組合聲源測(cè)試消聲器傳遞損失的噪聲信號(hào)修正方法

謝麗萍，盧熾華，劉志恩,2，付友明，朱亞偉

組合聲源測(cè)試消聲器傳遞損失的噪聲信號(hào)修正方法

謝麗萍1，盧熾華1，劉志恩1,2，付友明1，朱亞偉1

(1. 武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430070；2. 汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北武漢 430070)

針對(duì)某些傳遞損失較大的消聲器，現(xiàn)有白噪聲測(cè)試設(shè)備的單一噪聲源發(fā)生器無(wú)法滿足消聲量的測(cè)試需求。通過(guò)采用低頻和中頻兩種聲源發(fā)生器，利用過(guò)渡管道與測(cè)試管道垂直連接的方式，實(shí)現(xiàn)了兩種聲源組合發(fā)聲對(duì)消聲器聲學(xué)性能的測(cè)試。為了解決過(guò)渡管道與組合聲源系統(tǒng)連接處聲阻抗變化，導(dǎo)致輸出的噪聲信號(hào)頻譜特性隨機(jī)波動(dòng)的問(wèn)題，提出了一種噪聲信號(hào)的修正方法。該方法基于四傳感器法測(cè)量過(guò)渡管道聲阻抗，根據(jù)過(guò)渡管道傳遞矩陣，以隨機(jī)白噪聲為激勵(lì)源輸出的管口噪聲作為輸出聲壓信號(hào)，得到組合聲源系統(tǒng)的輸入聲壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)組合聲源系統(tǒng)聲音信號(hào)的補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)均衡器調(diào)節(jié)方法相比，該方法能夠在較寬的測(cè)試頻率范圍內(nèi)輸出平穩(wěn)的聲壓信號(hào)；其次，利用修正前后的聲學(xué)信號(hào)對(duì)擴(kuò)張腔的傳遞損失進(jìn)行測(cè)量，修正后得到的測(cè)試曲線與理論值吻合度較高，證明了該方法的可行性。

噪聲源；傳遞損失；聲阻抗；傳遞矩陣；聲音信號(hào)補(bǔ)償

0 引言

聲源系統(tǒng)作為消聲器聲學(xué)性能試驗(yàn)裝置的主要激勵(lì)源，是保證測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。在試驗(yàn)中，聲源系統(tǒng)除了要保證良好的密封性和較低的環(huán)境噪聲外，還應(yīng)該具有良好的聲學(xué)特性，例如較好的頻率響應(yīng)、較高的信噪比、較寬的測(cè)試頻段和保持線性時(shí)不變系統(tǒng)的能力等。因此，設(shè)計(jì)滿足聲學(xué)性能要求并保證在較寬頻帶范圍內(nèi)都有穩(wěn)定聲壓信號(hào)輸出的聲源系統(tǒng)對(duì)測(cè)試準(zhǔn)確性至關(guān)重要。針對(duì)傳遞損失較大的消聲器，測(cè)量其聲學(xué)性能時(shí)，需選用功率較大的聲源。為了解決傳統(tǒng)消聲器聲學(xué)性能測(cè)試臺(tái)架選用單一噪聲源發(fā)生器，輸出的聲學(xué)信號(hào)無(wú)法滿足寬頻帶、高聲壓級(jí)要求的問(wèn)題，可采用不同類(lèi)型的揚(yáng)聲器組合聲源系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量的方式，但其體積較大，需采用過(guò)渡管道與測(cè)試管道連接。不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)渡管道與聲源系統(tǒng)組合，形成的聲阻抗發(fā)生變化，對(duì)輸出的聲學(xué)信號(hào)造成干擾，使得最終輸出的噪聲信號(hào)頻譜特性隨機(jī)波動(dòng)，無(wú)法保證測(cè)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。為了盡可能地讓組合聲源系統(tǒng)輸出的聲源信號(hào)在較寬頻帶內(nèi)具有均勻的能量分布，必須對(duì)聲源的輸入信號(hào)進(jìn)行修正。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)消聲器聲學(xué)性能測(cè)試臺(tái)架的聲源系統(tǒng)多采用單一噪聲源發(fā)生器，對(duì)于不同工況下，噪聲干擾和修正的研究并無(wú)詳細(xì)文獻(xiàn)研究。HOLLANDD等[1-2]在傳遞函數(shù)法的基礎(chǔ)上采用了“正弦掃頻激勵(lì)”，克服了使用隨機(jī)白噪聲因管道突變所造成信噪比較差的問(wèn)題和聲波在傳播過(guò)程中出現(xiàn)非線性的影響，但需分頻段激勵(lì)，過(guò)程繁瑣。LUNG等[3]設(shè)計(jì)了“Y”形結(jié)構(gòu)的單旁邊支聲源系統(tǒng)并以快速正弦掃頻信號(hào)作為激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)了在有流條件下，以時(shí)間平均瞬時(shí)測(cè)試技術(shù)計(jì)算消聲器的傳遞矩陣，但因其單一種類(lèi)聲源的特性，其測(cè)試頻率局限于1 000 Hz。JOHNSTON等[4]將測(cè)試管道與高保真揚(yáng)聲器直接相連作為聲源系統(tǒng)，以離散頻率信號(hào)作為激勵(lì)源研究穿孔消聲器的聲學(xué)性能，達(dá)到降低激勵(lì)信號(hào)的失真程度的目的。但因管壁的穿孔結(jié)構(gòu)，在高速氣流工況下，產(chǎn)生較大的氣流噪聲，導(dǎo)致較差的信噪比。重慶大學(xué)李政[5]在對(duì)消聲器綜合性能試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)時(shí)，利用低、中頻揚(yáng)聲器組合的方式，并通過(guò)高階參數(shù)均衡算法，對(duì)輸出的聲信號(hào)進(jìn)行均衡處理，基本滿足了臺(tái)架對(duì)聲音信號(hào)的要求，但需進(jìn)行分頻段濾波。東北大學(xué)范文博[6]為研究插入管抗性消聲器在有流、高溫工況下的消聲性能，搭建了消聲器綜合性能試驗(yàn)臺(tái)架，利用噪聲發(fā)生器激發(fā)相應(yīng)頻率的噪聲，再經(jīng)過(guò)功率發(fā)大器驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器產(chǎn)生模擬噪聲源。為保證信號(hào)盡可能無(wú)衰減地傳輸?shù)綔y(cè)試管道，設(shè)計(jì)兩個(gè)揚(yáng)聲器對(duì)稱固定在主管道的兩側(cè)，可產(chǎn)生均勻聲場(chǎng)，減小氣流再生噪聲的影響，降低測(cè)量誤差。

本文在設(shè)計(jì)高溫、有流工況下的消聲器試驗(yàn)臺(tái)架過(guò)程中，為避免在有流工況下，風(fēng)機(jī)所引起的寬頻帶階次噪聲對(duì)管道聲學(xué)信號(hào)的影響和保證聲源信號(hào)聲壓級(jí)滿足測(cè)試要求，根據(jù)揚(yáng)聲器的聲學(xué)性能，采用低、中頻揚(yáng)聲器組合聲源的形式。低頻揚(yáng)聲器體積較大，需采用過(guò)度錐管與中頻揚(yáng)聲器相連, 再利用過(guò)渡直管與測(cè)試管道垂直連接。為解決過(guò)渡管道所引起的聲阻抗變化導(dǎo)致最終輸入測(cè)試管道的聲學(xué)信號(hào)受到干擾的問(wèn)題，運(yùn)用四傳感器法測(cè)量管道聲阻抗，根據(jù)管道的傳遞矩陣，以隨機(jī)白噪聲為激勵(lì)源輸出的管口噪聲作為輸出聲壓信號(hào)，提取組合聲源系統(tǒng)的輸入聲壓信號(hào)，對(duì)聲源組合系統(tǒng)進(jìn)行聲音信號(hào)補(bǔ)償。該方法有效地消除了過(guò)渡管道布置方式對(duì)聲信號(hào)的衰減和信號(hào)之間的相互干擾，最終得到了理想的噪聲信號(hào)。

1 消聲器聲學(xué)性能測(cè)試臺(tái)架結(jié)構(gòu)

圖1為本文設(shè)計(jì)的消聲器聲學(xué)性能測(cè)試臺(tái)架示意圖，試驗(yàn)臺(tái)架由風(fēng)機(jī)1、加熱器2、前消聲器3、傳聲器6、阻抗管7、待測(cè)消聲器8、吸聲末端9等組成。為滿足高精度聲學(xué)測(cè)試試驗(yàn)的要求，在經(jīng)過(guò)合理的過(guò)渡管道設(shè)計(jì)后[5]，根據(jù)低頻揚(yáng)聲器4和中頻揚(yáng)聲器5不同的聲學(xué)特性，將其組合作為臺(tái)架的聲源系統(tǒng)。

圖1 消聲器聲學(xué)性能測(cè)試臺(tái)架

不同管道設(shè)計(jì)的聲源系統(tǒng)的聲學(xué)特性差別很大，直通式和旁支式聲源是消聲器性能測(cè)試臺(tái)架常用的聲源布置形式[7]。本文設(shè)計(jì)的組合聲源系統(tǒng)采用過(guò)渡錐管將體積較大的低頻揚(yáng)聲器和中頻揚(yáng)聲器相連。旁支式聲源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳聲損失曲線變化平穩(wěn)，傳聲效果優(yōu)于直通式聲源，故選用旁支式聲源的布置形式，將組合聲源系統(tǒng)通過(guò)直管垂直布置在測(cè)試管道。為保證組合聲源系統(tǒng)在指定頻率范圍內(nèi)提供頻譜特性穩(wěn)定的聲學(xué)信號(hào)，通過(guò)阻抗管，利用四傳感器法測(cè)量組合聲源系統(tǒng)中過(guò)渡管道的聲阻抗。阻抗是系統(tǒng)的固有屬性，在給定理想輸出聲壓信號(hào)的情況下，利用過(guò)渡管道傳遞矩陣提取聲源系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的輸入聲壓信號(hào)，再利用MATLAB軟件編寫(xiě)的程序，將得到聲壓通過(guò)快速傅里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的音頻信號(hào)，以此作為聲源組合系統(tǒng)的噪聲信號(hào)，達(dá)到聲音信號(hào)補(bǔ)償修正的目的，最終實(shí)現(xiàn)噪聲信號(hào)在全頻段內(nèi)平穩(wěn)波動(dòng)。

2 噪聲信號(hào)修正理論模型

2.1 高階參數(shù)均衡器算法

組合聲源系統(tǒng)對(duì)聲音信號(hào)造成的非線性影響可通過(guò)設(shè)計(jì)高階參數(shù)均衡器來(lái)修改信號(hào)中的特定頻率成分占比。巴特沃斯濾波器在其通帶和阻帶都有平坦的幅度響應(yīng)，因此在對(duì)聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行修正時(shí)，常以其為首選原型設(shè)計(jì)高階參數(shù)均衡器。其原型濾波器可由式(1)的幅度平方函數(shù)來(lái)描述：

根據(jù)待修正的聲學(xué)信號(hào)頻譜的陡峭程度，合理設(shè)計(jì)高階均衡器參數(shù)。利用雙線性變換法[8]，實(shí)現(xiàn)模擬濾波器到數(shù)字濾波器的轉(zhuǎn)換，最終達(dá)到聲源信號(hào)在全頻段內(nèi)平穩(wěn)波動(dòng)的效果。

2.2 傳遞函數(shù)法提取聲阻抗理論

四傳感器聲波分解法測(cè)量管道聲學(xué)特性提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的頻帶范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)和準(zhǔn)確性[8]。圖2為試驗(yàn)裝置示意圖。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

傳遞函數(shù)能夠降低記錄信號(hào)中的隨機(jī)流噪聲，因此本文基于傳遞函數(shù)測(cè)量聲源組合系統(tǒng)的聲阻抗，給定截面的聲阻抗定義為

2.3 基于管道傳遞矩陣補(bǔ)償聲源信號(hào)

本文中，所使用的是等截面管道，在不考慮由于氣體和剛性壁面間摩擦引起的聲能損耗的情況下，等截面直管道的四級(jí)參數(shù)可表示為

其中，為波數(shù)，為參考點(diǎn)和負(fù)載截面處的距離，為聲速，為管道截面面積。

本文聲源補(bǔ)償試驗(yàn)裝置是利用等截面過(guò)渡管道將測(cè)試管道和組合聲源系統(tǒng)連接起來(lái)，忽略直管長(zhǎng)度對(duì)測(cè)量阻抗精度的影響，以聲源組合系統(tǒng)作為輸入端，管口噪聲作為輸出端，整個(gè)連接結(jié)構(gòu)可當(dāng)作等截面管道系統(tǒng)，可直接利用式(3)進(jìn)行聲源補(bǔ)償，其表達(dá)式為

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 聲阻抗提取試驗(yàn)

根據(jù)2.3節(jié)理論分析設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，運(yùn)用四傳感器法在阻抗管試驗(yàn)臺(tái)架上提取聲源組合系統(tǒng)的阻抗，圖3為管道阻抗提取試驗(yàn)裝置示意圖，試驗(yàn)所需設(shè)備如表1所示。

圖3 管道聲阻抗提取試驗(yàn)裝置

表1 試驗(yàn)所需設(shè)備

3.2 聲源組合系統(tǒng)直管輸出性能測(cè)試

在對(duì)組合聲源系統(tǒng)進(jìn)行聲補(bǔ)償之后，還需要對(duì)其輸出信號(hào)的頻譜特性進(jìn)行檢測(cè)。以管口的輸出聲壓級(jí)作為聲源組合系統(tǒng)頻響曲線的評(píng)價(jià)指標(biāo)，將修正前后的噪聲信號(hào)輸入組合聲源系統(tǒng)，采集管口噪聲并進(jìn)行頻譜分析。最后，為了檢驗(yàn)修正前后的聲學(xué)信號(hào)對(duì)消聲器測(cè)量精度的影響，分別用均衡器算法和本文設(shè)計(jì)的聲阻抗修正聲學(xué)信號(hào)的方法得到噪聲源來(lái)作為激勵(lì)源對(duì)擴(kuò)張腔進(jìn)行傳遞損失測(cè)試，管口噪聲測(cè)試和消聲器傳遞損失測(cè)量裝置如圖4和圖5所示。

圖4 管口噪聲測(cè)試裝置

圖5 消聲器傳遞損失測(cè)試臺(tái)架

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 聲源輸出信號(hào)修正效果

利用隨機(jī)白噪聲作為測(cè)試臺(tái)架的激勵(lì)源，輸入未經(jīng)修正的組合聲源系統(tǒng)，采集管口的噪聲信號(hào)，所得的噪聲頻譜特性如圖6所示。由圖6可知，未經(jīng)修正的組合聲源系統(tǒng)因過(guò)渡管道的阻抗變化，反射波對(duì)組合信號(hào)產(chǎn)生了干擾，導(dǎo)致輸出的聲信號(hào)的頻譜特性不均勻，其聲壓級(jí)隨頻率的波動(dòng)較大，頻響曲線的起伏較大，對(duì)于消聲量較大的消聲元件，將無(wú)法滿足基本試驗(yàn)要求，必須對(duì)聲源組合系統(tǒng)進(jìn)行修正，得到滿足試驗(yàn)要求的理想噪聲信號(hào)。

圖6 未經(jīng)修正的管口噪聲信號(hào)

為突出本文提出基于聲阻抗修正聲學(xué)信號(hào)方法的高效性，本文利用MATLAB中的FDATool工具箱設(shè)計(jì)高階參數(shù)均衡器[13]對(duì)聲源信號(hào)進(jìn)行修正，與利用四傳感器提取聲源阻抗和管道傳遞矩陣對(duì)聲信號(hào)修正進(jìn)行對(duì)比，兩者修正后得出的管口噪聲頻譜圖和頻譜圖分別如圖7和圖8所示。

由以上分析結(jié)果可知，利用高階參數(shù)均衡器對(duì)組合聲源信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)后，在測(cè)試頻段范圍內(nèi)管口整體聲壓級(jí)波動(dòng)較為平坦。低、中頻信號(hào)同時(shí)輸出時(shí)，管口的聲壓級(jí)曲線在50～2 500 Hz頻率范圍內(nèi)存在著±10 dB的波動(dòng)，在2 500～3 200 Hz頻率范圍內(nèi)，聲壓級(jí)浮動(dòng)較大，但基本能滿足測(cè)試試驗(yàn)要求，調(diào)節(jié)過(guò)程中需分段調(diào)節(jié)，操作繁瑣。相比傳統(tǒng)高階參數(shù)均衡器調(diào)節(jié)，利用四傳感器提取聲源系統(tǒng)的表面阻抗，根據(jù)式(4)傳遞矩陣求得噪聲源，對(duì)最終聲學(xué)信號(hào)補(bǔ)償?shù)男Ч黠@更優(yōu)，修正后得到的管口噪聲在整個(gè)測(cè)試頻率范圍內(nèi)波動(dòng)平穩(wěn)，功率分布均勻，達(dá)到了聲源修正的目的，輸出的聲信號(hào)符合試驗(yàn)要求。

圖7 參數(shù)均衡器修正后的管口噪聲信號(hào)

圖8 利用聲阻抗修正后的管口信號(hào)

4.2 消聲器傳遞損失測(cè)量結(jié)果

在消聲器試驗(yàn)臺(tái)架上分別用修正前后的聲信號(hào)作為激勵(lì)源對(duì)擴(kuò)張腔進(jìn)行傳遞損失測(cè)試[14]，試驗(yàn)結(jié)果如圖9、10所示。

從圖9、10中可知，以未經(jīng)修正的聲學(xué)信號(hào)作為消聲器聲學(xué)性能測(cè)試的激勵(lì)源，最終得到的傳遞損失曲線出現(xiàn)非周期性震蕩，與理論值相差較大，無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)擴(kuò)張腔的消聲量，對(duì)后期消聲器設(shè)計(jì)無(wú)法提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)指導(dǎo)。利用高階參數(shù)均衡器和管道聲阻抗對(duì)組合聲源系統(tǒng)的聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行修正，得到的傳遞損失曲線與理論值吻合，消除了由阻抗變化所引起的誤差。對(duì)比傳遞損失誤差曲線如圖11所示。

與傳統(tǒng)的高階參數(shù)均衡調(diào)節(jié)相比，當(dāng)未對(duì)組合聲源系統(tǒng)進(jìn)行修正時(shí)，傳遞損失誤差出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，利用高階均衡器算法和本文提出的修正方法補(bǔ)償聲源，誤差減小、波動(dòng)平穩(wěn)，且本文提出的修正方法效果更優(yōu)，全頻段誤差較小，可忽略不計(jì)，證明了該修正方法的可行性。

圖9 未修正信號(hào)測(cè)量的擴(kuò)張腔傳遞損失

圖10 信號(hào)修正后測(cè)量的擴(kuò)張腔傳遞損失

圖11 不同信號(hào)測(cè)量傳遞損失的誤差曲線

5 結(jié)論

本文利用消聲器聲學(xué)性能試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)聲源系統(tǒng)的聲學(xué)特性進(jìn)行了研究。根據(jù)各類(lèi)揚(yáng)聲器聲學(xué)特性，按照測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)架的需求，選定了低頻揚(yáng)聲器和中頻揚(yáng)聲器組合而成的聲源系統(tǒng)，利用過(guò)渡管道與測(cè)試管道垂直連接的方式，導(dǎo)致組合后的聲源系統(tǒng)的聲學(xué)特性發(fā)生了變化。運(yùn)用四傳感器法測(cè)量管道聲阻抗，再根據(jù)管道傳遞矩陣對(duì)聲源組合系統(tǒng)進(jìn)行聲學(xué)補(bǔ)償。得到以下結(jié)論：

(1) 單一噪聲源發(fā)生器，輸出的聲學(xué)信號(hào)無(wú)法滿足寬頻帶、高聲壓級(jí)要求，本文設(shè)計(jì)的組合聲源系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)較寬的測(cè)試的頻率范圍，滿足基本的試驗(yàn)測(cè)試需求。

(2) 與利用高階參數(shù)均衡器算法對(duì)聲源信號(hào)進(jìn)行均衡處理相比，本文中利用四傳感器提取聲源系統(tǒng)的聲阻抗，根據(jù)管道傳遞矩陣對(duì)聲源信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男Ч鼉?yōu)，使得最終輸出的噪聲信號(hào)在全頻段波動(dòng)平穩(wěn)，消除了因過(guò)渡管道阻抗突變引起的管道聲學(xué)特性改變的影響，得到滿足試驗(yàn)要求的聲學(xué)信號(hào)。

(3) 本文提出的修正算法可消除因過(guò)渡管道所引起的誤差，以修正后的聲源信號(hào)作為消聲器試驗(yàn)臺(tái)架的激勵(lì)源，進(jìn)行擴(kuò)張腔的消聲性能試驗(yàn)，得出的傳遞損失曲線與理論值吻合，誤差值較小，證明了本文提出的修正方法的可行性。

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A noise signal correction method for muffler transmission loss measurement with combined sound source

XIE Li-ping1, LU Chi-hua1, LIU Zhi-en1,2, FU You-ming1, ZHU Ya-wei1

(1. Hubei Key Laboratory of Advanced Technology of Automotive Components, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, Hubei, China;2. Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology, Wuhan 430070, Hubei, China)

For some mufflers with high transmission loss, the single noise source generator of existing white noise test equipment cannot meet the test requirements of the noise reduction amount. In this paper, the acoustic performance of muffler is tested by the combination of low frequency and medium frequency noise generators and the vertical connection between the transition pipe and the test pipe. In order to solve the problem of random fluctuation of the spectral characteristics of output noise signal, which is caused by the change of acoustic impedance at the junction of the transition pipeline and the combined sound source system, a correction method for combining noise signals is proposed. This method is based on the four-sensor method to measure the acoustic impedance of the transition pipeline. According to the transfer matrix of transition pipeline, the noise at the pipe orifice, which is the output of a random white noise excitation source, is used as the output sound pressure signal to obtain the input sound pressure signal of the combined sound source system and realize the sound signal compensation of the system. The experimental results show that compared with the traditional equalizer adjustment method, this method can achieve a stable sound pressure signal output in a wide range of test frequencies and the noise signal obtained meets the test requirements. Secondly, the acoustic signal before and after the correction is used to measure the transmission loss of the expansion cavity. The measured curve after correction is in good agreement with the theoretical one, which proves the feasibility of this method.

noise source; transmission loss; acoustic impedance; transfer matrix; sound signal compensation

TB535+.2

A

1000-3630(2019)-04-0440-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.04.014

2019-01-09;

2019-03-29

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFD0700704B) 國(guó)家自然基金(51575410)

謝麗萍(1994－), 女, 福建龍巖人, 碩士, 研究方向?yàn)檎?chē)NVH噪聲與振動(dòng)控制。

劉志恩,E-mail: lzen@whut.edu.cn