楊　誠，肖　堯，胡美龍

（重慶大學 汽車工程學院，重慶 400044）

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小波分析在汽車空調啟動異響診斷中的應用

楊誠，肖堯，胡美龍

（重慶大學 汽車工程學院，重慶 400044）

當按下汽車空調啟動鍵（AC ON）后，空調系統(tǒng)工作，車內產生異響。針對車內空調啟動異響，探究其產生原因和影響因素以解決該問題。使用B&K信號采集系統(tǒng)對車內噪聲信號與壓縮機、膨脹閥的加速度信號進行采集。選取適當的小波基和小波參數，對信號進行小波能量譜分析。發(fā)現(xiàn)空調啟動異響是由壓縮機吸合時銜鐵的沖擊振動引起，并與膨脹閥上的振動相關。對壓縮機、空調管路采取隔振減振措施后，壓縮機吸合沖擊及膨脹閥振動大大衰減，車內的空調啟動異響明顯減弱。

振動與波；空調啟動；車內異響；小波分析；壓縮機吸合沖擊；膨脹閥

車載空調系統(tǒng)是汽車的一個重要系統(tǒng)，也是汽車NVH問題關注較多的一個子系統(tǒng)［1］?？照{系統(tǒng)是車內異響的一個重要來源，特別是在炎熱的夏季。由于空調壓縮機銜鐵為金屬部件，吸合時會有明顯的瞬時沖擊。這種沖擊振動或通過連接壓縮機的高低壓管路傳進車內產生結構共振音，或通過空氣直接將壓縮機吸合的沖擊聲傳進車內，產生“啪”一聲響，使乘客產生反感情緒。

要解決該異響問題，首先要確定異響特征和產生異響的原因。一般的信號分析方法如傅里葉變換等，只適用于分析穩(wěn)態(tài)信號，且變換到頻域之后失去了時間信息［2］。而對于這種具有瞬態(tài)沖擊特性的非平穩(wěn)信號，為了進行準確描述，必須使用具有局部性能的時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)信號的一種適用、成熟的時頻分析方法［3］。小波分析在1984年由Morlet首次提出，經過三十年不斷演變與完善已經日趨成熟。筆者提出過基于小波空間相關濾波與對稱點模型診斷發(fā)動機異響等方法［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［6］。Discenzo等運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，對某國產品牌SUV進行空調啟動車內噪聲的數據采集與測試。使用Pulse中的Time Edit& Analyze模塊對所測數據進行時頻譜分析，得到車內噪聲的時間譜陣圖。在Matlab中利用小波工具箱篩選合適的小波基對所測信號進行小波變換，得到沖擊發(fā)生的時刻與空調壓縮機吸合的時刻相吻合以及沖擊信號的頻率構成成分與時間譜陣大致吻合的結論。另外，在壓縮機低壓吸氣口與膨脹閥（TXV）低壓出口發(fā)現(xiàn)相應的振動沖擊信號，說明控制低壓管的振動傳遞也是改善異響的必要措施。由此鎖定車內聽到的異響由壓縮機吸合產生的沖擊聲以及沖擊振動引起。

通過采取必要的措施，緩和壓縮機吸合沖擊、衰減低壓管振動傳遞等，使空調啟動異響程度得到改善。對采取改進措施后的數據進行采集測試，噪聲和振動在頻譜和時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L2（）R函數空間，即R上平方可積函數構成的函數空間

即Cψ有界，則稱ψ為一個基小波或母小波。將母小波經過伸縮平移可以得到一個小波序列

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，變換后的函數是二維的。小波分析提出了變時窗，當需要低頻信息時，采用長的時窗；當需要高頻信息，則采用短的時窗。小波變換把原來的一維信號變?yōu)槎S信號，以便分析信號的時頻特性。

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同一信號進行分析，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特性和各小波基對信號的實際處理效果兩方面進行分析［8］。

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

圖1　TXV低壓口加速度時域波形

該時段內，空調壓縮機吸合（AC ON），產生一個沖擊振動，該振動沿低壓管傳至TXV低壓口，大概位于0.06 s左右。圖2為該信號的頻域分布?？煽闯鲱l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，計算該信號的小波能量譜，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。針對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。由于Morlet小波過于單一，分解效果相對于Complex Morlet小波簇較差，并且Complex Morlet小波的特征明顯，在實際工程中易于選取，因此選用該小波簇進行分析。

Complex Morlet小波簇的定義式為

該母小波只有兩個參數，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”。選擇適當的 fb與 fc可以更好的刻畫信號的時頻特征。經過一定的篩選與比較，當fc=10，fb=0.7時，譜圖顯示較為細膩，分析效果較好。因此選用cmor10-0.7對所測的信號進行小波分析。

3　實車空調啟動異響的小波分析

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

圖4和圖5為壓縮機吸氣口處的加速度頻譜與小波能量譜。

圖4　壓縮機吸氣口加速度頻譜

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

圖5壓縮機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）。圖中也存在一個寬頻帶的沖擊，在時間軸上位于約0.06 s處，與圖1所示的時域圖形符合。沖擊時刻比壓縮機吸氣口處的沖擊時刻稍滯后（約0.02 s），與時域波形所得結論相符合。

圖6膨脹閥TXV低壓口處加速度小波能量譜

圖7為利用PULSE信號分析軟件對車內噪聲所作的時間譜陣圖。可以看出，在空調開啟的時刻，有一個寬頻帶（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　車內噪聲時間譜陣

由于Pulse系統(tǒng)中，時間譜陣的計算是基于FFT變換，只能得到粗略的時間—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，以便細致地刻畫車內噪聲時頻特性。由圖可見，車內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），該時刻與壓縮機吸合產生沖擊的時刻相吻合。

圖8　車內噪聲cmor10-0.7小波能量譜

通過以上分析，基本確定開空調時車內的異響是由壓縮機吸合產生，并與膨脹閥的振動密切相關。據此可提出解決措施。

4　實車空調啟動異響的解決方案

根據以上分析所得結論，可以從兩方面采取措施。一是緩和壓縮機吸合時銜鐵碰撞產生的沖擊，二是控制和衰減振動沿空調管路傳遞以及膨脹閥TXV上的振動。具體措施為：空調壓縮機上加全周橡膠銜鐵；空調低壓管的部分硬管改為橡膠軟管；空調高壓管靠近TXV處加抱箍。

采用措施后，從時域波形圖9中可知壓縮機吸合時刻為t=0.05 s左右。

圖9　壓縮機吸氣口加速度時域波形

壓縮機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。可見在吸合時刻，與采取措施之前相比較，0～10 kHz頻帶內沖擊能量大大減弱，高頻能量基本衰減完，看不到明顯的瞬時沖擊現(xiàn)象。

圖10　改進后壓縮機吸氣口小波能量譜

圖11改進后TXV低壓口小波能量譜

圖12為改進后的車內噪聲小波能量譜。在吸合時刻，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，改進后空調開啟時刻的車內異響程度明顯改善。

圖12　改進后車內噪聲小波能量譜

5　結語

針對汽車開空調時車內存在異響的問題，對車內噪聲和壓縮機吸氣口、膨脹閥低壓口的振動加速度進行了小波能量譜分析。經過細致篩選和比對，從二十多種小波函數中選取cmor10-0.7作為母小波，以便精確刻畫信號的時頻特征。經過小波變換，證實車內該異響發(fā)生的時刻與壓縮機吸合產生沖擊振動的時刻一致，鎖定了異響原因。并且，經過一段微小的、可忽略不計的時間滯后（約0.02 s），在膨脹閥TXV低壓口處也發(fā)現(xiàn)了相應的振動沖擊現(xiàn)象，表明車內異響與TXV振動也有關聯(lián)。由此采取的解決措施為：壓縮機加全周橡膠銜鐵以衰減吸合沖擊；將空調低壓管金屬硬管換為橡膠軟管以衰減振動傳遞；空調高壓管靠近TXV處加抱箍以控制TXV振動。改進以后，壓縮機吸氣口和TXV低壓口的吸合沖擊明顯衰弱，車內開空調異響顯著改善，從小波能量譜上可以得到相應結論，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

重慶大學中央高校基本業(yè)務費項目（106112013CDJZR13110047）

楊誠（1964-），男，湖北人，博士，副教授，主要研究方向為汽車振動噪聲控制、信號處理與信號分析。

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