振动与冲击第28卷第4期JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCKVol.28No.42009柴油机缸盖噪声信号处理方法及故障诊断研究程利军1,张英堂1,罗亮1,丁俊芳2(1.军械工程学院,石家庄050003;2.武警石家庄指挥学院,石家庄050061)摘要:柴油机的缸盖噪声信号含有很多能诊断柴油机故障的有用信息,如燃爆、气门开启和关闭信息。但是提取的缸盖噪声信号中也含有柴油机工作时产生的排气噪声和机体其它部位辐射噪声等干扰信号,且干扰信号与有用信号的频率成分在20kHz以下的频带内重叠在一起。因此如何能有效的提取有用信号十分关键。通过实验选取气门室罩距气门较近一侧的侧表面1CM外作为测点。分析了小波分解、FIR滤波、小波降噪和FIR分频带阈值处理降噪四种方法的优缺点后,发现小波降噪既能保留有用信息,又能有效将不需要的噪声信号去除,在提取缸盖噪声中的有用信息时具有明显的优势。将缸盖噪声信号降噪后发现,各种气门间隙和失火故障均可通过缸盖噪声判断出。关键词:声压;小波分解;FIR滤波;小波降噪;故障诊断中图分类号:TK401文献标识码:A在柴油机的故障诊断中,利用缸盖噪声信号来诊观察图2可以发现由时域波形很难分辨出任何有断燃烧和气门相关的一些故障是十分有效的。但由于用的信息。时频分析图中颜色越深代表其值越大。从柴油机工作中产生的各种噪声相互叠加,要想有效的时频分析可以看出在1～6位置处有用信号的频带分提取出其中的有用信息,如燃爆、气门开启和关闭的信布较广,频带主要分布在2kHz～20kHz之间。在整个息,正确的处理信号很重要。本文研究了四种信号处波形中2kHz以下能量都很大,这个能量主要就是排气理方法的优缺点之后,最终得出了小波降噪可以有效噪声及风扇噪声等带来的影响[2]。2kHz～5kHz可以地从缸盖上方的噪声中提取出燃爆和气门关闭等信息看到干扰信号与有用的信号混合在一起,信噪比很低,的结论,并成功运用于故障诊断。本文将燃爆、气门开噪声主要是风扇及其他部位辐射的。5kHz～10kHz信启和关闭的信号称为有用信号,低频的排气噪声、风扇噪比有所提噪声及机体其它部位辐射的噪声称为干扰信号。1缸盖噪声的测点选择及时频特性由于柴油机噪声中低频的排气噪声及风扇噪声等干扰信号幅值较大,实际测得的柴油机的缸盖噪声都是一种被干扰信号污染的声压信号。为选择在缸盖附近最能反映气门关闭冲击信号及燃爆信号的测点,分别在气门室罩表面A、B、C、D四个位置的各个距离处进行了测量,发现在距气门室罩1CM的D点处测得的图1测点位置选择图噪声信号中的气门关闭冲击信号及燃爆信号是在其它各点测得的信号的5倍左右。所以缸盖噪声信号的测点选在D点。D点信噪比高的原因是D点距离气门较近,故有用信号到达快,衰减少。图2为在测点D处测得的一个工作周期内的声压信号及其时频分析图。柴油机为F3L912型三缸四冲程柴油机。声传感器为北京声望公司的MPA201型,频响范围是20Hz～20kHz。采样频率为40kHz。由柴油机工作相位可以推断出图2中各个数字代表的位置是:1:一缸燃爆;2:一缸排气门开启;3:二缸燃爆;4:一缸排气门关闭;5:三缸燃爆;6:一缸进气门关闭。收稿日期:2008-06-02修改稿收到日期:2008-07-07第一作者程利军男,硕士生,1982年生图2正常工况缸盖噪声及其时频分析174振动与冲击2009年第28卷高。10kHz以上信噪比最高,但有用信号的强度尤其是到一系列子频带的滤波过程。各子频带的范围与信号气门开启和关闭信号的强度随频率的上升有所衰减。f(t)的采样频率有关,设原始信号的采样频率为fs,分解层数为J,那么第J层低频部分的频带范围为0～2缸盖噪声信号处理方法简介j+1j+1jfs/2,高频部分的频带范围是fs/2～fs/2。但是由由上节分析我们知道,要想提取出缸盖噪声中的于在Mallat算法的三个重要环节中产生的频带折有用信号,就要将实测信号中的干扰信号去掉。一般叠[3],在实际应用中要考虑到其产生的后果。的去除噪声的方法有数字滤波、小波分解、小波降噪。FIR滤波器不存在频率折叠的问题,由图3可以看本文模仿小波降噪的原理,又建立了分频带阈值处理出其幅频响应不理想的频段只占其总频段的6%。所降噪法。首先简要介绍一下这四种方法。以当需要精确提取信号的某个较宽的频段作分析时用211FIR滤波器系统数字滤波器即可。FIR滤波器系统具有线性相位的特性,当滤波器的阶数较高时,幅频响应也较好,因此容易达到无失真输出的目的。FIR滤波器系统的相频响应一般有φ(ω)=-ωM/2,式中M是滤波器的阶次,滤波器的长度为M+1