工程车辆降噪节能与声学舒适性的关键技术及其应用研究

摘要

当前，噪声已经成为衡量工程机械装备性能的一个重要指标。市场要求越来越高，相关的国家标准、国际标准日益严格。随着大功率产品的不断发展，整机噪声随之增加和热流密度不断提高，过低的冷却空气流量已满足不了发动机的热平衡要求，整机工作热流密度与逐渐降低的噪声限值的矛盾日益突出。同时，随着人们生活质量和品质追求的提高，整机声学舒适性也逐渐备受关注，对噪声的控制由最初的满足限值要求将转向声学舒适性的研究。因此，我国工程机械要发展并跻身世界市场，必须解决整机存在噪声偏大、热流密度高和声学舒适性差的共性问题。
　　针对以上问题，本文围绕工程车辆的噪声源分离与识别方法、多物理场耦合作用下降噪节能优化技术和声品质评价方法与预测及其控制策略等方面的问题展开研究，提出了基于改进后FastICA算法和Scan&Paint声源扫描定位系统的噪声源识别数值分析与试验研究方法;建立了基于多物理耦合分析和多学科参数优化模型;提出基于等级评分对比法的声品质主观评价方法并开发了软件系统，提高了主观评价试验的工作效率和可靠性;建立了与主观评价结果相一致的声品质评价模型，寻求主要声学评价参数与工程车辆噪声频谱特性之间的关系，提供合理的声品质的控制策略。通过平衡重式内燃叉车等实际应用案例，验证了以上提出的研究方法、技术路线和计算模型的可行性和准确性。论文主要研究内容如下:
　　1)在确定工程车辆辐射噪声特点的基础上，提出综合运用独立分量分析、小波变换和声学成像技术的准确识别噪声源方法。针对FastICA估计存在排序、相位和幅值的不确定性，提出基于傅里叶变换和频谱最大相似度的校正方法，并通过数值算例对比改进前后的FastICA算法的分离结果，验证了改进后FastICA算法具有盲源分离的有效性和优越性。以平衡重式内燃叉车为例，在分析和确定采集到的噪声信号满足ICA分析独立性和高斯性的前提下，运用改进后的FastICA算法、连续小波变换和叉车动力舱的先验知识，分离和识别了怠速工况下的噪声源，并通过Scan&Paint声源定位系统验证了数值分析计算的准确性。计算所有噪声信号和独立分量的噪声贡献度，确定了主次噪声源分别为发动机燃烧的基频噪声和排气系统的基频噪声。
　　2)针对现有工程车辆存在降噪与散热的矛盾问题，提出基于多物理场耦合分析与多学科参数优化的方法。考虑到声波辐射过程中多物理场的相互影响，分析和推导了在非理想介质中声场、温度场和流速场相互耦合的控制方程，并引入了完美匹配层边界模拟声波在大气层的无反射现象。以降噪降温为目标函数，以结构几何参数为设计变量，以多物理场耦合的偏微分方程组及设计变量初始值为约束条件，提出多学科参数优化的数学模型和运用COMSOL Multiphysics平台进行数值计算。以同款叉车的动力舱为研究案例，以理论分析和试验数据为依据，建立动力舱的多物理场耦合模型，并进行数值计算。通过对比数值计算和试验测试得到了观测点声压级和温度，验证了所建模型的有效性。在此基础上，建立了动力舱的多学科参数优化模型，得到了较好的降噪降温效果，并对优化结果给出合理的解释，从而提出了动力舱结构创新的改进方案。
　　3)针对如何评价工程机械声学舒适性问题，提出了基于等级评分对比法的声品质评价方法，并设计和开发了基于该方法的评价系统。结合工程车辆自身特点，选取了线性声压级、A计权声压级、响度、尖锐度、粗糙度、抖动度、音调度、语音清晰度和冲激量为心理声学客观参数，并以烦躁度为主观评价指标。介绍了基于多元线性回归法、标准BP神经网络和GA-BP神经网络的常见主客观建模方法后，提出基于PSO-BP算法的主客观非线性映射方法，并指出运用Garson算法确定主要客观参数。以50个叉车的噪声信号为样本数据，在提出评价系统的校验方法和确定对比样本及其对应等级后，组织评审团进行主观评价试验，并对评价数据进行可靠性和有效性检验，计算了所选的客观参数值和分析其与烦躁度的相关性。建立了基于多元线性回归、BP神经网络、GA-BP神经网络和PSO-BP神经网络的评价模型和对比了模型的预测精度，确定了PSO-BP模型为叉车噪声主客观评价的数学模型，并由此得到影响烦躁度的最主要客观参数为响度。分析了在怠速和额定转速下的响度与频率的对应关系，确定了叉车的声品质取决于低频，并据此提出可实现的声品质控制策略。
　　4)根据以上的研究成果，提出基于减振和局部密封的应用样机改进方案。按照叉车的行业标准和要求进行试验测试，结果表明改进后样机的辐射噪声降低2.4 dB(A)，热平衡水温降低2.2℃，均满足了标准限值。改进后的烦躁度预测值较改进前的主观评价值均下降了10％以上，样机的声学舒适性得到了明显的改善。样机的成功改进验证了本文提出的噪声控制理论、方法和关键技术的可行性和有效性。
　　论文将理论分析、数值计算与试验研究相结合，提出了工程车辆降噪节能和改善声学舒适性的关键方法与技术，并展开案例和样机改进研究，对于深化和完善工程领域的学科发展具有重要的理论意义和实际应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 论文的选题背景及意义

1．2．1 动力舱噪声源识别的研究与进展

1．2．2 动力舱多物理耦合分析的研究与进展

1．2．3 工程车辆声品质的研究与进展

1．3 存在问题

1．4 课题来源

1．5 研究的内容、创新点与意义

1．5．1 论文研究内容

1．5．2 论文的创新点

1．5．3 论文研究的意义

1．6 论文结构安排

1．7 本章小结

第二章 基于改进的FastICA算法的动力舱噪声源识别

2．1 引言

2．2 独立分量分析(ICA)模型

2．2．1 ICA的数学模型

2．2．2 ICA的假设条件

2．2．3 ICA的不确定性

2．2．4 FastICA算法

2．3 改进的FastICA算法

2．4 数值算例验证

2．5 应用实例

2．5．1 噪声信号采集

2．5．2 独立性与高斯性分析

2．5．3 噪声源识别的数值分析

2．5．4 噪声源识别的试验验证

2．5．5 确定主次噪声源

2．6 本章小结

第三章 基于多物理场耦合与多学科参数优化的降噪节能

3．1 引言

3．2 基于多物理场耦合的多学科参数优化

3．3 多物理场耦合关系的确定

3．3．1 流体流动特征

3．3．2 结构声辐射

3．3．3 热传递

3．3．4 耦合关系

3．4 多学科参数优化的数值计算

3．4．1 完美匹配层

3．4．2 COMSOL Multiphysics多物理场耦合平台

3．4．3 SNOPT优化算法

3．5 应用实例

3．5．1 基于多物理场耦合的虚拟风洞模型

3．5．2 多物理场耦合的边界条件

3．5．3 物理参数的设置

3．5．4 模型的试验对比验证

3．5．5 优化结果分析

3．5．6 结构的创新改进

3．6 本章

第四章 基于等级评分对比法与PSO-BP算法的声品质评价与建模

4．1 引言

4．2 声品质与听觉系统

4．2．1 声音的传递特性

4．2．2 双耳效应

4．2．3 掩蔽效应

4．2．4 特征频带

4．3 基于等级评分对比法的声品质评价及系统开发

4．3．1 主观评价模型与指标

4．3．2 等级评分对比法

4．3．3 基于等级评分对比法的声品质评价系统

4．3．4 评价系统的校验方法

4．4 基于PSO-BP算法的声品质评价建模

4．4．1 客观参数的选取

4．4．2 主客观评价的相关分析

4．4．3 常见的主客观评价建模方法

4．4．4 PSO-BP声品质主客观建模

4．4．5 基于Garson算法的客观参数的灵敏度分析

4．5 应用实例

4．5．1 声音样本的采集与预处理

4．5．2 基于双耳采集仪的主观评价系统校验

4．5．3 预评价试验

4．5．4 综合主观评价试验

4．5．5 声品质主客观建模与预测对比

4．5．6 主要客观参数的确定及控制策略

4．6 本章小结

第五章 应用样机整体改进设计与试验验证

5．1 引言

5．2 降噪与声学舒适性的控制技术

5．2．1 阻尼减振降噪技术

5．2．2 吸声技术

5．2．3 隔声技术

5．3 应用样机整体改进方案

5．4 试验测试与结果分析

5．4．1 测试方法

5．4．2 结果分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的科研成果

致谢