基于hilmann邊際譜的車輛道路載荷譜信號特征分析

1車輛道路載荷譜信號特征分析方法從項目中獲得的動態信號的平整性是相對的，局部的平整性是絕對的，而不是平衡性的。如用于室內道路模擬試驗的目標道路載荷譜(下文稱載荷譜),在具有各種特征強化路面的試驗場采集時,由于受到駕駛員的駕駛習慣、實際行駛車速的非平穩性、測量儀器的非線性失真,以及行駛環境中存在風阻、坡阻、慣性等因素影響會混入各種噪聲成分,使得信號具有非平穩性。傳統Fourier變換處理平穩線性信號具有一定優勢,但不適合分析頻率隨時間變化的信號及對信號作局部分析。針對載荷譜信號非平穩特點及Fourier分析的局限性,利用分辨率高、自適應強的HHT方法處理振動信號所具有的優勢,提出了基于Hilbert邊際譜的車輛道路載荷譜信號特征分析方法。以某型自卸車的載荷譜數據處理為例,通過Hilbert邊際譜與Fourier譜的比較分析,得出該車在不同強化道路上的響應特性及自身固有特性,該分析方法可應用于汽車工程信號處理領域。2hft理論2.1驗模態分解和holwell變換HHT是由美籍華人黃鍔博士等提出的一種全新分析非線性非平穩信號的時頻分析方法,包含經驗模態分解(EmpiricalModeDecomposition,EMD)和Hilbert變換2部分,計算流程見圖1。Hilbert邊際譜是原始信號經過HHT變換后得到的一種頻域表示型式,目前己在許多學科領域的應用中顯示出其獨特的優勢[6~9]。2.2信號偏移量t任何復雜信號x(t)經過EMD將得到有限個且具有一定物理含義的固有模態函數ci(t)(i=1,2,…,n)和1個殘余項rn(t)。ci(t)依次包含了原始信號從高頻到低頻的成分,反映信號的動態特性,而rn(t)代表信號的偏移量或穩態值。HHT的第2部分是對每個ci(t)分量進行Hilbert變換,計算得到可隨時間變化的瞬時幅值函數ai(t)和瞬時頻率函數fi(t),構造解析函數表示原始信號x(t)的幅值在瞬時頻率-時間平面上的分布,稱為Hilbert時頻譜H(f,t):H(f,t)=RetniΣ=1ai(t)expj2乙π乙fi(t)dt乙t(1)式(1)中的Re表示取實部,進一步可定義Hilbert邊際譜:式中,T為信號的時域長度;h(f)為Hilbert邊際譜,是指Hilbert時頻譜在時間軸上的積分,表示信號在概率意義上的累積幅值,反映信號幅值在整個瞬時頻率段上隨(瞬時)頻率的變化規律。2.3邊際譜仿真Hilbert邊際譜中的(瞬時)頻率意義與Fourier譜中的頻率完全不同。Fourier頻率用諧波來定義,只要在某一頻率點處有能量存在,即意味著包含該頻率的諧波始終存在于信號的整個時間跨度中,但容易出現虛假頻率,產生能量泄漏的問題。而邊際譜的(瞬時)頻率是局部性概念,當邊際譜中有某一頻率的能量出現時,則一定有該頻率的振動波出現。邊際譜是對各(瞬時)頻率成分幅值的整體測度,體現該頻率點在整段信號里累積總幅值(總能量)的大小,這是邊際譜與Fourier譜的本質區別。仿真非平穩寬帶調頻信號x(t)=2cos[40π·t+2cos(6π·t)]的瞬時頻率為f=20-6sin(6π·t),則頻譜應該是以載波頻率20Hz為中心、分布在14~26Hz頻帶內的離散譜。設置采樣頻率為80Hz,采樣點數為800,仿真結果見圖2。由圖2可看出,Fourier譜產生了虛假頻率11Hz、29Hz和32Hz,即發生了能量泄露問題;而Hilbert邊際譜可準確反映出該信號幅值離散地分布于以20Hz為中心的頻帶內,并沒有產生能量泄露。因此,Hilbert邊際譜比Fourier譜能更清楚地刻畫非線性、非平穩信號的頻域特征,并且具有更高的分辨率。3隱藏邊界譜的應用研究3.1道路模擬系統設置利用比利時LMS公司的SCADASⅢ采集儀和美國PCB公司的ICP加速度傳感器采集數據,數采軟件使用LMSTest.lab的Signature模塊,采樣頻率設置為400Hz。根據道路模擬系統的垂向激勵特性,以試驗用自卸車的6個軸頭位置作為室內道路模擬試驗的迭代控制目標信號點,并分別安裝加速度傳感器。為能夠重現汽車實際使用中的重要事件,且使測得的載荷歷程具有典型性、概括性與集中性,選擇在安徽定遠汽車試驗場的強化路段(包括扭曲路、搓板路、卵石路、不整齊石塊路等)進行試驗。自卸車滿載25.56t,每段強化道路按《中國定遠汽車試驗場汽車產品定型可靠性試驗規程》規定的速度行駛。3.2道路負荷譜特征分析3.2.1噪聲分區分析室內道路模擬試驗一般采用遠程參數控制,屬于頻域辨識方法,要獲得精度高且有效的系統頻響函數,前提是目標響應信號具有很高的信噪比,即載荷譜信號中不存在任何噪聲。然而,實際采集的載荷譜信號會不可避免地混入干擾噪聲,在經過去毛刺、糾正漂移等操作后,要進一步檢查噪聲分量并進行濾波處理。濾波過程雖不能完全精確地將噪聲識別出來并且全部濾去,但可最大程度地識別出噪聲的分布范圍。以搓板路前軸右載荷譜分析為例,圖3列出了搓板路前軸右載荷譜原始信號以及EMD分解得到的前4階固有模態函數和殘余項,而各分量的Fourier頻譜如圖4所示。由圖3和圖4可看出,C1分量盡管幅值不大,但其頻譜分布范圍較寬,是干擾噪聲分量;C2分量的能量主要分布在40~60Hz頻帶內,屬于中頻段信號;原始載荷譜和C3分量的能量主要集中在16Hz左右,因此C3分量是基本振動分量;C4分量是低頻分量,且在約8.5s時出現振蕩,在Hilbert時頻圖(圖5)中得到體現,彌補了Fourier譜無法反映出某異常振動發生的準確時間的缺點。圖5中斑點顏色的深淺代表相對振動幅值的強弱,由圖5可看出,該軸頭信號的能量主要集中在15~18Hz頻帶內(對應C3分量),40~60Hz能量分布較稀疏(對應C2分量),而60Hz以上的高頻部分離散地分布著很多噪聲斑點(對應C1分量)。Hilbert時頻圖能夠有效反映原始載荷譜實際存在的干擾噪聲,需要經過前期濾波處理才能作為目標響應信號在臺架道路模擬試驗系統中進行迭代。3.2.2載荷譜特性分析通過計算分析自卸車在不同強化路面上的載荷譜信號特征,得到了扭曲路、搓板路及卵石路的Hilbert邊際譜和Fourier譜計算結果,如圖6~圖8所示。通過比較Hilbert邊際譜與Fourier譜的頻譜特征,可得出以下結論。a.扭曲路載荷譜屬于典型的高幅低頻信號。圖6表明各軸頭載荷信號的主要能量分布在20Hz以內,反映出前軸左和后軸右載荷譜在5Hz低頻范圍內的能量比其它軸頭信號能量大,以至于無法凸顯高頻噪聲信號。b.由圖7a可看出,該車前、后軸載荷譜能量集中在15~18Hz頻帶內,在16Hz頻率點出現峰值,而中軸載荷譜能量在5~20Hz頻帶上總體分布比較均勻,在15Hz處稍微突起,并且后軸在10Hz處存在峰值;圖7b反映出載荷譜以16Hz為基頻的倍頻特性,主要能量集中在以16Hz為中心的窄帶內,而倍頻成分的能量相對來說可以忽略。Hilbert邊際譜說明了搓板路的激勵頻率分布于15~18Hz內,并不是固定的某一單頻激勵,更準確地反映了搓板路載荷譜的頻率分布情況。c.卵石路載荷譜所包含的頻率成分比較豐富,由圖8a可看出,所有軸頭信號能量主要分布在30Hz以內,30Hz以外可認為是干擾噪聲能量,但是由于前軸左和后軸右信號在5Hz低頻范圍內能量比其它軸頭信號的能量大,從而導致高頻部分的噪聲能量相對不明顯;該路況下自卸車中、后軸非懸掛質量的固有頻率約為10Hz,但沒有激起前軸的共振。圖8b也反映出主要振動能量分布在30Hz以內,同樣,前軸左和后軸右信號在5Hz低頻范圍內能量比其它軸頭信號的能量大,但是總體來說沒有邊際譜可讀性強,甚至顯得有些“雜亂”。限于篇幅,對于不整齊石塊路、半整齊石塊路、上陡坡山路和下陡坡山路,為更清楚地顯示信號上的有用部分,僅列出載荷譜在0.5~30Hz頻帶上的Hilbert邊際譜計算結果,如圖9所示。a.圖9a、圖9c和圖9d的邊際譜反映出自卸車前軸左和后軸右的載荷譜在5Hz以下低頻范圍內的能量比其它軸頭的大,這一特征與前面3種強化道路分析結果一致。特別指出,按照傳統濾波作前期處理后進行臺架試驗迭代初始位移激勵時,該特征導致前軸左和后軸右所對應的作動器初始位移過大,無法進行下一步試驗。b.圖9a、圖9b和圖9d的邊際譜都存在較明顯的峰值分布,能夠反映出該車的固有特性,即中、后軸的共振頻率在10Hz左右,前軸的共振頻率向后偏移至14Hz左右,符合文獻所指出的車輛非懸掛(車輪)質量部分的固有頻率為10~15Hz。3.2.3道路模型濾波頻率設置由上述邊際譜圖可看出,干擾噪聲的能量盡管相對主要振動能量不是很大,但真實存在于載荷譜信號中,需要進行濾波處理。以試驗用自卸車在不同強化道路上的載荷譜數據分析為例,觀察各種強化路上載荷譜能量的分布范圍,得出噪聲頻率一般分布于30~40Hz以外的高頻部分。綜合Hilbert邊際譜特性,確定高通濾波頻率設置為0.5Hz,低通濾波頻率為30~40Hz,該車對應各種典型強化路面的濾波頻率建議頻帶見表1。試驗前期按照傳統方法并結合道路譜Fourier頻譜特性確定0.2~50Hz的濾波頻帶,結果迭代出現作動器位移過大、個別通道迭代不收斂以及得不到合適驅動譜等問題。采用Hilbert邊際譜分析所建議的濾波頻帶重新迭代后,在道路模擬試驗中取得良好的迭代效果。以卵石路后軸右載荷譜前、后不同濾波范圍處理為例,如圖10所示。由圖10可看出,在0~1Hz頻帶內能量存在明顯變化,采用所建議的濾波范圍重新迭代后,有效減小了作動器的初始驅動激勵位移,說明Hilbert邊際譜可適用于道路載荷譜的前期分析。4試驗結果的分析方法設計a.與Fourier譜相比,Hilbert