汽车路面噪声多重相干分解方法研究

汽车路面噪声多重相干分解方法研究

杨洋1，褚志刚2

(1.重庆工业职业技术学院车辆工程学院,重庆401120；2.重庆大学汽车工程学院,重庆400044)

摘要：采用合理有效的分解方法获得各路面噪声源对驾驶员耳旁噪声的贡献，对进行车内声学设计具有重要意义。基于多重相干理论，给出了汽车路面噪声多重相干分解方法的基本流程，并采用设定特征阈值去除小特征值的方法降低病态误差。某轿车的路面噪声分解试验显示：左前轮、左后轮、右前轮、右后轮是该轿车路面噪声的四个独立源，分解结果使驾驶员右耳处合成噪声与实测噪声在20～6400Hz频段内仅平均相差约0.4dB(A)。分解结果正确，为新车型的声学设计开发提供了数据源；多重相干方法简便、易用、有效、可靠，为汽车路面噪声的分解提供了有力工具。

关键词：路面噪声；分解；多重相干法；试验

中图分类号:TB52;U467.1

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.19.005

Abstract:It is of great significance for interior acoustical design of a car for us to obtain each road noise source contribution to a driver’s ear noise with a reasonable and effective decomposition method. Here, the multiple coherence decomposition method was utilized for road noise of a car, its basic procedure was given. Meanwhile, in order to reduce ill-condition error, some small eigenvalues of the cross-spectral matrix of input signals were restricted with a set threshold. Furthermore, a road noise decomposition test was conducted for a car. Results showed that the left front wheel, the left rear wheel, the right front wheel and the right rear wheel are four independent road noise sources; the mean difference between the noise near the right ear of the driver synthetized with the decomposed contributions and the measured one is only 0.4dB (A) within a range of 20～6400Hz; the correct decomposition provides data for the acoustical design of new cars; the multiple coherence decomposition method is simple, easy-to-use, effective and reliable, it provides a powerful tool for the decomposition of a car’s road noise.

Multiple coherence decomposition method for road noise of a car

YANGYang1,CHUZhi-gang2(1. Faculty of Vehicle Engineering, Chongqing Industry Polytechnic College, Chongqing 401120, China;2. College of Automotive Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Key words:road noise; decomposition; multiple coherence decomposition method; test

用NVH模拟器在新车型设计开发的早期阶段对虚拟样机进行交互式听觉模拟，有助于快速可靠地理解其声学性能、制定设计决策并评估设计效果，近年来，已成为缩短低噪声车辆开发周期、降低成本的有效途径，其需要以已有车型的详细声学信息作为数据源[1-2]。路面噪声是车内噪声的主要来源，需要采用合理有效的源-路径-贡献分析(Source-Path-Contribution,SPC)[3-4]，即传递路径分析(Transfer Path Analysis,TPA)[4-7]方法将已有车型车内驾驶员接收的路面噪声分解细化为不同贡献源并准确计算各自的贡献量，为新车型声学性能的设计开发提供数据基础。

用于路面噪声分解的源-路径-贡献分析方法主要是阻抗矩阵法[8-9]、多参考法[10-12]和多重相干法[13-14]。阻抗矩阵法多在实验室中用转鼓拖动车轮转动产生的噪声模拟真实路面噪声，假设激励源完全相关，在源激励点附近设定指示点，通过获得的源激励点到指示点间的加速度阻抗矩阵与工作状态下测得的指示点加速度向量的乘积来确定源激励力，通过源激励力与测得的路径传递函数的乘积来计算源沿不同传递路径的贡献量，通过各贡献量的矢量加和来计算总体贡献量。然而，真实行车中，各车轮接触的路面存在特性差异，路面噪声源并不完全相关[10-14]，因此，该方法的分解结果必然无法准确反映真实路面噪声。多参考法在车上设定参考点，奇异值分解测得的参考信号获得独立正交的主分量，基于虚相干分析技术计算车轮附近指示点及车内目标点的信号相对于各主分量的虚互谱和虚参考谱，进而基于虚参考谱，运用上述阻抗矩阵法对各主分量进行传递路径分析，并用均方根加和各主分量的贡献量来计算总体贡献量[10]。该方法将耦合的多参考问题分解成独立的单参考问题，充分考虑了路面噪声的部分相关性。相比于这两种方法，多重相干法是近年来相对新型的路面噪声分解方法，其在车轮轮毂上布置加速度传感器测量振动信号，在车轮附近布置传声器测量辐射声音信号，根据各测量信号的相关性将彼此相关的信号分为一组，形成若干互不相关或相关性很小的独立信号组，从而确定独立的源，进而基于多重相干系数计算源对目标点的贡献量。该方法不仅充分考虑了路面噪声的部分相关性，而且不需要测量路径传递函数、简便易用，还能够快速有效地分离驾驶员接收的路面噪声和风噪、进行结果正确性检验，具有较高的研究应用价值。G’omez Gonz’alez等[13]研究了用于非稳态声振信号传递路径分析的时域多重相干法，Sottek等[14]给出了多重相干法分解路面噪声的案例报道，而目前国内相关的研究报道很少。此外，计算多重相干系数需要实测输入信号互功率谱矩阵的逆矩阵[13]，矩阵求逆存在病态问题[15-16]，会使测量误差被严重放大，导致计算结果不准确，确定合理有效的病态误差抑制方法对提高多重相干法的准确度具有重要意义。

本文阐明了多重相干法的基本理论，给出了汽车路面噪声多重相干分解方法的基本流程，并采用设定特征阈值去除小特征值的方法降低病态误差，进行了某轿车的路面噪声分解试验，将驾驶员双耳接收的路面噪声准确分解细化为不同源的贡献，验证了多重相干方法的有效性，为进一步在NVH模拟器中进行交互式声学设计提供了可靠数据源。

1多重相干法基本理论

(1)

图1　多输入单输出线性系统输入-输出模型 Fig.1 Input-output mode of multi-input and mono-output linear system

SYXYX(f)=HH(f)SXX(f)H(f)

(2)

这里，上标“H”表示转置共轭，SXX(f)=X*(f)XT(f)为该组输入信号的互功率谱矩阵。该组输入信号与实测的总输出信号Y(f)的互功率谱列向量SXY(f)=[SX1Y (f),SX2Y (f),…,SXAY (f)]T可表示为：

SXY(f)=X*(f)Y(f)=SXX(f)H(f)

(3)

(4)

(5)

(6)

2汽车路面噪声分解

图2　汽车路面噪声多重相干分解方法流程图 Fig.2 Flow chart of multiple coherence decomposition method for road noise of a car

为验证多重相干方法的有效性，同时为NVH模拟器的交互式听觉模拟提供数据源，进行了某轿车的路面噪声分解试验。试验时，该轿车在公路上加速至112km/h后关闭发动机行驶。在驾驶员座椅上放置Brüel&Kjr公司的4100型头与躯干模拟器来测量驾驶员双耳处的声音信号，得2个目标输出信号；在各车轮轮毂上粘贴Brüel&Kjr公司的4520型三向加速度传感器来测量x,y,z三个方向的振动加速度信号，得12个输入信号；在各车轮附近安装Brüel&Kjr公司的4958型传声器来测量声音信号，得4个输入信号，为抑制风噪的干扰，各传声器均安装防风罩。所有输入输出信号经41通道PULSE 3560D型数据采集系统同时采集并传输到PULSE LABSHOP中进行FFT分析，得输出信号的自功率谱、输出信号相对输入信号的互功率谱、输入信号的自功率谱及输入信号相互间的互功率谱。进一步，按照上述图2所示流程完成驾驶员双耳接收的路面噪声的分解计算，这里，设定的特征阈值为90dB。由于左、右耳的分解方法完全一致、分解结果类同，所以本文只以右耳的分解结果为例进行阐释。

图3为驾驶员右耳的源参考输入验证曲线，其中，①号线为实测的A计权声压级，②号线为驾驶员右耳接收的与所有输入信号相关的噪声的A计权声压级，显见，2000Hz以下频段，二者吻合良好，表明该频段内，驾驶员右耳接收的噪声主要是路面噪声，设置的16个源参考输入点很好地涵盖了路面噪声的所有源；2000Hz以上频段，②号线低于①号线较多，这主要是因为该频段内，驾驶员右耳除接收路面噪声外，还接收较多与路面噪声无关的噪声，主要是风噪。③号线给出了驾驶员右耳接收的与所有输入信号不相关的噪声的A计权声压级，可见，2000Hz以上频段，其与①号线较接近。

图3　源参考输入验证曲线 Fig.3 Validation curves of source reference inputs

图4　源参考输入分组图 Fig.4 Grouping map of source reference inputs

图4为源参考输入的分组图，其由16×16个小方格组成，每个小方格所在的行和列分别指向一个输入信号，小方格的颜色代表这两个输入信号常相干系数的大小，可见，左前轮轮毂x,y,z三个方向的加速度信号与左前轮附近声音信号彼此间的常相干系数较大，且这4个信号与其它输入信号的常相干系数很小，因此，可分为一组，称为左前轮组，同理，剩下的输入信号依次分为左后轮组、右前轮组、右后轮组，表明左前轮、左后轮、右前轮、右后轮是该轿车路面噪声的四个独立源。进一步，基于各组输入信号与各个输入信号的多重相干系数验证分组的正确性，以左前轮附近声音信号为例，图5(a)、5(b)、5(c)、5(d)分别为左前轮组、左后轮组、右前轮组、右后轮组与其的多重相干系数，可见，左前轮组所有输入信号与该输入信号的多重相干系数为1，二者完全相关，与该输入信号属于左前轮组的事实相符，其它三组与该输入信号的多重相干系数均非常低，平均仅约为0.1，表明该输入信号对其它组的贡献不大，不会被过多重复计算。其它15个输入信号的计算结果呈现类同的规律，表明分组正确可靠。

图5　各组输入信号与左前轮附近声音信号的多重相干系数 Fig.5 Multiple coherence coefficients between each group of input signals and the sound signal near the left front wheel

图6　路面噪声分解结果 Fig.6 Decomposition result of the road noise

图6(a)、6(b)、6(c)、6(d)分别为分解计算的左前轮、左后轮、右前轮、右后轮对驾驶员右耳的路面噪声贡献量，均方根加和这些路面噪声分解结果及图3中③号线所示的风噪，得驾驶员右耳处合成的A计权声压级，将其与驾驶员右耳处实测的A计权声压级进行对比计算，可得：20～6400Hz频段内，合成的声压级与实测声压级间的平均差值仅约为0.4dB(A) ，表明该轿车的路面噪声分解结果正确。进一步，图7中“○”标记实线给出了驾驶员右耳处实测的A计权声压级，“”标记破折线给出了上述多重相干法合成的声压级，“+”标记点线给出了基于常相干计算合成的声压级，为使图线清晰明辨，这里将窄带谱合成为1/3倍频程谱，显见：整个频段内，多重相干法合成的声压级曲线与实测声压级曲线几乎重合，而常相干法合成的声压级曲线在2000Hz以下频段高出实测曲线较多，最大偏差约高达5dB，这主要是由于该频段内，路面噪声为主导噪声，部分测量信号间的相干性较高，使得常相干计算结果产生过估计，验证了基于多重相干方法进行汽车路面噪声分解的优越性。

图7　驾驶员右耳处噪声的A计权声压级曲线 Fig.7 A-weighted sound pressure level at the right ear of the driver

3结论

采用合理有效的方法将已有车型车内驾驶员接收的路面噪声分解细化为不同源的贡献，是进行新车型声学性能设计开发的基础。本文研究了汽车路面噪声的多重相干分解方法，所做工作及取得的主要结论如下：

(1) 阐明了多重相干法的基本理论，采用设定特征阈值去除小特征值的方法降低病态误差，给出了汽车路面噪声分解的基本流程：通过在驾驶员双耳处设置目标输出点、在车轮上设置源参考输入点、设定运行工况来创建源-路径-贡献模型，完成输入输出信号功率谱的计算后，通过源参考输入验证、源参考输入分组、组验证将输入信号正确可靠地分为独立信号组，确定独立源，基于多重相干输出功率计算将路面噪声分解为不同源的贡献。

(2)进行了某轿车的路面噪声分解试验，驾驶员右耳的源参考输入验证曲线表明：驾驶员右耳接收的噪声在2000Hz以下频段主要是路面噪声，2000Hz以上频段主要是风噪，多重相干法能够有效分离路面噪声和风噪；设置的16个源参考输入点很好地涵盖了路面噪声的所有源。源参考输入分组及组验证结果表明：左前轮、左后轮、右前轮、右后轮是该轿车路面噪声的四个独立源。

(3)将驾驶员接收的路面噪声分解为左前轮、左后轮、右前轮、右后轮的贡献，驾驶员右耳处合成噪声与实测噪声的对比显示：二者在20～6400Hz频段内的平均差值仅约为0.4dB(A)。分解结果正确，为新车型的声学性能设计开发提供了参考数据源；多重相干方法简便、易用、有效、可靠，为汽车路面噪声的分解提供了有力工具。

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