基于波束形成的自行車輛噪聲分布測(cè)試方法

張炳文，鄭　堅(jiān)，熊　超

(解放軍軍械工程學(xué)院，河北 石家莊　050003)

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基于波束形成的自行車輛噪聲分布測(cè)試方法

張炳文，鄭堅(jiān)，熊超

(解放軍軍械工程學(xué)院，河北 石家莊050003)

針對(duì)聲強(qiáng)測(cè)試方法成本高、聲全息方法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試?yán)щy的問(wèn)題，提出了基于波束形成的自行車輛噪聲分布測(cè)試方法。該方法采用聲源仿真性能較好的十字交叉陣列，并進(jìn)行了自行車輛的靜止單、多排氣口噪聲實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，波束形成能夠?qū)崿F(xiàn)自行車輛靜止噪聲源的空間定位，確定了噪聲特性和分布規(guī)律。

波束形成;陣列;自行車輛;噪聲

0　引言

作為大型機(jī)械裝備，自行車輛的運(yùn)行噪聲量級(jí)很大，嚴(yán)重影響了其生存能力。進(jìn)行自行車輛的整體噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)，分析其分布特性，對(duì)提高自行車輛的噪聲隱身性能具有十分重要的意義。

自行車輛的主要噪聲源包括發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)以及排氣系統(tǒng)等。由于空間體積較大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲主要由相應(yīng)振動(dòng)傳播至車輛外表后產(chǎn)生的噪聲體現(xiàn)，與排氣系統(tǒng)噪聲相比強(qiáng)度較小。因此，自行車輛的整體噪聲主要分布在排氣系統(tǒng)的排氣口附近。

目前國(guó)內(nèi)外通常采用的車輛整體輻射噪聲測(cè)試方法主要有聲壓法、聲強(qiáng)法、近場(chǎng)聲全息法以及波束形成方法等[1]。其中，聲壓法的主要測(cè)量對(duì)象聲壓是標(biāo)量單位，僅包含數(shù)值大小，無(wú)法確定聲源方向，且受實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響較大。聲強(qiáng)法能夠較為完整地獲得噪聲信號(hào)的大小及流動(dòng)方向，并能夠反映出噪聲輻射面聲強(qiáng)分布規(guī)律，測(cè)試效果理想，但是受到聲強(qiáng)設(shè)備的造價(jià)限制，無(wú)法應(yīng)用到噪聲源復(fù)雜分布的大型設(shè)備測(cè)試中[2]。近場(chǎng)聲全息方法結(jié)合參考傳感器的設(shè)置，充分利用不同傳感器采集信號(hào)的相位信息，能夠在信噪比較低的情況下準(zhǔn)確識(shí)別噪聲源，獲取其頻率特性[3-4]，但近場(chǎng)聲全息方法要求測(cè)試距離較近，自行車輛排氣口排出的為高溫噴流氣體，近距離下會(huì)對(duì)傳聲器及測(cè)試設(shè)備造成傷害，無(wú)法完成測(cè)試。而波束形成方法不僅能夠較為全面地給出測(cè)試對(duì)象的噪聲特性，通過(guò)聲源成像確定聲源外表面分布規(guī)律[5-7]，且由于該法對(duì)測(cè)試距離要求較低，可進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量。因此，論文提出了基于波束形成方法的自行車輛噪聲分布測(cè)試方法。

1　波束形成

波束形成方法的基本原理是通過(guò)“時(shí)延-累加”算法獲取聲源的空間位置及指向，進(jìn)而獲取整個(gè)聲源表面輻射特性[8]。平面聲波的波束形成原理如圖1所示。

圖1　波束形成原理示意(平面聲波)Fig.1　Principle of Beamforming (plane wave)

圖1中傳感器陣列由M個(gè)傳聲器構(gòu)成，其位置向量分別為ri(i=1,2,…,M)，則由傳感器陣列確定的κ方向聲源強(qiáng)度為：

(1)

式(1)中，wi為每個(gè)傳聲器的特征系數(shù)，由傳感器陣列性質(zhì)決定；pi為傳聲器測(cè)得的聲壓值；τi為κ方向的時(shí)間延遲，通過(guò)單位方向向量κ的切換來(lái)確定，其表達(dá)式為：

(2)

式(2)中，c為聲波的傳播速度。

由于實(shí)際應(yīng)用中聲源的性質(zhì)通常較為復(fù)雜，聲源定位及成像中關(guān)心的是不同頻率的聲波特性，因此對(duì)式(1)進(jìn)行傅里葉變換，獲得κ方向聲源強(qiáng)度的頻域表達(dá)式：

(3)

式(3)中，k=-aκ為κ方向的波數(shù)向量，波數(shù)a=ω/c。

研究自行車輛的整體輻射噪聲，不能將其視為點(diǎn)聲源。設(shè)定半空間中的自行車輛為多個(gè)聚焦聲源組成的平面聲源，聲波傳播方式為球面?zhèn)鞑?，球面聲波的波束形成原理如圖2所示。

圖2　波束形成原理示意(球面聲波)Fig.2　Principle of Beamforming (spherical wave)

則式(3)中的時(shí)間延遲τi轉(zhuǎn)換為向量差的形式：

(4)

此時(shí)，圖2中r指向聚焦區(qū)域的波束形成輸出為：

(5)

綜上所述，實(shí)際應(yīng)用中需要準(zhǔn)確測(cè)得聲源的輻射聲信號(hào)，利用指向向量r的空間指向性將聚焦區(qū)域歷遍聲源平面，即可獲得聲源的輻射噪聲特性。

2　自行車輛聲源仿真計(jì)算

自行車輛體積龐大，表面形狀復(fù)雜，且噪聲源數(shù)量、分布不規(guī)律，傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量和普通的多點(diǎn)測(cè)量無(wú)法實(shí)現(xiàn)噪聲信號(hào)的完整采集，必須借助傳聲器陣列。同時(shí)陣列結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)波束形成算法的空間濾波能力產(chǎn)生影響。因此，需要對(duì)傳聲器陣列的性能進(jìn)行一定的分析，選取較為常用的平面方陣、螺旋陣和十字交叉陣三種。

對(duì)陣列性能進(jìn)行實(shí)際的考察，涉及到陣列支架的制作和采集系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，在實(shí)際應(yīng)用中較難實(shí)現(xiàn)，因此建立陣列模型，并通過(guò)仿真自行車輛聲源，對(duì)利用不同陣列的噪聲測(cè)試方法進(jìn)行研究。

平面方陣陣型示意圖如圖3所示，在該陣型中設(shè)置了36個(gè)傳感器，橫豎每列中均有6個(gè)傳感器。

圖3　平面方陣陣型Fig.3　Model of square plane array

設(shè)定待測(cè)平面上有三個(gè)聲源，其位置為A(-0.4，0)、B(0.3，0.6)、C(0.6,-0.4)，和傳感器陣列所在平面的距離為1m對(duì)預(yù)設(shè)聲源不同頻率分布的聲場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真分析。

圖4(a)為在頻率中心為f=1kHz條件下預(yù)設(shè)聲場(chǎng)的分布。從圖中可以較為明顯地看出平面方陣的測(cè)試效果，確定了三個(gè)聲源的位置及其分布，但聲源主瓣分布面積較大，定位效果并不是十分理想。圖4(b)為頻率中心f=2kHz下的聲場(chǎng)分布，測(cè)試性能得到了一定的提高，預(yù)設(shè)聲源主瓣分布面積較小，但旁瓣泄露較大，在峰值面積附近出現(xiàn)了一定程度上的鬼影。

圖4　平面方陣測(cè)定的聲場(chǎng)分布Fig.4　Sound distribution of square plane array

螺旋陣的陣型分布如圖5所示，設(shè)置了4個(gè)旋臂，每個(gè)旋臂上有8個(gè)傳聲器，共32個(gè)傳聲器。

圖5　螺旋陣陣型Fig.5　Model of spiral plane array

聲源設(shè)置同平面方陣，圖6(a)為中心頻率f=1kHz時(shí)螺旋陣確定的聲場(chǎng)分布。從圖中可以看出螺旋陣能夠確定聲源位置，但是主瓣面積很大，性能較平面方陣有一定的下降。圖6(b)為f=2kHz時(shí)的聲場(chǎng)分布，聲源主瓣的面積得到了聚焦，且其旁瓣的泄露較小，幾乎沒(méi)有鬼影出現(xiàn)。

十字交叉陣型示意圖如圖7所示，坐標(biāo)系中布置個(gè)32個(gè)傳聲器，X軸和Y軸分別布置16個(gè)，關(guān)于原點(diǎn)O對(duì)稱。

聲源設(shè)置同上，圖8(a)為中心頻率f=1kHz時(shí)十字交叉陣確定的聲場(chǎng)分布。從圖中可以看出該陣型能夠確定聲源位置，聲源主瓣的面積比前兩種陣型都要小，聲源定位性能最好，但是出現(xiàn)了一定程度的旁瓣泄露，圍繞主瓣呈現(xiàn)十字分布的規(guī)律。圖8(b)為f=2kHz時(shí)的聲場(chǎng)分布，從圖中可以看出，十字交叉陣測(cè)定的聲源主瓣面積分布是三種陣列中聚焦程度最高的，雖然有一定的旁瓣泄露，但和主瓣峰值比較數(shù)值和分布范圍都較小。

圖7　十字交叉陣型Fig.7　Model of cross array

圖8　十字交叉陣測(cè)定的聲場(chǎng)分布Fig.8　Sound distribution of cross plane array

綜上，在相同的自行車輛聲源仿真條件下，十字交叉陣在不同頻率分布下聲源的主瓣面積最小，性能最優(yōu)。雖然在低頻范圍存在一定程度上的旁瓣泄露，但其泄露程度并不隨頻率的升高增大。因此，選取十字交叉陣型為自行車輛輻射噪聲測(cè)試的傳聲器陣型。

3　實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)述

噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)選擇在室外空曠的場(chǎng)地進(jìn)行，測(cè)試系統(tǒng)如圖9所示。傳聲器陣列選取十字交叉陣型，四個(gè)直臂分別設(shè)置8路傳聲器，共32路。在十字陣中心布置一個(gè)數(shù)碼照相機(jī)，獲取待測(cè)車輛的光學(xué)圖像，和波束形成處理得到的的噪聲分布進(jìn)行重疊，最終獲取靜止車輛的空間噪聲特性及分布規(guī)律。

圖9　噪聲測(cè)試系統(tǒng)Fig.9　Test system for sound

實(shí)驗(yàn)中，自行車輛分別按照不同的轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)和輔發(fā)動(dòng)機(jī)，處于空檔狀態(tài)，此時(shí)，自行車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)。待噪聲穩(wěn)定后，對(duì)側(cè)面單排氣口及一定角度下背面多排氣口的噪聲進(jìn)行測(cè)試。

3.2側(cè)面結(jié)果及分析

側(cè)面噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，傳聲器陣列距離待測(cè)車輛的距離為8m。此時(shí)，只發(fā)動(dòng)車輛主發(fā)動(dòng)機(jī)，并以1 200r/min轉(zhuǎn)速持續(xù)運(yùn)行。

對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行波束形成處理，需要得知其功率分布。側(cè)面噪聲的功率譜如圖10所示，可以明顯看出噪聲信號(hào)的基頻約為600Hz，在其倍頻成分1 800Hz處能量較大。因此選取600Hz和其倍頻1 800Hz作為波束形成的中心頻率，進(jìn)行成像處理。

圖10　側(cè)面測(cè)試信號(hào)功率譜Fig.10　Power spectrum of side signal

圖11(a)為中心頻率f=600Hz時(shí)自行車輛側(cè)面噪聲的聲源成像結(jié)果。對(duì)其進(jìn)行分析可知，波束形成較為成功地確定了自行車輛的側(cè)面噪聲分布，圖中的主瓣位置和側(cè)面主發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口的位置重合，最大相對(duì)聲壓為79dB。但是由于聚焦頻率較低，主瓣的分布面積較大定位性能并不是很理想；同時(shí)存在較大能量的旁瓣，部分最大值達(dá)到了76dB，分布面積幾乎和主瓣相當(dāng)，分布規(guī)律和仿真結(jié)果相似，圍繞主瓣呈現(xiàn)出了十字對(duì)稱分布。

圖11(b)為f=1 800Hz時(shí)的成像結(jié)果，該頻率分布下噪聲的主瓣能量為61dB，下降了約8dB，同時(shí)定位性能得到了提升，圖中聲源主瓣的面積更加聚焦。旁瓣能量同樣降低為約58dB，分布面積聚焦，但是旁瓣的總體數(shù)目上有一定程度的增加，分布的規(guī)律仍為十字狀。

3.3背面結(jié)果分析

自行車輛背面噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，傳聲器陣列距離待測(cè)車輛的距離為10m,陣列中心與車輛連線和車輛側(cè)面約成30°。同時(shí)發(fā)動(dòng)車輛的主機(jī)和輔發(fā)動(dòng)機(jī)：主發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速同樣為1 200r/min，輔機(jī)按照僅有的轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)，持續(xù)空檔運(yùn)行一段時(shí)間噪聲穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)測(cè)試的噪聲信號(hào)進(jìn)行處理，其功率譜如圖12所示，由圖中可以明顯看出信號(hào)的基頻除約為600Hz(主機(jī))外，增加了輔機(jī)的頻率成分約為877Hz，選取這兩種信號(hào)的能量較高的倍頻成分1 800Hz和2 700Hz作為波束形成的中心頻率。

圖12　背面測(cè)試信號(hào)功率譜Fig.12　Power spectrum of backside signal

圖13(a)為波束形成中心頻率f=1 800Hz時(shí)自行車輛背面的聲源成像結(jié)果。對(duì)其進(jìn)行分析可知，實(shí)驗(yàn)成功地測(cè)試并確定了背面的噪聲分布規(guī)律：該頻率下，最大的相對(duì)聲壓能量為73dB，存在一定的旁瓣泄露，且能量較大，和輔機(jī)的能量相當(dāng)。由于1 800Hz為主發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)頻率的3倍頻，故主瓣位于主發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口的位置；輔機(jī)排氣口的聲壓能量約為71dB，但是分布并不規(guī)則，沿排氣方向有部分延伸，經(jīng)分析，推測(cè)為輔機(jī)的高溫噴射氣流噪聲。

圖13(b)為聚焦頻率f=2 700Hz時(shí)的成像結(jié)果，由于聚焦頻率約為輔機(jī)噪聲基頻的3倍頻位置，故噪聲主瓣位于輔機(jī)排氣口位置，能量約為71dB，同樣沿氣流方向有一定的延伸，且周圍存在呈十字對(duì)稱分布、約為68dB的鬼影；主機(jī)排氣口位置能量約為69dB，沒(méi)有鬼影存在。

圖13　車輛側(cè)面噪聲分布Fig.13　Sound distribution of vehicle backside

綜上可知，波束形成算法能夠有效實(shí)現(xiàn)自行車輛的靜止噪聲成像。在兩個(gè)不同測(cè)試角度下，均能確定出兩個(gè)排氣口聲源的位置和相對(duì)的聲壓強(qiáng)度，成像結(jié)果呈現(xiàn)出一種聚焦性能隨中心頻率升高而提升的特性。但是由于陣列形狀和算法的限制，存在一定程度上的鬼影。

4　結(jié)論

本文提出了基于波束形成的自行車輛分布噪聲

測(cè)試方法。該方法采用聲源仿真中性能較好的十字交叉陣列，進(jìn)行了自行車輛的靜止噪聲實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：波束形成能夠有效實(shí)現(xiàn)自行車輛單、多排氣口的噪聲成像，成像結(jié)果呈現(xiàn)出一種聚焦性能隨中心頻率升高而提升的特性，較為準(zhǔn)確地給出了不同條件下自行車輛的噪聲特性及分布規(guī)律，為翻斗車、起重機(jī)等常規(guī)大型車輛和工程機(jī)械的噪聲分析提供一定的參考價(jià)值。但是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的波束形成成像，需要充分考慮使用短時(shí)數(shù)據(jù)相關(guān)的成像性能，和對(duì)多普勒效應(yīng)造成的頻移補(bǔ)償方法，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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Acoustic Regularity Testing Method of Self-Propelled Vehicle Based on Beam Forming

ZHANG Bingwen, ZHENG Jian, XIONG Chao

(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003，China)

Aiming at the problem of high cost of sound intensity measurement, and NAH is poor in far field testing ability, an acoustic regularity testing method of self-propelled vehicle based on beam forming was put forward. Based on the comparison of performance of simulation, still vehicle acoustic experiments of single and double vents was carried out with the method based on cross array of higher performance. The testing results showed that beam forming method was effective to rebuild the sound field of self-propelled vehicle, acoustic distributing regularity was determined accurately.

passive location; seismic signal; acoustic signal; weighted process; bomb point

2016-01-20

張炳文(1987—)，男，山東青島人，博士研究生，研究方向：噪聲信號(hào)測(cè)試及處理。E-mail：bingwengongtuan@163.com。

TH11

A

1008-1194(2016)04-0103-05