基于MATLAB的各種數(shù)字濾波器對車內(nèi)噪聲信號的分析處理

朱文英，張永棟

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510650）

基于MATLAB的各種數(shù)字濾波器對車內(nèi)噪聲信號的分析處理

朱文英，張永棟

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510650）

對某量產(chǎn)車型在車速60km/h行駛工況下的車內(nèi)噪聲進(jìn)行采樣，分析了其時(shí)域波形和頻譜圖?；?Matlab平臺，分別用巴特沃斯、切比雪夫I型、切比雪夫II型帶阻濾波器對此噪聲信號進(jìn)行濾波處理，得到濾波前后的信號幅頻響應(yīng)。通過對比各種數(shù)字濾波器的去噪效果，為優(yōu)化車內(nèi)噪聲提供了參考依據(jù)。

車內(nèi)噪聲；數(shù)字濾波器；MATLAB

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-147-03

前言

整車 NVH 是指 Noise（噪聲）、Vibration（振動）和Harshness（聲振粗糙度），這三者在汽車等機(jī)械振動中是同時(shí)出現(xiàn)且密不可分，它是衡量一款汽車制造質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是長期困惑一些汽車生產(chǎn)廠家的技術(shù)難題。車內(nèi)噪聲過大容易使駕駛員及乘客產(chǎn)生頭暈、煩躁、耳鳴、聽力衰退等不良影響。車內(nèi)噪聲的控制，不僅關(guān)系到乘坐舒適性、車的耐久性和安全性，而且還關(guān)系到環(huán)境保護(hù)。因此降低車內(nèi)噪聲保證良好的車內(nèi)聲學(xué)品質(zhì)顯得極為重要。

數(shù)字濾波器（DF）是由數(shù)字乘法器、加法器和延時(shí)單元組成的一種算法或裝置，它將信號的某些頻率或頻段的信號加以放大，而將另外一些頻率或頻段的信號加以抑制。其實(shí)質(zhì)是用有限精度算法實(shí)現(xiàn)的離散時(shí)間線性非時(shí)變系統(tǒng)，以完成對信號進(jìn)行濾波處理的功能[1]。本文借助Matlab 強(qiáng)大的信號處理工具箱功能，對采集的某量產(chǎn)車型的噪聲信號用各種數(shù)字濾波器進(jìn)行去噪分析，對尋找噪聲來源，尋求噪聲控制的方法提供參考依據(jù)。

1 數(shù)字濾波種類及去噪原理

數(shù)字濾波是動態(tài)信號處理中一種最常用和基本的數(shù)據(jù)處理方法，它能夠?yàn)V掉不需要的頻率成分，保留有用的頻率成分，從而達(dá)到削弱或消除干擾信號，提取有用信號的目的。數(shù)字濾波器按照信號通過濾波器的頻率響應(yīng)特性可分為低通、高通、帶通和帶阻四種。按照單位脈沖響應(yīng)函數(shù)的時(shí)間特性分類可分為FIR（Finite Impulse Response）有限脈沖響應(yīng)和IIR（Infinite Impulse Response）無限沖激響應(yīng)。從逼近函數(shù)類型來分有Butterworth (巴特沃斯)、Chebyshev(切比雪夫)、Bessel（貝塞爾）、橢圓濾波器等。狀態(tài)信號通常分布在一個(gè)很寬的頻率范圍內(nèi)，而有用的特征信息往往集中在一個(gè)或幾個(gè)頻帶內(nèi)，所以對其它頻帶信號須加以抑制以提高信噪比[2]。

1.1 巴特沃斯濾波器

巴特沃斯濾波器采用的是巴特沃斯傳遞函數(shù)，特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。其幅頻特性無論在通帶內(nèi)還是阻帶內(nèi)都是單調(diào)下降的，相頻特性也是單調(diào)下降的，對有用信號產(chǎn)生的幅值畸變和相位畸變都很小。

1.2 切比雪夫I型和II型濾波器

切比雪夫?yàn)V波器由切比雪夫多項(xiàng)式的正交函數(shù)推導(dǎo)出來，在通帶或阻帶上頻率響應(yīng)幅度等波紋波動的濾波器。其中包括切比雪夫I型濾波器和切比雪夫II型濾波器。振幅特性在通帶內(nèi)（或稱“通頻帶”）是等波紋的而阻帶（或稱“阻頻帶”）內(nèi)是單調(diào)下降的濾波器稱為“切比雪夫I型濾波器”。其在通帶內(nèi)等波紋起伏，截止特性非常好，但相位特性和群延時(shí)特性一般，適用于對衰減特性要求較高，但是相位要求不嚴(yán)格的情況。切比雪夫II型濾波器在阻帶上頻率響應(yīng)幅度等波紋波動而通帶內(nèi)單調(diào)下降的濾波器。

2 車內(nèi)噪聲信號采集

2.1 測試目的

為了獲取某量產(chǎn)車型實(shí)車在指定工況和行駛條件下噪聲的大小與分布情況，以便用各種數(shù)字濾波器對噪聲信號進(jìn)行濾波去噪分析。

2.2 測試設(shè)備組成

如圖1所示，用麥克風(fēng)采集車內(nèi)噪聲信號，通過數(shù)據(jù)采集器把麥克風(fēng)的噪聲信號數(shù)據(jù)輸入到信號分析系統(tǒng)。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)框圖

其中采用的設(shè)備與相關(guān)器材主要有：

1）麥克風(fēng)1個(gè)。

2）數(shù)據(jù)采集器1套。

3）德國米勒貝姆(BBM)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，包括28路模擬輸入通道的MKII動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀和配有PAK數(shù)據(jù)采集分析軟件的筆記本電腦。MKII數(shù)據(jù)采集器精度為24位，最大采樣頻率為102.4kHz/通道。

2.3 測點(diǎn)布置及測試工況

測點(diǎn)布置：由于汽車車內(nèi)聲壓級與測量位置關(guān)系明顯，所以應(yīng)當(dāng)選擇能夠代表駕駛員和乘客耳旁的車內(nèi)噪聲分布測點(diǎn)[3]。依照本次測試需求，只選取駕駛員右耳處作為測量點(diǎn)。

測試工況：晴朗的白天、某試驗(yàn)車跑道（無其他車輛和噪聲干擾）、車速60Km/h。車內(nèi)乘坐一名測試人員和一名試車駕駛員，關(guān)閉車門車窗，關(guān)閉空調(diào)。

圖2為所采集到的車內(nèi)原始噪聲信號時(shí)域圖，圖3為駕駛員右耳噪聲頻譜圖。

圖2 車內(nèi)原始噪聲時(shí)域信號圖

圖3 為駕駛員右耳噪聲頻譜圖

從上述圖中可以看出，在200Hz～240Hz頻率段有比較高的峰值，在車內(nèi)噪聲中是最突出的頻率成分。為了確認(rèn)該頻率段的聲音信號是否與測試員耳朵所聽到的明顯的噪聲信號相匹配，需設(shè)計(jì)濾波器濾除此頻率段信號，將濾波后的聲音信號回放與原始信號對比來論證。

3 基于Matlab的濾波器去噪分析

帶阻濾波器（bandstop filters簡稱BSF）是能通過大多數(shù)頻率分量、但將某些范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器，與帶通濾波器的概念相對。本文將設(shè)計(jì)巴特沃斯帶阻濾波器、切比雪夫I型帶阻濾波器和切比雪夫II型帶阻濾波器對所采集到的車內(nèi)噪聲信號進(jìn)行濾波處理并對比分析。

3.1 巴特沃斯帶阻濾波器去噪

Matlab信號處理工具箱提供了有關(guān)巴特沃斯濾波器的函數(shù) buttap、buttord、butter。Butter函數(shù)可以設(shè)計(jì)模擬或數(shù)字的低通、高通、帶通和帶阻巴特沃斯濾波器[4]。濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)[5]：阻帶頻率上限 210Hz、阻帶頻率下限 230Hz、通帶上限頻率200Hz、通帶下限頻率240Hz、阻帶衰減10dB、邊帶區(qū)衰減DB數(shù)設(shè)置0.1 。下圖4所示為設(shè)計(jì)的巴特沃斯帶阻濾波器幅頻曲線，圖5為濾波處理后的信號頻譜圖。

圖4 巴特沃斯濾波器幅頻曲線

圖5 巴特沃斯濾波頻譜圖

3.2 切比雪夫I型濾波去噪

Matlab信號處理工具箱中有關(guān)切比雪夫的函數(shù)有cheblord、cheby1、cheby2。利用cheblord等函數(shù)編制設(shè)計(jì)切比雪夫I型帶阻濾波器的Matlab 函數(shù)文件。濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)同前巴特沃斯濾波器。下圖6所示為設(shè)計(jì)的切比雪夫I型帶阻濾波器幅頻曲線，圖7為濾波處理后的信號頻譜圖。

圖6 切比雪夫I型濾波器幅

圖7 切比雪夫I型濾波頻譜圖

3.3 切比雪夫II型濾波去噪

函數(shù)及參數(shù)設(shè)計(jì)同前，下圖8所示為設(shè)計(jì)的切比雪夫II型帶阻濾波器幅頻曲線，圖9為濾波處理后的信號頻譜圖。

由圖8-9可以看出，巴斯沃斯濾波器和切比雪夫I型濾波器在200Hz～240Hz頻段內(nèi)均有較好的幅頻特性，經(jīng)過濾波后的車內(nèi)噪聲信號在該頻段內(nèi)也得到有效抑制，而其它頻段的車內(nèi)噪聲信息被保留?；胤艦V波后的原始信號，發(fā)現(xiàn)車內(nèi)原本的最明顯的噪聲信號已經(jīng)聽不到，證明所設(shè)計(jì)的濾波器成功的濾除了該頻率段的噪聲。

圖8 切比雪夫II型濾波器幅頻曲線

圖9 切比雪夫II型濾波頻譜圖

4 結(jié)論

本文借助Matlab軟件平臺，設(shè)計(jì)了3種帶阻濾波器分別對采集到的某車內(nèi)噪聲信號進(jìn)行去噪處理，將異常頻率段（200Hz-240Hz）的聲音信號截止，再回放濾波后的信號，判斷原有的異常噪聲信號是否被濾除，以及對濾除的效果做主觀評價(jià)。

仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明巴特沃斯濾波器和切比雪夫I型濾波器對于此類車內(nèi)噪聲的濾除都有不錯(cuò)的效果，噪聲頻率段信號被濾除后，都能得到較純凈的聲音信號，切比雪夫II型濾波器效果略弱。此次數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)及噪聲處理結(jié)果為尋找車輛噪聲來源及噪聲控制策略進(jìn)一步提供了參考依據(jù)。

[1] 趙培瑤,向鳳紅等. 基于Matlab 的不同數(shù)字濾波器對語音信號的去噪效果[J].化工自動化及儀表.2016.43(7)：717-719.

[2] 丁康.動態(tài)信號分析與處理[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社,2008.187-189.

[3] 江俊,陳劍.某車車內(nèi)噪聲信號的測試與分析[J].噪聲與振動控制,2011.32(6)：143-146.

[4] 王大偉, 賈榮叢,王劃一.基于 Matlab的巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012.35（21）：71-72.

[5] 周玲.基于 Matlab的語音信號數(shù)字濾波處理[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào).2011,17(3)：46-49.

Vehicle interior noise processing bydifferent digital filters based on Matlab

Zhu Wenying, Zhang Yongdong
( Guangdong Communication Polytechnic, Guangdong Guangzhou 510650 )

In this paper, the vehicle interior noise with speed 60km/h running condition is sampled, and the time domain waveform and frequency spectrum are analyzed. Based on the Matlab platform, the noise signal is filtered by Butterworth,ChebyshevI and Chebyshev II bandstop filters, and the amplitude frequency response of the filter is obtained before and after filtering. By comparing the denoising effects of various digital filters, it provides a reference for the optimization of vehicle interior noise.

vehicle interior noise; digital filter; MATLAB

U464 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)20-147-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.051

朱文英，（1984-）碩士，講師。研究學(xué)科：車輛工程。張永棟，（1983-）碩士，講師，就職于廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院。