焦萍萍，周顯春

（三亞學院 信息與智能工程學院，海南 三亞 572022）

0 引言

汽車的內(nèi)部噪聲是由空氣和固體結(jié)構(gòu)振動引發(fā)的聲響，大部分噪音都是低頻的聲響。低頻噪聲具有能量大的特點，嚴重影響車內(nèi)駕駛員的聽力系統(tǒng)及乘員的乘坐感受[1-2]。因此，研究一種汽車內(nèi)部低頻噪聲控制方法具有重要價值。之前一直使用的車內(nèi)噪聲控制方法，一般都采用在噪聲傳播過程中隔振、隔聲、消聲、吸聲等降噪措施，這些措施用來抑制高頻噪聲的效果很好，可是對于低頻噪聲的控制效果較為一般。因此，本文提出車輛駕駛室低頻振動噪聲消噪處理方法，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)挖掘駕駛室內(nèi)低頻振動噪聲信號數(shù)據(jù)，以獲取信號特征為基礎(chǔ)提取低頻噪聲；利用小波變換的方法完成消噪處理，提升駕駛員的注意力，確保行駛安全，降低車輛發(fā)生事故的概率。

1 基于大數(shù)據(jù)挖掘的低頻振動噪聲信號數(shù)據(jù)采集

大數(shù)據(jù)挖掘，是指從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的、隨機的數(shù)據(jù)中提取隱含在其中具有特征性的數(shù)據(jù)，有利于優(yōu)化結(jié)果精度。本文采用kmeans 聚類算法[3]預處理低頻振動噪聲信號數(shù)據(jù)，明確其數(shù)據(jù)分布模式特征，通過數(shù)據(jù)清洗剔除缺失噪聲數(shù)據(jù)與無用噪聲數(shù)據(jù)[4]，再歸一化處理低頻振動噪聲信號數(shù)據(jù)，以此提升低頻振動噪聲消噪處理方法的可靠性。

將低頻振動噪聲信號劃分為若干個聚類集合，對相同頻率的振動噪聲實施合并聚類。振動噪聲數(shù)據(jù)采集過程中，需要對數(shù)據(jù)進行清洗。首先補充缺失值，明確并去除差異性噪聲數(shù)據(jù)，保證低頻噪聲采集的準確性。倘若某些關(guān)鍵屬性因為各類原因?qū)е聸]有數(shù)值，則在數(shù)據(jù)清洗時需要單獨處理此類殘缺屬性值，剔除不必要的屬性數(shù)據(jù)。將車輛駕駛室振動噪聲的測量數(shù)據(jù)和標準殘差作為特征值，對包含標準殘差在內(nèi)的指數(shù)進行標準化處理后，構(gòu)建特征指標矩陣：

式中：mij表示采集樣本數(shù)據(jù)的頻率表示特征指標，R表示標準差，Δz表示相鄰樣本數(shù)據(jù)之間的采集時間差值。

低頻振動噪聲的頻率各不相同，因此需要將聚類中的數(shù)據(jù)進行歸一化處理，以此獲取聚類結(jié)果。根據(jù)該結(jié)果確定聚類數(shù)量，進而得到聚類有效性指數(shù)，公式可表示為：

式中：minmij表示采集樣本數(shù)據(jù)的最低頻率，maxmij表示采集樣本數(shù)據(jù)的最高頻率，λij表示聚類度量因子。在不影響低頻振動噪聲頻率數(shù)據(jù)真實性的情況下，對歸一化后的數(shù)據(jù)采取維度規(guī)約，以此采集具有特征屬性的車輛駕駛室低頻振動噪聲數(shù)據(jù)。維度規(guī)約[5]憑借數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性，制定以下兩種原則：如果A 與B 有關(guān)，B 與C 有關(guān)，A 與C 有關(guān)，那么認定A，B，C 有關(guān)；如果A 與B 有關(guān)系數(shù)高于0.5，認定A 與B 有關(guān)。通過維度規(guī)約的方式完成低頻振動噪聲數(shù)據(jù)采集，提升低頻振動噪音分組可靠性。

2 基于小波變換的低頻振動噪聲消噪處理

低頻振動噪聲的有效去噪，可以改善車內(nèi)駕駛員的聽力系統(tǒng)及乘員的乘坐感受。小波變換是通過突變信號與緩慢變化背景信號之間的頻率差異進行濾波分離[6]，能夠很好地表征低頻振動噪聲主要信號，保留邊緣信息結(jié)構(gòu)，具有較好的去噪處理結(jié)果。

2.1 分 組

將低頻振動噪聲信號的若干個聚類集合劃分為規(guī)則相同的單獨個體噪聲，根據(jù)不同的低頻振動噪聲信號表征對低頻振動噪聲結(jié)構(gòu)進行分解，構(gòu)建單分類數(shù)組，即分組。通過分組操作能夠有效濾除存在差異值的低頻振動噪聲，提高聯(lián)合濾波的消噪處理效果。單獨低頻振動噪聲之間的差異主要通過小波變換之后得到的各個子波進行衡量。通過閾值處理，將小于閾值的低頻振動噪聲設(shè)置為0，不用進行處理；將大于閾值的低頻振動噪聲進行聯(lián)合濾波處理，重構(gòu)數(shù)據(jù)信號，抑制低頻振動含噪信號中的噪聲。

2.2 聯(lián)合濾波

聯(lián)合濾波[7]即根據(jù)單獨個體噪聲的特點表征獲取噪聲在低頻環(huán)境中分布的真實情況。設(shè)定一個含有X個低頻振動噪聲的數(shù)組，對數(shù)組進行聯(lián)合濾波處理分解低頻振動噪聲，獲取i個估計值，即各個低頻振動噪聲分別對應一個估計值。當?shù)皖l振動噪聲差異分解后，則進行聯(lián)合濾波操作：

（1）對分解后的低頻振動噪聲數(shù)組進行線性變換；

（2）通過收縮變換域的系數(shù)有效減少噪聲；

（3）經(jīng)過逆線性變換獲取低頻振動噪聲對應的估計值。

2.3 聚集

經(jīng)過分組和濾波操作后，低頻振動噪聲可能會存在重疊區(qū)域。由于不同振動噪聲之間的頻率估計值存在明顯差異，需要對其進行加權(quán)處理，消除重疊部分的估計值，提高計算精度?？紤]低頻振動噪聲x表示為：

式中：y代表低頻振動噪聲最大頻率，z代表低頻振動噪聲最小頻率。對低頻振動噪聲進行小波分解，獲取對應的高低頻率分量，以此作為提取低頻噪聲的基礎(chǔ)。

2.4 提取

使用功率頻譜分析法[8]，進行低頻噪聲的專項分析。通過此種方式，實現(xiàn)對低頻噪聲信號的精準提取。在此過程中，可認為車輛在一定范圍內(nèi)行駛所引起的低頻噪聲處于平穩(wěn)狀態(tài)。對聚集處理后的采集樣本數(shù)據(jù)頻譜密度進行分析，計算不同信號值的功率譜，對獲取的結(jié)果值與信號低頻范圍進行比對，結(jié)果處于低頻范圍內(nèi)輸出數(shù)值，完成低頻噪聲的精準提取。

2.5 消噪處理

在低頻噪聲精準提取的基礎(chǔ)上，對低頻噪聲信號進行消噪處理。消噪處理的方式有三種，分別為強制處理、默認閾值消噪處理以及軟閾值消噪處理。強制處理是將所有的低頻噪聲消除為0，默認閾值消噪處理是結(jié)合消噪處理的范圍與默認范圍進行低頻噪聲處理，軟閾值消噪處理是結(jié)合消噪處理經(jīng)驗與標準化頻率計算公式對噪聲進行消噪處理?？紤]到本次消噪的噪聲信號為低頻信號，因此選擇第一種消噪處理方式，將所有的低頻信號進行集中消噪處理，直至信號中的噪聲全部剔除，完成消噪處理。至此，完成了基于小波變換的低頻振動噪聲消噪處理，結(jié)合大數(shù)據(jù)挖掘的低頻振動噪聲信號數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)了車輛駕駛室低頻振動噪聲消噪處理。

3 對比實驗

本文選擇某地區(qū)大型汽車修理加工廠作為實驗的場所。與實驗單位技術(shù)人員對接后，發(fā)現(xiàn)此修理廠中現(xiàn)有一臺載重為8.0 t 的新型裝載車輛，在預售前的監(jiān)測階段發(fā)現(xiàn)駕駛室存在低頻噪聲問題。由專業(yè)人員輔助技術(shù)人員對此攜帶噪聲的車輛進行試駕，確定此車輛在發(fā)動機低速運轉(zhuǎn)時存在噪聲。此噪聲較為明顯，且噪聲與駕駛室的腔體發(fā)生了共振現(xiàn)象，使駕駛?cè)藛T聽力系統(tǒng)受到影響。通過試駕，初步判斷低頻噪聲來自駕駛室左側(cè)。在此基礎(chǔ)上，在車輛左側(cè)位置安裝振動傳感器、聲音傳感器、LMS-數(shù)據(jù)采集器，用于實時獲取車輛駕駛室內(nèi)的低頻噪聲降噪處理結(jié)果。傳感器安裝位置如圖1 所示。

圖1 車輛駕駛室傳感器安裝位置示意圖

如圖1 所示，在車輛駕駛室前擋風玻璃上安裝傳感器A，在車輛駕駛室后擋風玻璃上安裝傳感器B，在車輛駕駛室司機座椅左側(cè)安裝傳感器C。

將車輛噪聲信號的采樣頻率設(shè)置為混合采集模式，主動控制振動噪聲信號的采樣頻率范圍為20～200 Hz，在LMS-數(shù)據(jù)采集器中完成對駕駛員聽力系統(tǒng)的測試，獲取對駕駛員影響效果較大的低頻振動噪聲信號頻率。駕駛員聽力聲壓結(jié)果如圖2所示。

圖2 消噪后的駕駛員聽力聲壓結(jié)果

如圖2 所示，在噪聲激勵下，駕駛員在低頻振動噪聲信號頻率為29 Hz 和58 Hz 時出現(xiàn)50 dB 左右的聲壓峰值，因此可截取此部分信號通過大數(shù)據(jù)挖掘的k-means 聚類算法采集低頻振動噪聲信號數(shù)據(jù)特征。引入小波變換，按照信號的功率頻譜分布，對低頻噪聲進行去噪處理，得到如圖3 所示的低頻噪聲降噪信號時序圖。

圖3 車輛駕駛室低頻噪聲信號時序圖

從圖3 可以看出，經(jīng)過小波變換的方法進行濾波去噪后，最終輸出的所有信號均在-1～+1 范圍內(nèi)且波動幅度較小，實現(xiàn)了低頻振動噪聲的消噪處理。

在相同時序下，將本文方法結(jié)果與實測結(jié)果進行對比，以偏差值作為對比指標，得出誤差值。偏差值計算公式為：實測結(jié)果-方法結(jié)果，計算單位為dBm，隨機計算10.0 個測點，統(tǒng)計結(jié)果偏差值作為實驗結(jié)果，如表1 所示。

從表1 所示的實驗偏差值結(jié)果可以看出，本文提出的車輛駕駛室低頻振動噪聲消噪處理方法，在實際應用中可以提高降噪處理結(jié)果精度，有效控制結(jié)果偏差，實現(xiàn)實現(xiàn)低頻振動噪聲的消噪處理。

表1 偏差值結(jié)果

3 結(jié)語

為了更好地對車輛駕駛室低頻振動噪聲進行控制，降低駕駛員聽力系統(tǒng)受影響程度，確保車輛行駛安全，本文結(jié)合大數(shù)據(jù)挖掘的噪聲信號采集方法與小波變換的噪聲消噪處理方法，對車輛駕駛室低頻振動噪聲降噪進行研究。通過實驗，對車輛駕駛室低頻振動噪聲控制效果進行檢測，結(jié)合偏差值結(jié)果分析，證明本文方法可以有效實現(xiàn)車輛駕駛室低頻振動噪聲消噪處理，保障車輛穩(wěn)定行駛。