汽车摘挂挡噪声识别与分析系统设计

王继跃 刘伟东 吴亚军 申春宝 王泮震

（1.中国第一汽车股份有限公司新能源开发院，长春 130013；2.汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春 130013）

主题词：时域分析法 摘挂挡噪声 LabVIEW

1 前言

随着对双离合自动变速器（Dual Clutch Transmission，DCT）的研究深入，汽车厂家对湿式DCT摘挂挡品质提出了更高的要求。目前，对汽车在运行过程中所产生的噪声进行采集和分析的主要方法是采用声级计进行音频信号处理[1-2]。然而，在产品开发阶段台架及整车试验和标定过程中，DCT所处的声学环境较为恶劣，普通声级计和分析仪无法满足变速器摘挂挡噪声识别、分析与评价的需求[3-4]。为此，本文基于振动传感器和拨叉位置传感器，利用LabVIEW 开发能够在复杂声学环境下进行摘挂挡噪声识别与分析的系统。

2 系统设计

基于LabVIEW的汽车变速器摘挂挡噪声识别与分析系统结构如图1所示。

图1 系统结构示意

2.1 系统硬件设计

系统硬件组成如图2 所示，选取BK 4507-B-001型振动传感器，采用自动变速器内置拨叉位置传感器和计算机内置声卡，以HBM 公司的QuantumX MX840B通用放大器作为数据采集卡，并与计算机通过以太网通讯。

图2 系统硬件组成示意

2.2 系统软件设计

系统的软件设计采用由NI公司推出的基于图形化编程语言的开发工具LabVIEW[5]，其采用了面向对象的方法和概念进行系统开发。整个系统采用模块化编程思路，根据实现功能的不同可划分为若干个子模块，使用过程中可根据不同的需求选择相应的测试功能。

系统软件组成如图3 所示，软件系统信息流向如图4 所示。其中，噪声识别装置基于LabVIEW 平台开发，包括噪声识别模块、噪声分析模块和噪声转换模块。噪声识别模块用于获取振动信号的时域特性曲线，并据此确定振动信号是否为噪声。噪声分析模块用于对振动信号和拨叉位置信号进行对齐和重采样处理，并根据处理后的信号确定产生噪声时拨叉的对应位置区间。噪声转化模块用于对振动信号按照设定的采样间隔进行重采样，并实时转化为音频信号。

图3 基于LabVIEW的系统软件组成

图4 软件系统信息流向

振动信号进入噪声识别模块后被分为两路，对其中一路做幅值和电平测量获得振动信号的时域幅值，若振动信号为变速器摘挂挡时产生的噪声，则将噪声产生期间所获得的时域幅值分别增、减设定值FΦ，获得上、下限掩区带，并将其刷入掩区和边界测试单元。

以实车状态下挂2 挡为例，对本系统上、下限掩区带的选取进行说明。反复执行挂2挡命令，自命令发出时刻起至挂挡命令执行结束时刻，测量此时域区间内变速器挂2 挡无噪声时振动信号时域幅值带F1及挂2 挡产生噪声时振动信号时域幅值带F2，F1与F2做差得到差值带Fσ。上述FΦ为差值带Fσ中数据中位数的绝对值，命名为F0.5，将F2增、减FΦ即为本系统上、下限掩区带的设定参数。同时，可通过调节FΦ来调节系统噪声识别灵敏度，为保证系统功能，FΦ应小于Fσ的最大值。

对另一路振动信号调用信号掩区和边界测试单元，对振动信号的时域特性曲线进行信号掩区和边界测试。当该曲线在上、下限掩区之间时，该振动信号为摘挂挡产生的噪声。本系统中，通过对不同种类的噪声信号做幅值和电平测量获得时域幅值，从而获得不同种类噪声信号对应的上、下限掩区带，通过确定振动信号时域特性曲线落入的区间，可以识别噪声信号的类别。

具体的，振动信号和拨叉位置信号输入噪声分析模块后，调用对齐和重采样单元对振动信号和拨叉位置信号进行对齐处理，采用线性插值模式以预设采样间隔并进行重采样。当变速器产生摘挂挡噪声时，检测振动信号的波形突变点，根据对齐的振动信号和拨叉位置信号确定波形突变点与拨叉位置信号对应的区间，从而获得噪声信号对应的拨叉位置区间，即确定摘挂挡噪声产生时变速器所处的换挡阶段。

振动信号输入噪声转换模块后，按照实车在安静环境下的摘挂挡噪声确定的采样间隔，对振动信号进行重采样，并调用声卡驱动单元将重采样后的振动信号实时转化为音频信号，其中一路音频信号被存储，另一路音频信号被发送至声音播放模块进行播放。本系统中，采用实车在安静环境下的摘挂挡噪声确定的采样间隔对振动信号进行重采样，使转换后的音频信号音色与实车在安静环境下的摘挂挡噪声一致，从而实现对恶劣声学环境下变速器摘挂挡噪声大小的主观评价。同时，噪声转换模块获取振动信号的时域幅值，并将时域幅值的均方根与实车在安静环境下的摘挂挡噪声对应的时域幅值阈值进行比较，判断时域幅值的均方根是否落入设定阈值范围，若落入，则进行报警。例如，获得实车安静环境摘挂挡产生的3个不同噪声的阈值分别为T1、T2和T3，且T1＜T2＜T3，设时域幅值的均方根为T：如果T1≤T＜T2，则绿色指示灯点亮，蜂鸣器不报警；如果T2≤T＜T3，则黄色指示灯点亮，蜂鸣器不报警；如果T≥T3，则红色指示灯点亮，蜂鸣器报警。由此实现了对噪声的客观评价。

3 系统测试验证

以某型在研湿式7速DCT为例，利用本文提出的噪声识别与分析系统对该型变速器进行分析。系统测试仅对系统功能进行验证。

在噪声识别模块中，图5所示为某换挡工况下用于摘挂挡噪声识别的上限掩区设置界面，可通过文件导入或者手动写入的方式输入上、下限掩区限值。然后接通被测信号，当被测信号与上、下限掩区交叉时，表明所测信号非摘挂挡噪声，此时第一图谱显示单元显示如图6所示的“超限区域”，当被测信号完全落入上、下限掩区之间时，被测信号为该限值下摘挂挡噪声，此时第一报警单元蜂鸣器响起。

图5 上限掩区限值输入界面

图6 第一图谱显示单元

在噪声分析模块中，将自动变速器穿缸线束中的拨叉位置信号引入数据采集卡，并将其与振动信号对齐重采样，同步显示在第二图谱显示单元，如图7 所示。通过对比振动信号产生尖峰时的拨叉位置区间，可便捷地分析出噪声产生时变速器所处的换挡阶段。

在噪声转换模块中，调用计算机内置声卡，将采集到的振动信号重采样后以音频信号实时输出，通过改变重采样时的采样频率使得实时转换后的摘挂挡噪声具备与实车摘挂挡噪声相近的音色，以此进行噪声的主观评价。同时，以实车产生摘挂挡噪声时振动信号的幅值均方根为阈值，实时获取振动信号的幅值均方根并与上述阈值作比较，结果如图8所示，当产生摘挂挡噪声时，第二报警单元报警，实现摘挂挡噪声的客观评价。

图7 第二图谱显示单元

图8 第二报警单元

4 结束语

本文构建了一种基于LabVIEW的汽车变速器摘挂挡噪声识别与分析系统，以噪声的识别、分析与评价为中心进行系统的功能开发，系统内置了上、下限掩区、均方根阈值、重采样频率等多种标定参数，用户可根据实际使用需求在变速器不同的挡位、使用温度、换挡力大小等维度，针对本系统的内置参数以及所采集的噪声信号等数据进行产品开发数据库搭建，提升产品开发过程中变速器噪声问题的可追溯性。同时，由于该系统采用模块化设计思路，具有灵活性和可扩展性。