蘇燕辰 王筱野 靳行

摘要：在對(duì)地鐵調(diào)車進(jìn)行室內(nèi)噪聲測(cè)試時(shí)，無法避免不確定因素對(duì)信號(hào)的干擾，為得到機(jī)車室內(nèi)室外的噪聲值以及理想的頻譜信息，需要對(duì)地鐵調(diào)車整體進(jìn)行同步測(cè)試和信號(hào)去噪。在通過傳聲器同步測(cè)試地鐵調(diào)車室內(nèi)噪聲后，發(fā)現(xiàn)二位端司機(jī)室測(cè)點(diǎn)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速750，1000，1200r/min 3個(gè)工況下噪聲值為75.6～80.1dB（A），滿足國(guó)標(biāo)限值;在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1500，1800，2100r/min 3個(gè)工況下噪聲值為82.592dB（A），屬于超標(biāo)。室外噪聲均滿足國(guó)標(biāo)限值。在使用奇異值分解差分譜法對(duì)二位端司機(jī)室測(cè)試信號(hào)去噪后，得到較為理想的測(cè)試信號(hào)頻譜，同時(shí)通過分析頻譜可知在63Hz處出現(xiàn)異常，并且以630Hz為中心頻率。分析結(jié)果可以作為后期車輛降噪工作整改參考。

關(guān)鍵詞：噪聲;同步測(cè)試;SVD;去噪;頻譜

中圖分類號(hào)：TB533 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(jiǎn)介：蘇燕辰（1964-），男，四川成都市人，副教授，博士，研究方向?yàn)樵肼暸c振動(dòng)。

0 引言

長(zhǎng)時(shí)間在強(qiáng)噪聲環(huán)境之中工作不僅會(huì)使人容易感到疲勞、注意力不集中、工作效率下降，還會(huì)影響人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)，嚴(yán)重者甚至導(dǎo)致噪聲性耳聾[1]。對(duì)噪聲的測(cè)試和控制顯得尤為重要，邢淑梅等[2]對(duì)動(dòng)車組運(yùn)用多通道噪聲測(cè)試方法，在車內(nèi)多點(diǎn)同步測(cè)試了運(yùn)行中的動(dòng)車車內(nèi)噪聲，得出車內(nèi)不同位置及不同運(yùn)行速度時(shí)動(dòng)車組車內(nèi)噪聲的現(xiàn)狀和分布規(guī)律，確定了動(dòng)車車內(nèi)噪聲的主頻帶。耿烽等[3]在鋁合金地鐵車內(nèi)使用5個(gè)噪聲測(cè)點(diǎn)測(cè)試，并用Bark譜分析了它們的其聲學(xué)特性，得出了車內(nèi)噪聲大致在第5～9Bark頻帶對(duì)乘客有最大的主觀聽覺影響，約對(duì)應(yīng)500～1100Hz中低頻噪聲。

這些測(cè)試中僅使用了少量傳聲器直接測(cè)試聲壓值（SPL（A）），所以不能對(duì)整車聲場(chǎng)有較全面的了解，若使用多通道同步采集機(jī)車室內(nèi)室外各位置噪聲，不僅能準(zhǔn)確反映噪聲達(dá)標(biāo)狀況和分布規(guī)律，還能便于使用相關(guān)的理論和方法進(jìn)一步分析聲源對(duì)響應(yīng)點(diǎn)的影響[4-6]。由于測(cè)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(duì)測(cè)試信號(hào)去噪后，能得到更好的頻譜分析結(jié)果。

1 奇異值分解差分譜去噪法

含有噪聲的離散時(shí)間序列X（N）={x₁，x₂，x₃，…，x_N}可以構(gòu)成m×n階的Hankel矩陣[7]，為了達(dá)到較好的降噪效果，Hankel矩陣的行列維數(shù)選擇準(zhǔn)則是盡量使其構(gòu)成方陣[8-9]其中，N=m+n-1。對(duì)H進(jìn)行SVD得到：

H=U_m×n∑_m×nV_n×n^T（2）其中，U、V是正交矩陣，∑是非負(fù)對(duì)角陣，由∑的對(duì)角線上的數(shù)值為H矩陣的所有奇異值。

對(duì)信號(hào)的重構(gòu)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(dá)了含噪信號(hào)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，…，σ_n），其差分譜[10-11]表示為

b_i=σ_i-σ_i+1，i=1，2，…，n-1（3）

存在k使得b_k是最大峰值，對(duì)于奇異值序列來說最大峰值處表示了噪聲與有用信號(hào)的分界，當(dāng)k=1時(shí)表示信號(hào)含有直流分量，需要選擇第2個(gè)最大峰值賦予k;當(dāng)k>1時(shí)，表示信號(hào)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(jìn)行SVD重構(gòu)信號(hào)[12-16]，在分析噪聲測(cè)試結(jié)果中，即可得到去干擾的輻射噪聲聲壓信號(hào)。

2 實(shí)驗(yàn)安排

按照鐵道機(jī)車和動(dòng)車組司機(jī)室噪聲限值及測(cè)量方法[16]和鐵路車輛輻射噪聲的測(cè)量[17]，實(shí)驗(yàn)環(huán)境位于空曠場(chǎng)地內(nèi)，機(jī)車處于靜置狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)在每個(gè)可能的設(shè)備或無載荷時(shí)應(yīng)該運(yùn)行;輔助設(shè)備包括發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇，應(yīng)該在適合發(fā)動(dòng)機(jī)速度的載荷下正常運(yùn)行;壓縮機(jī)應(yīng)該在無載荷條件下運(yùn)行;警示喇叭或警報(bào)器不應(yīng)進(jìn)行。在車內(nèi)放置了16個(gè)傳聲器，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)16，見圖1測(cè)試點(diǎn)示意圖，均用三腳架支撐用扎帶固定。一位端司機(jī)室測(cè)點(diǎn)1、2，二位端司機(jī)室測(cè)點(diǎn)3、4、5、6，高度為1.5m;小柴油機(jī)室測(cè)點(diǎn)7、8、9，排氣冷卻室測(cè)點(diǎn)10、11，大柴油機(jī)室測(cè)點(diǎn)12，13、14、15、16，高度均為0.5m。其信號(hào)線均連接到丹麥BBM聲學(xué)數(shù)據(jù)采集分析儀ICP接口上，便于同步采集信號(hào)。使用聲校準(zhǔn)器對(duì)所有傳聲器進(jìn)行校準(zhǔn)后方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采樣率設(shè)置為32768Hz，最終測(cè)試信號(hào)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)文件，保存到計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)庫中，以供按前述方法完成分析。待室內(nèi)測(cè)試完后，同樣的設(shè)置測(cè)試機(jī)車輻射噪聲，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為測(cè)點(diǎn)17～測(cè)點(diǎn)28，高度均為 1.5m，兩側(cè)測(cè)點(diǎn)距離軌道7.5m;測(cè)點(diǎn)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(gè)測(cè)點(diǎn)，距離車頭中心點(diǎn)7.5m。圖2紅色矩形框內(nèi)所示是車內(nèi)測(cè)點(diǎn)11與車外測(cè)點(diǎn)26實(shí)物圖。

在校準(zhǔn)傳聲器后，實(shí)驗(yàn)機(jī)車柴油機(jī)按照轉(zhuǎn)速750，1000，1200，1500，1800，2100r/min 6個(gè)工況運(yùn)行，每個(gè)工況測(cè)試90s。

3 結(jié)果處理與分析

使用BBM聲學(xué)數(shù)據(jù)采集分析儀計(jì)算各個(gè)測(cè)點(diǎn)在各個(gè)工況90s內(nèi)的等效連續(xù)A聲級(jí)，所有結(jié)果統(tǒng)計(jì)在表1和表2。

在6個(gè)工況下，以國(guó)標(biāo)限制值78dB（A）為標(biāo)準(zhǔn)[17]，一位端司機(jī)室噪聲值在66～76.4dB（A），均為達(dá)標(biāo);二位端司機(jī)室在750，1000，1200r/min 3個(gè)工況下，噪聲值為75.6～80.1dB（A）屬于達(dá)標(biāo)，在1500，1800，2100r/min 3個(gè)工況下，噪聲值為82.5～92dB（A）屬于超標(biāo)。對(duì)于該車的輻射噪聲，以國(guó)標(biāo)限制值95dB（A）為標(biāo)準(zhǔn)[18-19]，在6個(gè)工況下均為達(dá)標(biāo)。

為后期降噪工作準(zhǔn)備，將對(duì)2100r/min時(shí)超標(biāo)的4個(gè)測(cè)點(diǎn)（即二位端司機(jī)室測(cè)點(diǎn)3至測(cè)點(diǎn)6）聲壓信號(hào)經(jīng)過奇異值分解差分譜去噪法預(yù)處理，將實(shí)測(cè)信號(hào)的離散時(shí)間序列構(gòu)建Hankel矩陣進(jìn)行SVD差分譜去噪，測(cè)點(diǎn)3聲壓時(shí)域信號(hào)去噪對(duì)比如圖3，可見SVD差分譜去噪法保留了原始信號(hào)比較真實(shí)的信息特征，盡可能地去除了信號(hào)波形的毛刺，波形在很大程度上得以恢復(fù)，相位也并未發(fā)生偏移，去噪效果較為滿意。

2100r/min時(shí)超標(biāo)4個(gè)測(cè)點(diǎn)的1/3倍頻程頻譜如圖4，4個(gè)測(cè)點(diǎn)以63Hz為中心頻率的頻帶內(nèi)聲壓級(jí)均出現(xiàn)異常，已經(jīng)超出兩側(cè)頻帶5～10dB（A），且噪聲主要分布在63～2000Hz的寬頻帶范圍內(nèi)，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(jié)果與張秀文等[20]，王龍等[21]對(duì)內(nèi)燃機(jī)車司機(jī)室內(nèi)部噪聲的測(cè)試結(jié)果相似，噪聲主要存在于中低頻，司機(jī)室內(nèi)部均在低頻100～160Hz以及中頻1250～2000Hz兩個(gè)頻段出現(xiàn)峰值;不同之處在于張秀文等所測(cè)試司機(jī)室噪聲在1600Hz附近較明顯，而王龍等所測(cè)試司機(jī)室噪聲125Hz附近較明顯。即是目前內(nèi)燃機(jī)車司機(jī)室噪聲主要存在于中低頻，在后期對(duì)本文測(cè)試的二位端司機(jī)室進(jìn)行降噪時(shí)，應(yīng)著重考慮出現(xiàn)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(jié)束語

對(duì)地鐵調(diào)車的室內(nèi)噪聲進(jìn)行同步測(cè)試，得到在6個(gè)工況下，二位端司機(jī)室4個(gè)測(cè)點(diǎn)在750，1000，1200r/min 3個(gè)工況下，噪聲值為75.680.1dB協(xié)）屬于達(dá)標(biāo)，在1500，1800，2100r/min 3個(gè)工況下，噪聲值為82.5～92dB（A）屬于超標(biāo);其他測(cè)點(diǎn)均達(dá)標(biāo)。對(duì)于噪聲值超標(biāo)的測(cè)點(diǎn)信號(hào)使用奇異值分解差分譜去噪法預(yù)處理后分析其頻譜，發(fā)現(xiàn)在1200r/min下63Hz頻帶內(nèi)聲壓級(jí)出現(xiàn)異常，且最大聲能量主要集中在200～1250Hz的中頻段，分析結(jié)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）