基于偏相干分析的平地機(jī)駕駛室噪聲源識(shí)別

覃金飛 楊國(guó)俊 邵杰

摘 要：針對(duì)某平地機(jī)駕駛室噪聲超標(biāo)問(wèn)題，建立了該平地機(jī)噪聲源識(shí)別多輸入單輸出系統(tǒng)模型.計(jì)算了各輸入、輸出信號(hào)的自功率和互功率譜函數(shù)，然后采用LMS Test.Lab軟件多參考后處理模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了重相干、偏相干函數(shù)計(jì)算，確定了影響駕駛員耳旁噪聲的主要傳播路徑，分析的結(jié)果為降低駕駛室噪聲提供了方向.

關(guān)鍵詞：聲學(xué)；平地機(jī)；偏相干分析；噪聲源識(shí)別

中圖分類號(hào)：U469.79；TB53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

越來(lái)越嚴(yán)格的國(guó)內(nèi)外噪聲法規(guī)使得工程機(jī)械整車制造商努力降低駕駛室噪聲.構(gòu)成工程機(jī)械駕駛室噪聲的因素多而復(fù)雜，按照傳播模式的不同主要分為結(jié)構(gòu)固體噪聲和空氣噪聲.結(jié)構(gòu)固體噪聲是指振源引發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)并傳遞至駕駛室的噪聲，空氣噪聲是指室外輻射的空氣噪聲經(jīng)透射進(jìn)入駕駛室的噪聲[1-3].而噪聲源識(shí)別是車輛噪聲控制的重要前提[4]，如空氣噪聲是駕駛員耳旁噪聲主要貢獻(xiàn)者，則通常采取隔聲、吸聲、消聲等方法；駕駛室、車身等結(jié)構(gòu)件振動(dòng)引發(fā)的噪聲則需對(duì)振動(dòng)進(jìn)行控制.

常相干函數(shù)主要用于單輸入單輸出系統(tǒng)的定量分析，它能夠有效地識(shí)別輸入和輸出在各頻率處的因果關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)噪聲源識(shí)別.對(duì)于多輸入單輸出系統(tǒng)，當(dāng)各個(gè)輸入完全不相關(guān)時(shí)，常相干函數(shù)可以用于判斷輸入與輸出之間的因果關(guān)系.然而在工程實(shí)際中，常見(jiàn)的情況是多個(gè)輸入信號(hào)具備一定相關(guān)性，這時(shí)常相干函數(shù)則不能有效進(jìn)行因果關(guān)系的判斷.偏相干函數(shù)則是為了分析多源系統(tǒng)而產(chǎn)生并發(fā)展起來(lái)的一種譜分析方法[5].

1 偏相干分析基本理論

噪聲源識(shí)別問(wèn)題抽象化就是對(duì)于多輸入單輸出系統(tǒng)，判別哪個(gè)輸入對(duì)系統(tǒng)輸出影響最大.圖1為q個(gè)輸入單個(gè)輸出系統(tǒng)分析模型，式中信號(hào)xi（f）為第i個(gè)輸入，其中i=1，2，3，···，q.他們經(jīng)q個(gè)頻率響應(yīng)函數(shù)Hi（f），產(chǎn)生各自單獨(dú)作用時(shí)的理想線性輸出Vi（f），n（f）為輸出y（f）的測(cè)量干擾.在計(jì)算偏相干函數(shù)前，首先需用多輸入單輸出的條件模型來(lái)表達(dá)消除了各個(gè)通道間相關(guān)影響后的多輸入單輸出系統(tǒng).去除各個(gè)通道間相關(guān)影響后的多輸入單輸出條件系統(tǒng)如圖2，其中各輸入信號(hào)Xi ·（i-1）！為X1 ，X2 ， … 條件下的Xi，也就是去除了X1到Xi-1的線性影響之后的Xi ，在系統(tǒng)條件模型中各輸入之間彼此互不相關(guān).圖2中各輸入通道的頻率響應(yīng)函數(shù)表示為L(zhǎng)iy（f），與圖1模型中的頻率響應(yīng)函數(shù)Hi（f）不同.

偏相干函數(shù)計(jì)算時(shí)需計(jì)算各輸入信號(hào)xi（f）的自功率譜函數(shù)、 輸出信號(hào)y（f）的自功率譜函數(shù)、各輸入信號(hào)xi（f）之間的互功率譜函數(shù)以及輸入信號(hào)xi（f）到輸出信號(hào)y（f）的互功率譜函數(shù).由式（1）～式（3）循環(huán)迭代可求出條件模型下的條件自功率譜函數(shù)、條件互功率譜函數(shù)及各輸入通道與輸出信號(hào)之間的偏相干函數(shù)[6-9].

2 平地機(jī)駕駛室噪聲源識(shí)別

平地機(jī)是一種效率高、作業(yè)精度高、用途廣泛的土方機(jī)械，常用于公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)、停車場(chǎng)等作業(yè)領(lǐng)域[10].某平地機(jī)多輸入單輸出系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)位置如圖3，測(cè)點(diǎn)一為麥克風(fēng)采集的駕駛員右耳耳旁噪聲信號(hào)，測(cè)點(diǎn)二為麥克風(fēng)采集的駕駛室外發(fā)動(dòng)機(jī)附近的噪聲信號(hào)，測(cè)點(diǎn)三為加速度傳感器拾取的駕駛室底部骨架的振動(dòng)信號(hào).噪聲源辨識(shí)模型中將駕駛員耳旁噪聲看成由室外空氣與駕駛室結(jié)構(gòu)振動(dòng)兩個(gè)輸入源傳遞產(chǎn)生的系統(tǒng).定義室外空氣噪聲為第一順序噪聲源，駕駛室結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲為第二順序噪聲源.測(cè)試時(shí)整機(jī)定置，發(fā)動(dòng)機(jī)維持在最高轉(zhuǎn)速約2 100 r/min，以采樣頻率4 096 Hz ，記錄下3個(gè)傳感器1 min時(shí)間的信號(hào)，用LMS.test.lab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析.

駕駛員右耳耳旁噪聲頻譜如圖4所示.可以看出，383 Hz左右頻率成分及其二階倍頻最為突出，因此該頻率成分噪聲為重點(diǎn)降噪對(duì)象.駕駛室外發(fā)動(dòng)機(jī)附近測(cè)點(diǎn)噪聲頻譜如圖5所示.可以看出，420 Hz頻率成分為駕駛室外噪聲最高峰值，383 Hz頻率成分噪聲相對(duì)并不突出.駕駛室底部骨架的振動(dòng)頻譜如圖6所示.383 Hz左右頻率成分振動(dòng)最為強(qiáng)烈.但只從頻譜圖中難以確定駕駛員耳旁噪聲383 Hz頻率成分是主要來(lái)源于空氣傳播路徑還是結(jié)構(gòu)振動(dòng)路徑，故采用偏相干分析技術(shù)，希望能更準(zhǔn)確地了解輸入信號(hào)對(duì)輸出的貢獻(xiàn)程度.

計(jì)算各輸入、輸出信號(hào)的自功率譜和互功率譜函數(shù)后，采用LMS.test.lab軟件中多參考后處理模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行重相干及偏相干分析，重相干分析主要是用于確定輸入信號(hào)的完備性，如重相干函數(shù)接近或等于1，說(shuō)明所有的輸出信號(hào)幾乎都是由輸入信號(hào)導(dǎo)致，如果不接近1，則說(shuō)明還存在著對(duì)輸出影響較大的其他輸入信號(hào)[11].模型重相干函數(shù)如圖7所示.可以看出，在383 Hz頻率成分的重相干函數(shù)值為0.99，這說(shuō)明所建模型較為完備，可以用來(lái)進(jìn)行后續(xù)偏相干分析.駕駛室外發(fā)動(dòng)機(jī)附近噪聲與駕駛室內(nèi)噪聲偏相干函數(shù)如圖8所示.駕駛室結(jié)構(gòu)振動(dòng)與室內(nèi)噪聲偏相干函數(shù)如圖9所示.可以看出，圖8中383 Hz頻率成分的偏相干函數(shù)值為0.99，而圖9中的該頻率成分偏相干函數(shù)值只有0.25，這說(shuō)明383 Hz頻率成分的駕駛室噪聲主要是通過(guò)空氣路徑傳入，通過(guò)隔聲、吸聲等聲學(xué)處理可降低該頻率成分噪聲.考慮到駕駛室外噪聲頻譜中383 Hz頻率成分并非十分突出，由此推斷：駕駛室內(nèi)空氣柱可能發(fā)生了共鳴，導(dǎo)致室內(nèi)383 Hz頻率成分能量增強(qiáng).在上述分析的基礎(chǔ)上采取封堵駕駛室縫隙及駕駛室內(nèi)布置吸聲材料的措施，取得了良好的降噪效果，驗(yàn)證了上述分析的正確性.

3 結(jié)語(yǔ)

采用LMS Test.Lab軟件對(duì)某平地機(jī)駕駛室噪聲進(jìn)行了偏相干計(jì)算，分析比較了各輸入對(duì)駕駛員耳旁噪聲的影響，確定了主要頻率處各噪聲源對(duì)室內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)程度，基于該分析所采取的降噪措施取得了良好的效果.

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Abstract： A multi-input and single-output noise source identification model of grader is established， which aims to solve the cab noise problem. After calculating auto-power （and cross-power） spectral density function of input and output signals， partial coherence and multiple coherence function are obtained by means of multi-reference post processing module of LMS Test.Lab software. The dominant transfer path of noise at diver's right ear is identified， which gives reference to further noise reduction of the grader.

Key words：acoustics； grader； partial coherence analysis； noise source identification

（學(xué)科編輯：黎 婭）