擊，采樣頻率為44.1 kHz[13]。圖3所示的信號時域圖可以觀測到3次錘擊產生的波形上升段和下降段包絡有差異，原因可能是錘擊點和錘擊力度的把握存在差異。

圖3 3組沖擊聲的時域波形

由圖4所示的信號頻譜圖可知，錘擊產生的頻譜分布在1 kHz到5 kHz內，主要頻率點和功率譜幅值有所不同，這是由于每次錘擊激勵出來的模態數量和模態能量均不相同。

圖5所示的3組信號反向積分曲線下降段的總體斜率基本保持不變。損耗因子為各頻率點的模態阻尼均值，當包含的模態越多，越符合統計規律，下降曲線越平直。

圖4 3組沖擊聲的頻域波形

圖5 3組沖擊聲的反向積分曲線

3 沖擊噪聲的故障診斷

懸掛系統的部件在長期工作過程中，往往會發生磨損松曠，當路面沖擊較大時產生噪聲。

其中減振器和球頭是最為常見的噪聲源，這些噪聲源雖然位置和聲音特征比較接近，但其結構和材料有較大差異，使得它們具有不同的結構阻尼，因而具有不同的反向積分曲線。

由于懸掛的整車道路試驗與臺架試驗結果具有一致性[3]，為了避免道路試驗所存在諸多不確定性因素，將故障元件分別安裝在底盤上，對車身進行多次靜態快速按壓試驗，其中減振器故障為疑似流體噪聲異響，穩定桿球頭故障為松曠異響。在懸掛處布置傳聲器采集噪聲，如圖6所示，選取幅值較大且完整獨立的脈沖信號，間隔時間大于一個脈沖持續時間。

圖6 異響采集試驗

分別觀察信號的包絡線[14-15]、頻譜和反向積分曲線，尋找故障診斷規律，具體診斷流程如圖7所示。

圖7 懸掛沖擊噪聲診斷流程圖

如圖8所示，從時域上看，無故障時噪聲幅值顯著低于有故障時的幅值，兩組故障信號波形存在一定差異，減振器的幅值低，變化平緩，穩定桿球頭故障對應的信號持續時間短，峰值明顯。

圖8 底盤噪聲的時域信號

如圖9所示，對信號在峰值頻率點取包絡，可發現故障特征不明顯，尤其是減振器信號的包絡幅值與無故障時的差異不顯著。而且頻率點的選取依賴于信號頻率特征，當信號頻率范圍較廣時，包絡線不能全面反映信號特征。

圖9 底盤噪聲的包絡線

如圖10所示，從頻域范圍看，減振器的沖擊噪聲集中于100 Hz至500 Hz和4 000 Hz附近，穩定桿球頭的沖擊噪聲頻域為400 Hz 至5 000 Hz，兩者的頻率范圍有較大差別，可以作為診斷參數之一，但需要作進一步量化處理。

圖10 底盤噪聲的功率譜

圖11 底盤噪聲的反向積分曲線

如圖11所示，從反向積分曲線看，無故障時的沖擊信號衰減幅度很小，減振器的衰減曲線則為弧形，衰減較為平緩穩定，這是由于減振器工作過程中固有的氣液固特性所呈現的非線性特征。穩定桿球頭沖擊信號衰減明顯，但往往存在多個連續脈沖，這是由于球頭內部減振效果差，容易產生二次沖擊。各組信號的反向積分曲線下降段均較為平直，其斜率可以作為診斷參數。

早期下降段由于信噪比較高，曲線平直。隨機噪聲會使得后期的下降段被淹沒。下降值取決于曲線的平直段持續時間，即信噪比。分別對減振器和穩定桿球頭的3組反向積分曲線的早期下降段進行測量，測量其下降5 dB 所需時間，獲得對數衰減率如表1所示。

表1 沖擊噪聲的對數衰減率/(dB·s-1)

可見，減振器與穩定桿球頭沖擊噪聲的對數衰減率有顯著差異，而且測量值較為穩定。

4 結語

（1）采用反向積分法能夠測量單自由度自由衰減信號和脈沖激勵信號的阻尼比，也可測量寬帶信號的損耗因子；

（2）反向積分法能夠有效平滑隨機噪聲，適合于脈沖信號的衰減時間測量；

（3）對懸掛主要部件的沖擊噪聲進行反向積分可穩定測量其衰減率；

（4）反向積分曲線的對數衰減率與物體固有阻尼特性有關，可作為故障診斷參數；

（5）頻率點的選取對于包絡線的獲取至關重要，而且自由衰減信號的包絡線為非線性曲線，反向積分則是線性變化曲線。因此，對于瞬時沖擊信號，反向積分法的診斷比包絡線法更方便，精度更高。