基于SVD差分譜去噪法分析地鐵調車測試噪聲
2019-11-16 11:04:40蘇燕辰王筱野靳行
中國測試 2019年7期
蘇燕辰 王筱野 靳行
摘要：在對地鐵調車進行室內噪聲測試時，無法避免不確定因素對信號的干擾，為得到機車室內室外的噪聲值以及理想的頻譜信息，需要對地鐵調車整體進行同步測試和信號去噪。在通過傳聲器同步測試地鐵調車室內噪聲后，發現二位端司機室測點在發動機轉速750，1000，1200r/min 3個工況下噪聲值為75.6～80.1dB（A），滿足國標限值;在發動機轉速1500，1800，2100r/min 3個工況下噪聲值為82.592dB（A），屬于超標。室外噪聲均滿足國標限值。在使用奇異值分解差分譜法對二位端司機室測試信號去噪后，得到較為理想的測試信號頻譜，同時通過分析頻譜可知在63Hz處出現異常，并且以630Hz為中心頻率。分析結果可以作為后期車輛降噪工作整改參考。
關鍵詞：噪聲;同步測試;SVD;去噪;頻譜
中圖分類號：TB533 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）07-0042-04
收稿日期：2018-01-20;收到修改稿日期：2018-03-15
作者簡介：蘇燕辰（1964-），男，四川成都市人，副教授，博士，研究方向為噪聲與振動。
0 引言
長時間在強噪聲環境之中工作不僅會使人容易感到疲勞、注意力不集中、工作效率下降，還會影響人體中樞神經系統、心血管系統，嚴重者甚至導致噪聲性耳聾[1]。對噪聲的測試和控制顯得尤為重要，邢淑梅等[2]對動車組運用多通道噪聲測試方法，在車內多點同步測試了運行中的動車車內噪聲，得出車內不同位置及不同運行速度時動車組車內噪聲的現狀和分布規律，確定了動車車內噪聲的主頻帶。耿烽等[3]在鋁合金地鐵車內使用5個噪聲測點測試，并用Bark譜分析了它們的其聲學特性，得出了車內噪聲大致在第5～9Bark頻帶對乘客有最大的主觀聽覺影響，約對應500～1100Hz中低頻噪聲。
這些測試中僅使用了少量傳聲器直接測試聲壓值（SPL（A）），所以不能對整車聲場有較全面的了解，若使用多通道同步采集機車室內室外各位置噪聲，不僅能準確反映噪聲達標狀況和分布規律，還能便于使用相關的理論和方法進一步分析聲源對響應點的影響[4-6]。由于測試中難以避免干擾，本文使用奇異值分解（singular value decomposition，SVD）差分譜去噪法對測試信號去噪后，能得到更好的頻譜分析結果。
1 奇異值分解差分譜去噪法
含有噪聲的離散時間序列X（N）={x1，x2，x3，…，xN}可以構成m×n階的Hankel矩陣[7]，為了達到較好的降噪效果，Hankel矩陣的行列維數選擇準則是盡量使其構成方陣[8-9]其中，N=m+n-1。對H進行SVD得到：
H=Um×n∑m×nVn×nT（2）其中，U、V是正交矩陣，∑是非負對角陣，由∑的對角線上的數值為H矩陣的所有奇異值。
對信號的重構需要合理地選擇有用的奇異值階次，而奇異值差分譜則是很好地表達了含噪信號的奇異值突變，將所有Hankel矩陣的奇異值從大到小形成向量S，S=（σ1，σ2，…，σn），其差分譜[10-11]表示為
bi=σi-σi+1，i=1，2，…，n-1（3）
存在k使得bk是最大峰值，對于奇異值序列來說最大峰值處表示了噪聲與有用信號的分界，當k=1時表示信號含有直流分量，需要選擇第2個最大峰值賦予k;當k>1時，表示信號不含直流分量或者是直流分量小于交流分量。確定k值后，將k以后的奇異值置零后進行SVD重構信號[12-16]，在分析噪聲測試結果中，即可得到去干擾的輻射噪聲聲壓信號。
2 實驗安排
按照鐵道機車和動車組司機室噪聲限值及測量方法[16]和鐵路車輛輻射噪聲的測量[17]，實驗環境位于空曠場地內，機車處于靜置狀態，發動機在每個可能的設備或無載荷時應該運行;輔助設備包括發動機冷卻風扇，應該在適合發動機速度的載荷下正常運行;壓縮機應該在無載荷條件下運行;警示喇叭或警報器不應進行。在車內放置了16個傳聲器，測點編號為測點1～測點16，見圖1測試點示意圖，均用三腳架支撐用扎帶固定。一位端司機室測點1、2，二位端司機室測點3、4、5、6，高度為1.5m;小柴油機室測點7、8、9，排氣冷卻室測點10、11，大柴油機室測點12，13、14、15、16，高度均為0.5m。其信號線均連接到丹麥BBM聲學數據采集分析儀ICP接口上，便于同步采集信號。使用聲校準器對所有傳聲器進行校準后方可進行實驗，采樣率設置為32768Hz，最終測試信號數字數據文件，保存到計算機上的數據庫中，以供按前述方法完成分析。待室內測試完后，同樣的設置測試機車輻射噪聲，測點編號為測點17～測點28，高度均為 1.5m，兩側測點距離軌道7.5m;測點17、23分別距離車頭和車尾正前方為7.5m;兩端車頭前方左右45°方向各有一個測點，距離車頭中心點7.5m。圖2紅色矩形框內所示是車內測點11與車外測點26實物圖。
在校準傳聲器后，實驗機車柴油機按照轉速750，1000，1200，1500，1800，2100r/min 6個工況運行，每個工況測試90s。
3 結果處理與分析
使用BBM聲學數據采集分析儀計算各個測點在各個工況90s內的等效連續A聲級，所有結果統計在表1和表2。
在6個工況下，以國標限制值78dB（A）為標準[17]，一位端司機室噪聲值在66～76.4dB（A），均為達標;二位端司機室在750，1000，1200r/min 3個工況下，噪聲值為75.6～80.1dB（A）屬于達標，在1500，1800，2100r/min 3個工況下，噪聲值為82.5～92dB（A）屬于超標。對于該車的輻射噪聲，以國標限制值95dB（A）為標準[18-19]，在6個工況下均為達標。
為后期降噪工作準備，將對2100r/min時超標的4個測點（即二位端司機室測點3至測點6）聲壓信號經過奇異值分解差分譜去噪法預處理，將實測信號的離散時間序列構建Hankel矩陣進行SVD差分譜去噪，測點3聲壓時域信號去噪對比如圖3，可見SVD差分譜去噪法保留了原始信號比較真實的信息特征，盡可能地去除了信號波形的毛刺，波形在很大程度上得以恢復，相位也并未發生偏移，去噪效果較為滿意。
2100r/min時超標4個測點的1/3倍頻程頻譜如圖4，4個測點以63Hz為中心頻率的頻帶內聲壓級均出現異常，已經超出兩側頻帶5～10dB（A），且噪聲主要分布在63～2000Hz的寬頻帶范圍內，其中最大聲能量主要集中在200～1250Hz的中頻段，峰值均在630Hz處，該結果與張秀文等[20]，王龍等[21]對內燃機車司機室內部噪聲的測試結果相似，噪聲主要存在于中低頻，司機室內部均在低頻100～160Hz以及中頻1250～2000Hz兩個頻段出現峰值;不同之處在于張秀文等所測試司機室噪聲在1600Hz附近較明顯，而王龍等所測試司機室噪聲125Hz附近較明顯。即是目前內燃機車司機室噪聲主要存在于中低頻，在后期對本文測試的二位端司機室進行降噪時，應著重考慮出現峰值的以63Hz為中心頻率的低頻頻帶以及200～1250Hz的中頻段。
4 結束語
對地鐵調車的室內噪聲進行同步測試，得到在6個工況下，二位端司機室4個測點在750，1000，1200r/min 3個工況下，噪聲值為75.680.1dB協）屬于達標，在1500，1800，2100r/min 3個工況下，噪聲值為82.5～92dB（A）屬于超標;其他測點均達標。對于噪聲值超標的測點信號使用奇異值分解差分譜去噪法預處理后分析其頻譜，發現在1200r/min下63Hz頻帶內聲壓級出現異常，且最大聲能量主要集中在200～1250Hz的中頻段，分析結果可以作為后期車輛物理降噪工作的參考。
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（編輯：劉楊）
