基于聲陣列技術(shù)的汽車噪聲源識別試驗研究

1、基于聲陣列技術(shù)的汽車噪聲源識別試驗研究第28卷第6期振動與沖擊JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK基于聲陣列技術(shù)的汽車噪聲源識別試驗研究司春棣,陳恩利,楊紹普,王翠艷(石家莊鐵道學(xué)院交通環(huán)境與安全工程研究所河北省重點(diǎn)實驗室,石家莊050043)摘要:聲陣列技術(shù)通過多個傳聲器獲取聲場信息,使用波束形成原理對聲場信號進(jìn)行處理,能對寬帶聲源進(jìn)行有效識別.利用基于波束形成的聲陣列噪聲源分析技術(shù),研究了汽車輻射噪聲的頻率特性和能量分布特性,通過與光學(xué)圖像的自動重疊,獲得了汽車整車最大噪聲源的頻率,空間位置及產(chǎn)生來源.試驗結(jié)果表明,聲陣列技術(shù)能夠快速有效地進(jìn)行噪聲源診斷和聲源空間定位,為汽

2、車的噪聲控制提供了科學(xué)依據(jù).關(guān)鍵詞:波束形成;聲陣列;汽車;噪聲源識別中圖分類號:U467.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A汽車噪聲是一種重要的環(huán)境污染源,不僅影響車內(nèi)成員的乘坐舒適性,也是公路交通噪聲的主要來源.汽車噪聲也在很大程度上反映出生產(chǎn)廠家的設(shè)計水平及工藝水平,成為衡量汽車質(zhì)量的重要標(biāo)志之一,因此有效地控制噪聲,成為近年來汽車行業(yè)的一個重要研究課題.要控制噪聲,首先必須找出其主要噪聲源.汽車是一個高速運(yùn)動的復(fù)雜組合式噪聲源,汽車發(fā)動機(jī)和傳動系工作時產(chǎn)生的振動,高速行駛中汽車輪胎在地面上的滾動,車身與空氣的作用,是產(chǎn)生汽車噪聲的根本原因.按噪聲產(chǎn)生的過程和原理,汽車噪聲主要包括發(fā)動機(jī)噪聲,排氣系統(tǒng)噪聲

3、,風(fēng)扇噪聲,傳動系統(tǒng)噪聲,輪胎噪聲,制動噪聲,氣動噪聲等.這幾種主要的噪聲源按照能量疊加原則進(jìn)行聲壓合成,從而形成總的聲壓級向外傳播,也就是說,用常規(guī)的聲級計測得的汽車噪聲是不同的發(fā)聲源疊加合成的結(jié)果,噪聲的聲學(xué)特性決定了汽車噪聲主要取決于最大噪聲源噪聲大小.噪聲源的識別方法很多,本文利用聲陣列技術(shù),采用國際最先進(jìn)的BBMPAK一噪聲測試系統(tǒng),對某型汽車的噪聲特性進(jìn)行分析,找出主要噪聲源的空間位置和頻率特性,為進(jìn)一步開展整車降噪工作奠定了基礎(chǔ).1噪聲源主要識別方法噪聲源的識別就是在同時有許多噪聲源或包含許多振動發(fā)聲部件的復(fù)雜聲源情況下,為了確定各個聲源或振動部件的聲輻射性能,區(qū)分并確定主要噪聲

4、源并根據(jù)它們對聲場的作用加以分析而進(jìn)行的測量與研究.利用現(xiàn)代檢測技術(shù),準(zhǔn)確識別主要聲源的部位,頻率等特征,從聲源上有針對性地采取有效措施進(jìn)行降噪,可以大大減輕噪聲治理的工作量,對促進(jìn)生產(chǎn)低噪基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(10672107)收稿日期:20081015第一作者司春棣女,博士,講師,1980年生通訊作者陳恩利男,教授,1959年生聲產(chǎn)品研制,提高產(chǎn)品質(zhì)量和壽命有直接的效果.所以,噪聲源的識別是整個噪聲控制的根本,噪聲測量的一項重要內(nèi)容就是估計和尋找產(chǎn)生噪聲的聲源.目前國內(nèi)外對車輛噪聲測試所采用的方法主要有聲壓法,聲功率法,聲強(qiáng)法,近場聲全息法等.聲壓法:聲壓是最基本的聲學(xué)量,也

5、是評價噪聲的最基本的量.它是標(biāo)量,不需要考慮方向,并且當(dāng)前聲壓測量儀器的發(fā)展也比較成熟.從聲壓角度研究噪聲的最大缺點(diǎn)是聲壓在測量中容易受背景噪聲和聲反射的影響,因此對測量環(huán)境要求較高,只有在消聲室或半消聲室中進(jìn)行測量才能得到比較滿意的結(jié)果.聲功率法:聲學(xué)測量中聲功率測量占有重要地位.聲功率的測量需要在特定的聲學(xué)環(huán)境里直接測量聲壓,再得出聲功率級,同樣對環(huán)境的要求比較高,一般需在消聲或半消聲室內(nèi)進(jìn)行.聲強(qiáng)法:聲強(qiáng)法的創(chuàng)新點(diǎn)在于注意并利用了被丟失的聲壓相位信息,利用聲強(qiáng)的矢量特性,降低了對測量現(xiàn)場聲學(xué)環(huán)境的要求,并能夠反映聲級的大小,聲能的流動方向,主聲源的位置,聲輻射面聲強(qiáng)分布規(guī)律等特征,這對于

6、在現(xiàn)場作噪聲源輻射聲功率的測量具有很大的優(yōu)越性.然而由于受到聲強(qiáng)儀造價的限制,目前聲強(qiáng)測試法只能用于單點(diǎn)測量,對于整個輻射面的噪聲特性來說,測試完成需要相當(dāng)長的時間,此外,也無法實現(xiàn)過渡工況或瞬態(tài)工況噪聲特性的測量J.近場聲全息法:近年來,由于計算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的提高,近場聲全息技術(shù)也在機(jī)動車噪聲測量中得到了實際應(yīng)用.聲全息技術(shù)不僅利用了聲信號的強(qiáng)度信息,而且利用了聲信號的相位信息,因而具有一些其他噪聲識別技術(shù)所不具備的特點(diǎn).它抗干擾性較強(qiáng),能夠在較大的背景噪聲下準(zhǔn)確地識別機(jī)動車表面的主要噪聲源,并且能夠分析出各個主要噪聲源的頻率特性.然而,嚴(yán)格意義上的聲全息是在近場完成,因而受到了輻射面幾何

7、特征的限制,同時,近場聲全息亦無法實現(xiàn)運(yùn)動物體噪聲特性的測量,這對于機(jī)動車而言,顯l72振動與沖擊2009年第28卷然是非常不利的.文中采用了一種新的噪聲測試技術(shù)聲陣列技術(shù)用以研究汽車的噪聲特性.該測試技術(shù)中傳聲器陣列是由許多傳聲器按一定的方式排列組成的陣列,具有強(qiáng)指向性,通過分布在安裝不同方位的傳聲器陣列獲取聲場信息,使用波束形成(Beamforming)原理對聲場信號進(jìn)行處理,能對寬帶噪聲源進(jìn)行有效識別,可用來測定聲源的空間分布,即求出聲源的位置和強(qiáng)度.較之聲強(qiáng)測試技術(shù),它可以同時給出被測物體全場同一時刻的聲學(xué)特性,可用于機(jī)動車過渡工況噪聲特性的測量,可對高速運(yùn)動的聲源(如高速行駛的汽車,

8、火車,飛機(jī))進(jìn)行測量,并且這種測量可以在線完成.本文利用聲陣列技術(shù)對某型汽車的噪聲特性進(jìn)行了研究,找出主要噪聲源的空間位置,并對其頻譜特性進(jìn)行了分析.2聲陣列技術(shù)基本原理聲陣列技術(shù),利用聲波波束形成原理處理聲源信號,在測得噪聲信號的聲壓級同時,通過”延遲.累加”算法得到信號源的空問位置或指向,進(jìn)而能夠得到整個輻射表面的不同發(fā)聲信號源位置.圖1表示了聲陣列技術(shù)的基本原理J.設(shè)在空問存在一個強(qiáng)度為.,)的噪聲源和一個由多個傳聲器組成的陣列,由聲源至每個傳聲器的距離為I,則聲信號自聲源傳至各)=】(3)式中:d為傳聲器之間的當(dāng)量距離;為聲波入射角(即空間相位角);A為所測信號的波長;N為陣列系統(tǒng)中傳

9、聲器個數(shù).3汽車噪聲源聲陣列法測試3.1測試聲學(xué)環(huán)境為了能準(zhǔn)確地識別試驗車的主要噪聲源,測量時將該車駛?cè)朐囼瀳龅?在室外的空曠場是由傳聲器的數(shù)目,距離和布置形式等決定的.,)?圖1聲陣列技術(shù)的基本原理根據(jù)公式(1),則空間某點(diǎn)一定時問內(nèi)的有效聲壓值為,_Il一()()()(2)上述方法決定了所采用的波束形成技術(shù)對于測量信號有非常強(qiáng)的指向性,從而可以實現(xiàn)對物體輻射噪聲的全場測量和空間位置的分辨.指向性特征是由歸一化衰減因子所表征的,在不同聲波入射角度下,指向性靈敏度:本試驗采用德國生產(chǎn)的BBMPAKII聲強(qiáng)測試系統(tǒng),測試系統(tǒng)由電腦,數(shù)據(jù)采集和傳聲器陣列3部分組成,如圖2所示.傳聲器陣列采用了螺旋

10、型陣列,這種布置形式采用了傳聲器的不等距布置技術(shù),重建的聲場特性的信噪比較之等距布置的傳聲器陣列要高.為了保證測試的準(zhǔn)確性,在試驗開始前現(xiàn)場采用MI一0600標(biāo)準(zhǔn)聲壓發(fā)生器對該套測試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn).為便于確定主要噪聲源的空問位置,布置了一個USB接口自動掃描攝像的數(shù)碼照相機(jī),能自動進(jìn)行被測物影像拍攝,以獲得被測試驗車的光學(xué)圖像,光學(xué)圖圖2聲陣列現(xiàn)場測試圖第6期司春棣等:基于聲陣列技術(shù)的汽車噪聲源識別試驗研究173像可與所獲得的聲學(xué)圖像嚴(yán)格重疊,從而可以迅速地給出噪聲源的空間信息,實時記錄不同聲強(qiáng)的聲源所在,這在聲源識別中有重要意義.這一測試系統(tǒng)具有測試速度快,可同時跟蹤多種參數(shù),能夠在線顯示各工

11、況,各頻段下的噪聲源分布圖,并形成聲學(xué)電影,能夠在線或離線進(jìn)行聲音的回放,監(jiān)聽等特點(diǎn).3.4測試過程(1)安裝德國BBM噪聲測試系統(tǒng),將導(dǎo)線的一頭對應(yīng)地連接到傳聲器陣列上(本試驗陣列由32個傳聲器組成,導(dǎo)線一共3組,安裝時注意對應(yīng)好相應(yīng)的傳聲器陣列上的通道),將導(dǎo)線的另一頭連接到BBM測試系統(tǒng)的對應(yīng)的通道上,用網(wǎng)線將PAK系統(tǒng)和計算機(jī)相連.(2)接通電源,打開計算機(jī)觀察測試系統(tǒng)是否與其連接成功,同時打開傳聲器陣列上的攝像頭蓋子,對測試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn).(3)將傳聲器陣列正向?qū)?zhǔn)車身的右側(cè),盡量保證傳聲器陣列上的攝像頭可以照到整個車身,而且還要保證傳聲器陣列與汽車的距離不會太遠(yuǎn).(4)啟動汽車將其工

12、作在怠速工況下,30s后,等到汽車穩(wěn)定工作在怠速工況下試驗開始,點(diǎn)擊PAK系統(tǒng)中的”START”進(jìn)行測量,10s后測量結(jié)束,進(jìn)行數(shù)據(jù)保存.圖3為傳聲器陣列測試噪聲源的界面圖,圖中顯示為32個通道聲壓測試結(jié)果,橫坐標(biāo)噪聲頻率,縱坐標(biāo)為測試時間和聲壓級.測試持續(xù)時間為10s,隨著時間的增長,每個通道的藍(lán)色流量將不斷增加,當(dāng)藍(lán)色填充滿通道時,測試結(jié)束.(5)重復(fù)步驟(4),獲得第二次試驗數(shù)據(jù).(6)對比兩次測量結(jié)果,得出較滿意的數(shù)據(jù)結(jié)果,如果數(shù)據(jù)不理想可以嘗試移動傳聲器陣列的位置,重新測量數(shù)據(jù).圖3PAK軟件系統(tǒng)的界面3.5測試結(jié)果與分析本次試驗中選取了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速分別為1500r/min,3000r

13、/min,4500r/min三種工況進(jìn)行測試.圖4所示為1500r/min時,聲陣列測試系統(tǒng)所給出的測量時間段內(nèi)該試驗車噪聲源聲壓分布的坎布爾圖,橫坐標(biāo)代表噪聲頻率,左側(cè)的縱坐標(biāo)為測試時間,右側(cè)的縱坐標(biāo)為噪聲的聲壓級.從圖中可以看出,高噪聲輻射能量主要集中于400Hz2000Hz的頻率段內(nèi),其中具有最高聲輻射能量的頻率點(diǎn)為987.5Hz,所對應(yīng)的聲壓級為84.2dB(A).因此,確定該頻率所對應(yīng)的噪聲源的位置和來源是進(jìn)一步采取正確降噪措施的前提o200040006000800010oooHz圖4發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min時坎布爾圖圖5為由聲陣列測試系統(tǒng)所獲得的,以987.5Hz頻率為中心頻

14、率進(jìn)行聲源定位的結(jié)果.可以看出,圖中所顯示的聲壓級最高點(diǎn)位于發(fā)動機(jī)靠近駕駛室處,這說明發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的噪聲向上輻射,通過車機(jī)蓋與擋風(fēng)玻璃結(jié)合處的通風(fēng)口排出,因此根據(jù)聲壓分布結(jié)果,結(jié)合發(fā)動機(jī)在汽車的安裝位置,認(rèn)為該頻率對應(yīng)的噪聲源為發(fā)動機(jī).一0.6.0.40.200.20.4圖5發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min時噪聲源位置圖6所示為3000r/min時,聲陣列測試系統(tǒng)所給出的測量時間段內(nèi)該試驗車噪聲源聲壓分布的坎布爾圖,從圖中可以看出,高噪聲輻射能量主要集中于0Hz500Hz的頻率段內(nèi),其中具有最高聲輻射能量的頻率點(diǎn)為406.25Hz,所對應(yīng)的聲壓級為51.8dB(A).鯽加卯如加m098765432

15、1O%勰勰4321O1234OOOO174振動與沖擊2009年第28卷圖7為由聲陣列測試系統(tǒng)所獲得的,以406.25Hz頻率為中心頻率進(jìn)行聲源定位的結(jié)果.此時的聲壓級最高點(diǎn)位于發(fā)動機(jī)靠下前右輪處,這說明發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的噪聲向下輻射,結(jié)合地面反射,在前右輪后部達(dá)到最大聲壓級,可以認(rèn)為該頻率對應(yīng)的噪聲源也為發(fā)動機(jī).Hz圖6發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min時坎布爾圖圖7發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min時噪聲源位置當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提升達(dá)到4500r/rain,由圖8所示的聲陣列測試系統(tǒng)所給出的測量時間段內(nèi)該試驗車噪聲源聲壓分布的坎布爾圖可以看出,在0Hz300Hz的低頻頻段內(nèi),高噪聲輻射能量比較集中,其中具

16、有最高聲輻射能量的頻率點(diǎn)為162.5Hz,所對應(yīng)的聲壓級為74.9dB(A),這說明汽車的懸架系統(tǒng)等可能產(chǎn)生了振動,形成了聲固耦合,有待進(jìn)行相關(guān)振動測試,做進(jìn)一步研究.圖8發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為4500r/min時坎布爾圖圖9為由聲陣列測試系統(tǒng)所獲得的,以162.5Hz頻率為中心頻率進(jìn)行聲源定位的結(jié)果.可以看出,此時的聲壓級最高點(diǎn)位于試驗車右前側(cè)的地面處,此時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速很高,輸出功率很大接近極大值,發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的噪聲向下輻射至地面并產(chǎn)生反射,在前右輪右前側(cè)達(dá)到最大聲壓級,同樣可以認(rèn)為該頻率對應(yīng)的噪聲源主要為發(fā)動機(jī).O.60.4.0.200.20.4圖9發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為4500r/min時噪聲源位置汽車正常行駛

17、時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速通常不會達(dá)到3000r/rain甚至4500r/min,根據(jù)噪聲源測試結(jié)果,此時的噪聲主要表現(xiàn)為對外界環(huán)境產(chǎn)生噪聲影響的車外噪聲,而當(dāng)汽車正常行駛時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速通常在3000r/rain以下,根據(jù)噪聲源測試顯示的位置和頻譜特性,此時的噪聲輻射會對駕駛室內(nèi)的乘坐舒適性產(chǎn)生影響,因此根據(jù)試驗得出的具體噪聲源,結(jié)合對應(yīng)的頻率特性,進(jìn)一步研究降低發(fā)動機(jī)噪聲具有重要的實用意義.此外還可以看出,將聲陣列技術(shù)用于汽車噪聲源識別研究時,具有獨(dú)到的優(yōu)勢,可以迅速,準(zhǔn)確地識別出噪聲源產(chǎn)生的位置,并分析出噪聲源的頻譜特性,為降低噪聲而有針對性地制定技術(shù)路線奠定了基礎(chǔ),使快速取得降噪效果成為可能.4結(jié)論(1

18、)由不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的坎布爾圖和噪聲源識別結(jié)果表明,當(dāng)?shù)娃D(zhuǎn)速時,噪聲源主要包含了高頻能量;當(dāng)高轉(zhuǎn)速時,噪聲源主要包含了低頻能量,這時有可能引起聲固耦合現(xiàn)象,有待進(jìn)一步研究,根據(jù)聲源診斷結(jié)果可以判定噪聲主要為發(fā)動機(jī)噪聲.(2)利用基于波束形成技術(shù)的聲陣列系統(tǒng),重建了相應(yīng)頻率下的全場聲壓分布特性.研究結(jié)果表明,基于傳聲器陣列的測量技術(shù)能夠有效識別某型汽車的噪聲源,并得到了聲源的頻率特性和聲壓級大小,為該型車的噪聲控制提供了科學(xué)依據(jù).(下轉(zhuǎn)第190頁)21)98.(.,9876舢:嘗舳加如加如加振動與沖擊2009年第28卷測試卷曲能允許偏差為-4-25g?cm/cm,而圖5中的兩組試驗數(shù)據(jù)最大偏差為6

19、.39g?cm/em,我們設(shè)置的振動卷曲能的報警參數(shù)范圍是±10g-cm/cm,可見兩組數(shù)據(jù)相當(dāng)接近.數(shù)據(jù)的明顯變動是和絲束卷曲能目標(biāo)的變化以及卷曲機(jī)壓板壓力和對輥壓力調(diào)整相關(guān)的.表1列出了9A1在測試期間的卷曲機(jī)調(diào)整記錄,卷曲機(jī)的調(diào)整是根據(jù)卷曲能測試值的變化而進(jìn)行的,其間由于機(jī)械故障更換了臺卷曲機(jī).對比表1和圖5的時間,可以看出卷曲機(jī)的調(diào)整直接改變了振動數(shù)值,對于較大的壓板壓力變化,必須進(jìn)行重新標(biāo)定.隨著絲柬在卷曲機(jī)腔體內(nèi)不斷的摩擦,掉落的碎屑會影響腔體體積和摩擦系數(shù)等,而使卷曲能出現(xiàn)微小的變化,因此需要根據(jù)卷曲能測試數(shù)據(jù)對壓力進(jìn)行微調(diào)以保證卷曲能的平穩(wěn).卷曲輥壓力和上壓板壓力的調(diào)

20、整理論上可以根據(jù)歐拉公式調(diào)節(jié)兩者中的任何一個壓力,但實際操作時,卷曲輥壓力的變化是主要調(diào)節(jié)方向,這有利于絲束質(zhì)量的穩(wěn)定,是多年生產(chǎn)實踐得到的經(jīng)驗,正如表1調(diào)整記錄所示.系統(tǒng)將振動特征值表I9A1測試期間卷曲機(jī)調(diào)整記錄更換卷曲機(jī)(上接第174頁)參考文獻(xiàn)1BarsikowB,eta1.Wheel/RailNoiseGeneratedbyaHighspeedTrainInvestigatedwithaLineArrayofMicrophonesJ.JournalofSoundandVibration,1987,118(1):743749.2潘漢軍,李加慶,陳進(jìn),等.半自由場波疊加噪聲源識別方法研究

21、J.中國機(jī)械工程,2006,17(7):733736.3毛曉群,羅禹貢,楊殿閣,等.使用陣列技術(shù)識別高速行駛轎車的輻射聲源J.汽車技術(shù),2003,(9):69.4楊殿閣,等.運(yùn)動聲源的聲全息識別方法J.聲學(xué),2002,27(4):357362.5BrtihlS,RMerA.AcousticnoisesourcemodelingbasedOil和卷曲能關(guān)聯(lián)起來,在傳感器有效測量范圍內(nèi),無論是壓板壓力還是卷曲輥壓力發(fā)生變化,都可以根據(jù)系統(tǒng)輸出的振動卷曲能曲線來預(yù)測卷曲能的變化,并反過來指導(dǎo)壓力的調(diào)節(jié).10月5日到10月22日期間,卷曲機(jī)未進(jìn)行調(diào)整,取1O月11日到10月28目的數(shù)據(jù)計算標(biāo)準(zhǔn)差,可以

22、得到卷曲能平均值(振動數(shù)據(jù))的標(biāo)準(zhǔn)差為0.624,而物檢測試的卷曲能平均值標(biāo)準(zhǔn)差為1.517,顯然,振動數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)小于物檢測試數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差.4結(jié)論本文利用電渦流傳感器測量卷曲機(jī)振動信號,經(jīng)過建模和計算快速獲得煙用醋纖絲束卷曲能,并合作開發(fā)了一套卷曲機(jī)振動信號監(jiān)測系統(tǒng),在9A1生產(chǎn)線上進(jìn)行跟蹤測試,測試結(jié)果表明振動卷曲能和測試卷曲能變化趨勢一致,振動卷曲能數(shù)據(jù)比測試卷曲能數(shù)據(jù)更穩(wěn)定,卷曲機(jī)壓板受力變化可以迅速反映在振動卷曲能數(shù)據(jù)曲線上,該監(jiān)測系統(tǒng)可以作為卷曲機(jī)實時狀態(tài)監(jiān)測的一種新的有效手段.參考文獻(xiàn)1楊占平.煙用二醋酸纖維卷曲工藝探討J.煙草科技/煙草工藝,2001(9):912.2王軍,曹建華.提高煙用二醋酸纖維素絲束卷曲均勻性的研究J.煙草科技,1999(5):13一l5.3曹建華.填塞箱卷曲的形成過程,形成條件及填塞箱體應(yīng)力分步分析J.合成纖維,1995(3):2527.4