always_online 发表于 2022-1-25 14:20

“声”活中的小品质

今年夏天,家里老人买了一只蝈蝈来哄孩子们玩耍。看着笼子里的那只浑身绿油油的小虫子,孩子们很兴奋,不停地盯着看。过了会,蝈蝈就开始和孩子们打招呼了,咯咯咯咯地有规律地叫着。孩子们兴奋地告诉我,看到蝈蝈的叫声是从哪里传来的了,是它背上的两片硬膜那里发出来的。我说,你们观察真仔细,把它放生了吧,让它到大自然中去玩耍好吗?可是孩子们舍不得,于是一下子从夏天养到了秋天,又来到了冬天。之前它的笼子放在窗户外面,还相安无事。等天冷了,便将它放在家里,晚上夜深人静时,才真真切切地体会到了它洪亮的叫声。尤其家中来了暖气后,它可能误认为是春天到了,越叫越欢实。而且当它叫的时候,你恰巧站在附近的话,会有震耳欲聋之感。

不胜其扰之后,我决定利用专业技术,一探究竟。这叫声到底频率是多少?听到的规律性又是多少?为何这声音听起来不舒服呢?

首先,用手机录了一段蝈蝈的叫声。然后,利用格式转换器将声音文件转为wav 格式。最后,拿出神器,NVH行业内的必备法宝,Testlab软件,分析流程来一套。终于看清了它的庐山真面目。

图1是蝈蝈叫声的原始时域数据。粗略地一看就知道存在很规律的周期性。
图1 时域数据
然后我在Testlab Neo平台中,使用了图2中的分析流程。有跟踪时间的频谱分析,调制谱分析、时变响度和时变尖锐度分析。(可能用不了这么多分析模块,管它呢,谁叫咱模块全呢)。
图2 分析流程图
最后,只需点击Run,便可以一键得到所有的分析结果,就是这么方便快捷。我先看看能让我耳膜感到共振的频率是多少呢?
图3 频谱图
原来蝈蝈的叫声频率大约是3914Hz及其谐频。根据心理声学可知,外耳道的共振频率在4kHz附近,然后再经过下图4中的耳蜗传给大脑(这里就不详细描述了,因为我不是专业医生)。所以,我能感受到耳道以及耳蜗的共振,终于找到了科学依据。
图4 耳膜不同区域的振动频率
接下来,我们再看看这段时间的规律性。从时域数据粗略看了下,感觉蝈蝈的叫声规律好似机关枪,嗒嗒嗒停嗒嗒嗒停,有个长的时间差,还有小的时间差,有着明显的调制特性。看下计算的调制谱,如图5。有明显的调制频率5Hz和100Hz,对应的时间差分别是0.2秒和0.01秒。这就是我感受到的时间规律性。
图五 调制谱
我们看下响度分析结果,如图6。人耳对于高频 1000~5000Hz的声音是敏感的,对低频声音不敏感,也就是说在同样响度的情况下,高频听起来也是比低频的响度大。更何况蝈蝈的声音在第16-22Bark域处的响度明显高于低频域的,因此,我会感觉相当的尖锐。
图6 特征响度
分析完了,不代表工作结束了。对于一个合格的NVH工程师,最主要的工作是降噪减振。我先看一下突出比,如图7。发现在3463-4365Hz范围内的频率的能量明显高于周围。因此,在软件中对这个频率范围施加一个带阻滤波器。再重新计算一遍上面的参数。流程图见图8。
图7 突出比
图8 分析流程图
计算完后,再看一下特征响度以及突出比。如图9突出比,左边是滤波前,右边是滤波后。明显地看出,这段频率的能量不那么突出了。
图9 突出比对比图
图10 特征响度图
图10特征响度图中,左边彩图是滤波前的,中间是滤波后的,右边二维图中,绿色的是滤波后的结果,从中也可以看到,高频的响度也明显下降了,只剩下20-24Bark域内的响度还比较高。通过回放听,滤波后的声音也舒服多了,没有那么尖锐了。

除了直接加一个带阻滤波器,还可以尝试陷波,多个带阻滤波器等等手段。这些都可以轻松地在软件里实现。但是这些都是纸上谈兵,实际中我应该做个什么样的笼子或者声学材料,来实现以上那些结果呢?就在我苦思冥想时,它突然撒手人寰,离我而去了。后来,我想通了,最好的降噪就是让它在大自然中,这个自由声场中,放声歌唱,既不会骚扰到人类,又可以让它自由自在的生活。

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