基于MATLAB的各种数字滤波器对车内噪声信号的分析处理

朱文英，张永栋

（广东交通职业技术学院，广东 广州 510650）

基于MATLAB的各种数字滤波器对车内噪声信号的分析处理

朱文英，张永栋

（广东交通职业技术学院，广东 广州 510650）

对某量产车型在车速60km/h行驶工况下的车内噪声进行采样，分析了其时域波形和频谱图。基于 Matlab平台，分别用巴特沃斯、切比雪夫I型、切比雪夫II型带阻滤波器对此噪声信号进行滤波处理，得到滤波前后的信号幅频响应。通过对比各种数字滤波器的去噪效果，为优化车内噪声提供了参考依据。

车内噪声；数字滤波器；MATLAB

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-147-03

前言

整车 NVH 是指 Noise（噪声）、Vibration（振动）和Harshness（声振粗糙度），这三者在汽车等机械振动中是同时出现且密不可分，它是衡量一款汽车制造质量的重要指标，也是长期困惑一些汽车生产厂家的技术难题。车内噪声过大容易使驾驶员及乘客产生头晕、烦躁、耳鸣、听力衰退等不良影响。车内噪声的控制，不仅关系到乘坐舒适性、车的耐久性和安全性，而且还关系到环境保护。因此降低车内噪声保证良好的车内声学品质显得极为重要。

数字滤波器（DF）是由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种算法或装置，它将信号的某些频率或频段的信号加以放大，而将另外一些频率或频段的信号加以抑制。其实质是用有限精度算法实现的离散时间线性非时变系统，以完成对信号进行滤波处理的功能[1]。本文借助Matlab 强大的信号处理工具箱功能，对采集的某量产车型的噪声信号用各种数字滤波器进行去噪分析，对寻找噪声来源，寻求噪声控制的方法提供参考依据。

1 数字滤波种类及去噪原理

数字滤波是动态信号处理中一种最常用和基本的数据处理方法，它能够滤掉不需要的频率成分，保留有用的频率成分，从而达到削弱或消除干扰信号，提取有用信号的目的。数字滤波器按照信号通过滤波器的频率响应特性可分为低通、高通、带通和带阻四种。按照单位脉冲响应函数的时间特性分类可分为FIR（Finite Impulse Response）有限脉冲响应和IIR（Infinite Impulse Response）无限冲激响应。从逼近函数类型来分有Butterworth (巴特沃斯)、Chebyshev(切比雪夫)、Bessel（贝塞尔）、椭圆滤波器等。状态信号通常分布在一个很宽的频率范围内，而有用的特征信息往往集中在一个或几个频带内，所以对其它频带信号须加以抑制以提高信噪比[2]。

1.1 巴特沃斯滤波器

巴特沃斯滤波器采用的是巴特沃斯传递函数，特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。其幅频特性无论在通带内还是阻带内都是单调下降的，相频特性也是单调下降的，对有用信号产生的幅值畸变和相位畸变都很小。

1.2 切比雪夫I型和II型滤波器

切比雪夫滤波器由切比雪夫多项式的正交函数推导出来，在通带或阻带上频率响应幅度等波纹波动的滤波器。其中包括切比雪夫I型滤波器和切比雪夫II型滤波器。振幅特性在通带内（或称“通频带”）是等波纹的而阻带（或称“阻频带”）内是单调下降的滤波器称为“切比雪夫I型滤波器”。其在通带内等波纹起伏，截止特性非常好，但相位特性和群延时特性一般，适用于对衰减特性要求较高，但是相位要求不严格的情况。切比雪夫II型滤波器在阻带上频率响应幅度等波纹波动而通带内单调下降的滤波器。

2 车内噪声信号采集

2.1 测试目的

为了获取某量产车型实车在指定工况和行驶条件下噪声的大小与分布情况，以便用各种数字滤波器对噪声信号进行滤波去噪分析。

2.2 测试设备组成

如图1所示，用麦克风采集车内噪声信号，通过数据采集器把麦克风的噪声信号数据输入到信号分析系统。

图1 试验系统框图

其中采用的设备与相关器材主要有：

1）麦克风1个。

2）数据采集器1套。

3）德国米勒贝姆(BBM)数据采集分析系统，包括28路模拟输入通道的MKII动态数据采集仪和配有PAK数据采集分析软件的笔记本电脑。MKII数据采集器精度为24位，最大采样频率为102.4kHz/通道。

2.3 测点布置及测试工况

测点布置：由于汽车车内声压级与测量位置关系明显，所以应当选择能够代表驾驶员和乘客耳旁的车内噪声分布测点[3]。依照本次测试需求，只选取驾驶员右耳处作为测量点。

测试工况：晴朗的白天、某试验车跑道（无其他车辆和噪声干扰）、车速60Km/h。车内乘坐一名测试人员和一名试车驾驶员，关闭车门车窗，关闭空调。

图2为所采集到的车内原始噪声信号时域图，图3为驾驶员右耳噪声频谱图。

图2 车内原始噪声时域信号图

图3 为驾驶员右耳噪声频谱图

从上述图中可以看出，在200Hz～240Hz频率段有比较高的峰值，在车内噪声中是最突出的频率成分。为了确认该频率段的声音信号是否与测试员耳朵所听到的明显的噪声信号相匹配，需设计滤波器滤除此频率段信号，将滤波后的声音信号回放与原始信号对比来论证。

3 基于Matlab的滤波器去噪分析

带阻滤波器（bandstop filters简称BSF）是能通过大多数频率分量、但将某些范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带通滤波器的概念相对。本文将设计巴特沃斯带阻滤波器、切比雪夫I型带阻滤波器和切比雪夫II型带阻滤波器对所采集到的车内噪声信号进行滤波处理并对比分析。

3.1 巴特沃斯带阻滤波器去噪

Matlab信号处理工具箱提供了有关巴特沃斯滤波器的函数 buttap、buttord、butter。Butter函数可以设计模拟或数字的低通、高通、带通和带阻巴特沃斯滤波器[4]。滤波器设计参数[5]：阻带频率上限 210Hz、阻带频率下限 230Hz、通带上限频率200Hz、通带下限频率240Hz、阻带衰减10dB、边带区衰减DB数设置0.1 。下图4所示为设计的巴特沃斯带阻滤波器幅频曲线，图5为滤波处理后的信号频谱图。

图4 巴特沃斯滤波器幅频曲线

图5 巴特沃斯滤波频谱图

3.2 切比雪夫I型滤波去噪

Matlab信号处理工具箱中有关切比雪夫的函数有cheblord、cheby1、cheby2。利用cheblord等函数编制设计切比雪夫I型带阻滤波器的Matlab 函数文件。滤波器设计参数同前巴特沃斯滤波器。下图6所示为设计的切比雪夫I型带阻滤波器幅频曲线，图7为滤波处理后的信号频谱图。

图6 切比雪夫I型滤波器幅

图7 切比雪夫I型滤波频谱图

3.3 切比雪夫II型滤波去噪

函数及参数设计同前，下图8所示为设计的切比雪夫II型带阻滤波器幅频曲线，图9为滤波处理后的信号频谱图。

由图8-9可以看出，巴斯沃斯滤波器和切比雪夫I型滤波器在200Hz～240Hz频段内均有较好的幅频特性，经过滤波后的车内噪声信号在该频段内也得到有效抑制，而其它频段的车内噪声信息被保留。回放滤波后的原始信号，发现车内原本的最明显的噪声信号已经听不到，证明所设计的滤波器成功的滤除了该频率段的噪声。

图8 切比雪夫II型滤波器幅频曲线

图9 切比雪夫II型滤波频谱图

4 结论

本文借助Matlab软件平台，设计了3种带阻滤波器分别对采集到的某车内噪声信号进行去噪处理，将异常频率段（200Hz-240Hz）的声音信号截止，再回放滤波后的信号，判断原有的异常噪声信号是否被滤除，以及对滤除的效果做主观评价。

仿真及试验结果表明巴特沃斯滤波器和切比雪夫I型滤波器对于此类车内噪声的滤除都有不错的效果，噪声频率段信号被滤除后，都能得到较纯净的声音信号，切比雪夫II型滤波器效果略弱。此次数字滤波器的设计及噪声处理结果为寻找车辆噪声来源及噪声控制策略进一步提供了参考依据。

[1] 赵培瑶,向凤红等. 基于Matlab 的不同数字滤波器对语音信号的去噪效果[J].化工自动化及仪表.2016.43(7)：717-719.

[2] 丁康.动态信号分析与处理[M].广州：华南理工大学出版社,2008.187-189.

[3] 江俊,陈剑.某车车内噪声信号的测试与分析[J].噪声与振动控制,2011.32(6)：143-146.

[4] 王大伟, 贾荣丛,王划一.基于 Matlab的巴特沃斯滤波器设计[J].现代电子技术,2012.35（21）：71-72.

[5] 周玲.基于 Matlab的语音信号数字滤波处理[J].安庆师范学院学报.2011,17(3)：46-49.

Vehicle interior noise processing bydifferent digital filters based on Matlab

Zhu Wenying, Zhang Yongdong
( Guangdong Communication Polytechnic, Guangdong Guangzhou 510650 )

In this paper, the vehicle interior noise with speed 60km/h running condition is sampled, and the time domain waveform and frequency spectrum are analyzed. Based on the Matlab platform, the noise signal is filtered by Butterworth,ChebyshevI and Chebyshev II bandstop filters, and the amplitude frequency response of the filter is obtained before and after filtering. By comparing the denoising effects of various digital filters, it provides a reference for the optimization of vehicle interior noise.

vehicle interior noise; digital filter; MATLAB

U464 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)20-147-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.051

朱文英，（1984-）硕士，讲师。研究学科：车辆工程。张永栋，（1983-）硕士，讲师，就职于广东交通职业技术学院。