漢航NTS.LAB ACX聲學(xué)相機(jī)塊應(yīng)用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源定位

1介紹

降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲是提升汽車(chē)NVH性能的關(guān)鍵之一，而解決這一問(wèn)題的核心在于準(zhǔn)確識(shí)別主要的噪聲源。傳統(tǒng)的識(shí)別方法主要包括聲壓法、表面振動(dòng)法和聲強(qiáng)法等。聲壓法操作簡(jiǎn)便、效率高，但容易受到聲源位置和測(cè)試條件的影響，因此只能用于簡(jiǎn)單的噪聲源識(shí)別。表面振動(dòng)法能夠識(shí)別結(jié)構(gòu)輻射的噪聲源，但對(duì)通過(guò)空氣傳播的噪聲無(wú)效，同時(shí)測(cè)量易受振動(dòng)位置的限制。聲強(qiáng)法雖然對(duì)測(cè)試環(huán)境要求低，具備寬頻帶、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，但只能逐點(diǎn)掃描穩(wěn)定工況的噪聲源，測(cè)試耗時(shí)長(zhǎng)，效率較低。近年來(lái)，基于麥克風(fēng)陣列的聲源識(shí)別技術(shù)因其測(cè)量速度快、成像效率高、空間分辨率好，且能適用于穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)聲源的優(yōu)勢(shì)，在各類(lèi)工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

聲學(xué)相機(jī)是一種可以將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為可視化圖像的設(shè)備，通常由多個(gè)麥克風(fēng)陣列組成，通過(guò)拾取不同位置的聲波信號(hào)，結(jié)合波束形成算法或其他空間定位算法，生成聲源位置的圖像。聲學(xué)相機(jī)可用于快速定位噪聲源，特別適合復(fù)雜噪聲環(huán)境下的多源分析。

本文以汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲定位為例介紹漢航NTS.LAB ACX聲學(xué)相機(jī)模塊。發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲是一種典型的機(jī)械噪聲，主要包括以下幾類(lèi)：

①       空氣動(dòng)力學(xué)噪聲：由發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)氣體流動(dòng)、排氣系統(tǒng)引起的噪聲，頻率范圍較廣。

②       機(jī)械噪聲：由發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)、摩擦、振動(dòng)等引起，如活塞、曲軸、氣門(mén)等，通常在中高頻段。

③       結(jié)構(gòu)噪聲：發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，噪聲通過(guò)車(chē)體或其他部件結(jié)構(gòu)傳遞和輻射產(chǎn)生的噪聲。

④       爆燃噪聲：燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的爆燃或爆震所帶來(lái)的短時(shí)脈沖噪聲，頻率較高且隨機(jī)。

2陣列

通常情況下，陣列的波束若能有足夠窄的帶寬和較大的動(dòng)態(tài)范圍，則對(duì)于成像精度有顯著的提升。由“瑞利極限”可知陣列的帶寬反比于陣列的孔徑和聲源頻率，正比于聲源的距離。傳感器陣列的陣列指向性圖僅與陣元位置相關(guān)，因此陣列的布局會(huì)影響其指向性能。合理的陣列布局能夠在可接受的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)獲得較高的分辨率。總而言之，影響陣列成像效果的關(guān)鍵因素包括：①聲源的頻率；②聲源與陣列的距離；③陣列的孔徑；④傳感器數(shù)目與分布形式；⑤傳感器性能。

圖1為漢航NTS.LAB ACX聲學(xué)相機(jī)模塊計(jì)算的2000Hz頻率下各典型陣列在正前方向的陣列指向性圖。

圖1 陣列指向性圖

3算法

漢航NTS.LABACX聲學(xué)相機(jī)模塊包含波束形成(Beamforming)和近場(chǎng)聲全息(Nearfield Acoustic Holography, NAH)兩類(lèi)算法，本文主要介紹Beamforming算法。

Beamforming算法通過(guò)利用傳聲器陣列中各陣元的位置和接收到聲波的時(shí)間差來(lái)確定聲源位置。常見(jiàn)的波束形成算法是延時(shí)求和(Delay-and-Sum)算法。如圖2所示，延時(shí)求和算法以參考傳聲器為基準(zhǔn)，對(duì)陣列中其他傳聲器接收到的信號(hào)進(jìn)行延時(shí)調(diào)整，以補(bǔ)償聲波在傳播過(guò)程中到達(dá)各傳聲器的時(shí)間差。這一延時(shí)操作使得陣列所有傳聲器在某期望位置接收到的聲波經(jīng)過(guò)延時(shí)后在正確的方向上相位一致。接著，算法對(duì)所有信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和處理，以使該位置上的聲信號(hào)得到顯著增強(qiáng)。經(jīng)過(guò)這一處理后，期望位置的聲信號(hào)形成一個(gè)空間響應(yīng)的極大值，而其他位置的信號(hào)被有效抑制。增強(qiáng)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的極大值即表明潛在聲源的位置，從而實(shí)現(xiàn)了精確的聲源定位。

圖2 聲信號(hào)傳播示意圖

聲源傳播至參考陣元與其他各陣元間的時(shí)間差τn可表示為：

由測(cè)量得到的傳聲器信號(hào)xn對(duì)成像面某一點(diǎn)進(jìn)行聚焦，即用聲波傳播至參考陣元與至所有陣元的相對(duì)延遲時(shí)間τn'來(lái)進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償，接著對(duì)補(bǔ)償后的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)、求和，可得到系統(tǒng)的輸出為：

經(jīng)傅里葉變換到頻域輸出為：

式中，an為加權(quán)系數(shù)，由式可看出，若τn'=τn，此時(shí)補(bǔ)償后的各信號(hào)具有相同的相位，聚焦后的輸出**；若τn'≠τn，此時(shí)補(bǔ)償后的各信號(hào)相位不同，求和時(shí)可能出現(xiàn)相互抵消。

延時(shí)求和波束形成輸出的平均功率即為：

式中，

是傳聲器信號(hào)的互功率譜，將波束形成輸出的平均功率譜分解成自譜和互譜兩個(gè)部分：

由于各個(gè)傳聲器之間的噪聲通常是互不相干的，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，可去除功率譜中的自譜部分，產(chǎn)生更好的降噪效果和抗干擾能力，最終輸出為：

傳統(tǒng)的波束形成技術(shù)基于平面波假設(shè)，在實(shí)際測(cè)量中，當(dāng)聲源與傳聲器陣列的距離較大時(shí)，聲源可以被認(rèn)為是遠(yuǎn)場(chǎng)聲源，傳聲器接收到的聲波可視為平面波。當(dāng)前聲源定位可視化的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是使用大孔徑陣列進(jìn)行近距離測(cè)量，從而捕捉更多聲源細(xì)節(jié)信息。例如，在工廠車(chē)間等嘈雜環(huán)境中，為了更準(zhǔn)確地診斷設(shè)備故障或進(jìn)行降噪處理，通常需要縮短測(cè)量距離，以提升信噪比并精確定位噪聲源。然而，當(dāng)聲源與陣列之間的距離無(wú)法滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件時(shí)，若仍使用遠(yuǎn)場(chǎng)平面波模型，會(huì)導(dǎo)致波束形成性能?chē)?yán)重下降，出現(xiàn)波束主瓣變寬、旁瓣增高等現(xiàn)象，從而影響定位效果，如圖3所示。因此，在這種情況下，采用更適合近場(chǎng)條件的球面波模型，能夠避免這些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)更理想的波束成像效果。

圖3 近場(chǎng)波與遠(yuǎn)場(chǎng)波示意圖

在近場(chǎng)聲源定位中，聲源的方向和其與傳聲器的距離都需納入模型的考慮。當(dāng)聲源的尺寸遠(yuǎn)小于其輻射聲波的波長(zhǎng)時(shí)，可以將其近似為點(diǎn)聲源。點(diǎn)聲源輻射的波形為球面波，因此球面波模型的聲壓表達(dá)式會(huì)根據(jù)聲波的傳播距離調(diào)整幅值，更加貼近實(shí)際的聲波衰減特性。

在實(shí)際測(cè)量中，陣列面與聲源面之間的距離通常決定了是采用近場(chǎng)還是遠(yuǎn)場(chǎng)模型。近場(chǎng)球面波模型與遠(yuǎn)場(chǎng)平面波模型的主要差異在于計(jì)算聲波到達(dá)各傳聲器的時(shí)間差方式，但二者的波束形成原理基本一致。采用球面波模型能夠更精確地反映近場(chǎng)條件下的聲波傳播特性，提升測(cè)量的準(zhǔn)確性。

4實(shí)驗(yàn)

漢航（北京）科技有限公司開(kāi)發(fā)了便攜式手持聲學(xué)相機(jī)系統(tǒng)，以高效FPGA平臺(tái)作為數(shù)據(jù)處理核心，形成了精度高、體積小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的聲源定位方案，具備廣泛的工程應(yīng)用價(jià)值。

該系統(tǒng)的軟件部分依托漢航NTS.LAB測(cè)試平臺(tái)，顯著提升了性能及海量數(shù)據(jù)處理能力。漢航NTS.LAB ACX聲學(xué)相機(jī)模塊的波束形成算法適用于遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)聲源定位，系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶設(shè)置的分析需求，自動(dòng)生成匹配的波束形成算法模型，實(shí)時(shí)計(jì)算并提供精準(zhǔn)的聲源定位結(jié)果。這種設(shè)計(jì)不僅確保了精確的定位效果，也為實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的噪聲源分析和問(wèn)題解決提供了更強(qiáng)的支持。

本次試驗(yàn)采用了漢航公司自主研發(fā)的30通道螺旋型陣列進(jìn)行噪聲測(cè)量。測(cè)量過(guò)程中，陣列中的每個(gè)傳聲器同步接收聲音信號(hào)，并通過(guò)漢航高精度Hunter系列數(shù)據(jù)采集硬件將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至漢航NTS.LAB ACX聲學(xué)相機(jī)模塊。漢航NTS.LAB  ACX聲學(xué)相機(jī)模塊利用高效的算法處理獲取到的完整互譜矩陣，并基于波束形成反向計(jì)算聲源表面各位置的聲功率分布，實(shí)現(xiàn)聲源區(qū)域的聲學(xué)成像。

如圖4所示，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)展示了陣列與發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)量布局。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)聲源定位試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

通過(guò)使用漢航NTS.LAB ACX聲學(xué)相機(jī)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)，可以從圖5中的示波界面可觀測(cè)到1300-1600Hz的頻率范圍內(nèi)噪聲信號(hào)表現(xiàn)出顯著的能量峰值。結(jié)合前文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的分析，這一頻段內(nèi)的噪聲主要源于動(dòng)力總成系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械噪聲。因此，在1300-1600Hz頻段范圍內(nèi)進(jìn)行聲源定位分析，清晰地識(shí)別出機(jī)械噪聲源的位置，能夠為后續(xù)的噪聲優(yōu)化和控制提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。

圖5 NTS.LAB DSA示波信號(hào)

在1300-1600Hz頻段，應(yīng)用Beamforming算法，對(duì)整個(gè)動(dòng)力總成系統(tǒng)進(jìn)行聲源定位成像，結(jié)果如圖6所示。

圖6 NTS.LAB ACX聲源實(shí)時(shí)定位結(jié)果

在漢航NTS.LAB ACX聲學(xué)相機(jī)模塊的支持下，系統(tǒng)能夠在測(cè)量過(guò)程中同時(shí)采集數(shù)據(jù)和畫(huà)面，并將其實(shí)時(shí)導(dǎo)入NTS.LAB Analysis平臺(tái)進(jìn)行每幀數(shù)據(jù)的聲學(xué)成像分析。在NTS.LAB Analysis中打開(kāi)該段測(cè)量信號(hào)，可以觀察到1500Hz下的聲源成像結(jié)果，圖像清晰地顯示了噪聲主要來(lái)自汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)部位。這種直觀的聲源成像結(jié)果為噪聲源定位提供了高效、精準(zhǔn)的參考，有助于工程師更快速地開(kāi)展降噪和優(yōu)化工作。

圖7  NTS.LAB Analysis聲學(xué)相機(jī)后處理模塊

5總結(jié)

漢航NTS.LAB ACX聲學(xué)相機(jī)模塊可以幫助工程師迅速且準(zhǔn)確地識(shí)別噪聲來(lái)源，結(jié)合強(qiáng)大的Beamforming算法，不僅能夠生成清晰的聲源分布可視化圖，還能深入分析噪聲的特性和來(lái)源。這一過(guò)程極大地提升了工程師分析和解決噪聲問(wèn)題的效率，為汽車(chē)行業(yè)的降噪設(shè)計(jì)提供了可靠的技術(shù)支持。