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技术专题

ATOM系列谈十八:NVH测试中的回放滤波

日期:2020-04-24
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在汽车NVH性能开发过程中,尤其对于声音频谱较为复杂的问题时,工程师很难直接确定出异常声音的频率成分,而且也无法判断异常声音优化后的实际效果。

通常我们通过声音的频谱可以看出贡献较大的几个频率成分,但是异常声音并非一定是量级较大的,因此无法直接判断问题噪声是哪个频率成分造成的。如2000-5000Hz间的高频纯音成分,可能其量级较小,但人耳对该频段声音非常敏感,很容易被人耳察觉。

图1 人耳对声音频率的敏感性

 

 

因此,想要直观的分析复杂声音,快速锁定异常声音的频率成分,就要用到一个功能全面、使用便捷的回放滤波功能

回放滤波的原理是指在声音播放器在信号处理中,可以对信号做时域和频域的分析处理。对于用户不同目的的分析与处理,可以将信号中相应的频率成分选取出来,而无需对整个频率范围进行处理。选取频率的过程就是对原始信号进行滤波的过程。

下来让我们来介绍什么是滤波器。

1、数字滤波器

在数字信号处理中,如果一个离散时间系统是用来对输入信号做滤波处理,那么,该系统又称为数字滤波器(Digital Filter,DF)。系统的输入和输入的频率关系可表示成:

 

 










 

图2 滤波原理

2、滤波器的类型

常见的滤波器从功能上主要可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等。

所谓低通滤波器是该滤波器可以让信号中的低频成分通过,而高频成分不通过,例如,可以用低通滤波器来消除NVH测量中的风噪影响。高通滤波器则可以让信号中的高频成分通过,而低频成分不通过,例如,在判断路噪或结构噪声的时候可以将中低频的声音滤掉进行回放。带通滤波器仅允许信号中指定的有限频带内的频率成分通过;带阻滤波器用于去除指定的有限频带内的频率成分,通常在排查异音的频率成分时,带通和带阻滤波器会交替使用,以锁定异音的频率成分。

图3 常见滤波器类型
 

在汽车领域还会经常用到阶次滤波器,阶次滤波器又分为阶次通滤波器、阶次阻滤波器。阶次滤波器是带通和带阻滤波器的变形形式,阶次与频率的换算关系如下:

频率=阶次*转速(rpm)/60

阶次滤波器主要用于旋转机械的声音滤波,而汽车在运动过程中就是典型的旋转机械,因此阶次滤波器在汽车NVH性能开发中应用很广泛,主要用于排查旋转部件所引起的振动噪声问题。


图4 阶次滤波器
以上这些滤波器类型可以使用FIR(Finite Impulse Response,有限冲击响应数字滤波器)或IIR(Infinite Impulse Response,无限冲击响应数字滤波器)滤波器来实现。今天我们主要介绍FIR滤波器。
 
3、FIR滤波器
 
FIR滤波器广泛应用于数字信号处理中,主要功能就是将不感兴趣的信号滤除,留下有用信号。FIR滤波器是全零点结构,系统永远稳定;并且具有线性相位的特征,在有效频率范围内所有信号相位上不失真,稳定和线性相位的特性是FIR滤波器的显著特点。其中,线性相位所表示的物理意义是系统对所有信号所产生的延迟都是一样的。












图5 FIR计算示意图

4、ATOM中的回放滤波

ATOM中回放滤波功能,采用FIR滤波器,包含低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器、阶次通滤波器、阶次阻滤波器,满足工程师NVH测试数据的快速滤波并实时回放需求,结合ATOM数据实时共享的优势,回放滤波功能使用起来将更加便捷。此外,还包含以下功能:

•       选取部分时域数据进行回放;

•       频谱计算参数设置;

•       频谱Colormap/曲线显示;

•       可用鼠标快捷改变滤波器的参数(如:滤波器不同类型切换、滤波频率、滤波阶次、滤波器开关等)

•       循环/单次播放;

•       左右耳播放音量控制;

•       左右耳通道播放音量指示器;

•       转速/时间通道播放指示器;

•       播放通道数据信息实时显示;

•       播放数据属性信息显示;

图6 ATOM的回放滤波功能

5、应用案例分享

某电动SUV在开发过程中,NVH工程师发现静态起步及POT加速时车内能感知到多个电总成啸叫阶次,音调尖锐杂乱,亟需锁定主要阶次,开展优化。从车内加速噪声时频分析彩图来看,静态起步出现的主要阶次为88、66、60、44、34.4阶,POT加速出现的主要阶次为44、34.4、30、25.8、22、17.2、8.6阶。

这么多的阶次噪声,是否都要去做优化呢,即便都列为待整改对象,是否有优先度的区分呢?这时候有人会对各个阶次能量直接进行计算和比较,也许还会借助Prominence ratio这样的参数来做阶次评价,但是最简单、有效的办法,就是做个滤波和回放,来给阶次噪声的恼人程度排个序。经过回放筛选,发现:

(1)静态起步时最恼人的阶次依次为:60、44、34.4、66、88阶;

(2)POT加速时最恼人的阶次依次为:22、34.4、44、25.8、17.2、30、8.6阶。

这样,下一步工作就可以针对重点的阶次噪声问题,进行问题的诊断及排查了。

图7问题声音的Colormap图分析

附滤波前后音频文件,高保真耳机回放效果更好

ATOM最新的回放滤波功能的试用版本已经发布,可满足汽车NVH性能开发中声音振动通道的回放滤波工作。小伙伴们,还等什么,快点来申请试用吧!

ATOM作为一个NVH测试的平台,包括了数据采集、数据管理、数据分析、数据挖掘四大功能模块,NVH数据积累和比对分析从未那么简单!

ATOM将会基于国内外用户的实际使用需求,持续迭代更新,您有什么需求不妨说来听听!!!还有好消息要告诉大家,ATOM4.0版本即将发布,敬请期待!!!

关于NVH测试工作中遇到的问题,大家都可以留言交流,小编随时恭候。

参考文献:

[1] 数字信号处理—理论、算法与实现[M].北京:清华大学出版社,2003: 75-76.

[2]ISO 2631-1 Mechanical vibration and shock—Evaluation of human exposure to whole-body vibration—Part 1.

[3]https://community.sw.siemens.com/s/article/introduction-to-filters-fir-versus-iir.

 
NVH测试工作的核心
 Something about DATA
 系列谈之十八

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