基于波束形成的自行車輛噪聲分布測試方法

張炳文，鄭　堅，熊　超

(解放軍軍械工程學院，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試方法

張炳文，鄭堅，熊超

(解放軍軍械工程學院，河北 石家莊050003)

針對聲強測試方法成本高、聲全息方法實現遠場測試困難的問題，提出了基于波束形成的自行車輛噪聲分布測試方法。該方法采用聲源仿真性能較好的十字交叉陣列，并進行了自行車輛的靜止單、多排氣口噪聲實驗。實驗結果表明，波束形成能夠實現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律。

波束形成;陣列;自行車輛;噪聲

0　引言

作為大型機械裝備，自行車輛的運行噪聲量級很大，嚴重影響了其生存能力。進行自行車輛的整體噪聲測試實驗，分析其分布特性，對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動機、傳動系統以及排氣系統等。由于空間體積較大，內部結構復雜，發動機及傳動系統噪聲主要由相應振動傳播至車輛外表后產生的噪聲體現，與排氣系統噪聲相比強度較小。因此，自行車輛的整體噪聲主要分布在排氣系統的排氣口附近。

目前國內外通常采用的車輛整體輻射噪聲測試方法主要有聲壓法、聲強法、近場聲全息法以及波束形成方法等[1]。其中，聲壓法的主要測量對象聲壓是標量單位，僅包含數值大小，無法確定聲源方向，且受實驗環境的影響較大。聲強法能夠較為完整地獲得噪聲信號的大小及流動方向，并能夠反映出噪聲輻射面聲強分布規律，測試效果理想，但是受到聲強設備的造價限制，無法應用到噪聲源復雜分布的大型設備測試中[2]。近場聲全息方法結合參考傳感器的設置，充分利用不同傳感器采集信號的相位信息，能夠在信噪比較低的情況下準確識別噪聲源，獲取其頻率特性[3-4]，但近場聲全息方法要求測試距離較近，自行車輛排氣口排出的為高溫噴流氣體，近距離下會對傳聲器及測試設備造成傷害，無法完成測試。而波束形成方法不僅能夠較為全面地給出測試對象的噪聲特性，通過聲源成像確定聲源外表面分布規律[5-7]，且由于該法對測試距離要求較低，可進行遠場測量。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試方法。

1　波束形成

波束形成方法的基本原理是通過“時延-累加”算法獲取聲源的空間位置及指向，進而獲取整個聲源表面輻射特性[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個傳聲器構成，其位置向量分別為ri(i=1,2,…,M)，則由傳感器陣列確定的κ方向聲源強度為：

(1)

式(1)中，wi為每個傳聲器的特征系數，由傳感器陣列性質決定；pi為傳聲器測得的聲壓值；τi為κ方向的時間延遲，通過單位方向向量κ的切換來確定，其表達式為：

(2)

式(2)中，c為聲波的傳播速度。

由于實際應用中聲源的性質通常較為復雜，聲源定位及成像中關心的是不同頻率的聲波特性，因此對式(1)進行傅里葉變換，獲得κ方向聲源強度的頻域表達式：

(3)

式(3)中，k=-aκ為κ方向的波數向量，波數a=ω/c。

研究自行車輛的整體輻射噪聲，不能將其視為點聲源。設定半空間中的自行車輛為多個聚焦聲源組成的平面聲源，聲波傳播方式為球面傳播，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)中的時間延遲τi轉換為向量差的形式：

(4)

此時，圖2中r指向聚焦區域的波束形成輸出為：

(5)

綜上所述，實際應用中需要準確測得聲源的輻射聲信號，利用指向向量r的空間指向性將聚焦區域歷遍聲源平面，即可獲得聲源的輻射噪聲特性。

2　自行車輛聲源仿真計算

自行車輛體積龐大，表面形狀復雜，且噪聲源數量、分布不規律，傳統的單點測量和普通的多點測量無法實現噪聲信號的完整采集，必須借助傳聲器陣列。同時陣列結構也會對波束形成算法的空間濾波能力產生影響。因此，需要對傳聲器陣列的性能進行一定的分析，選取較為常用的平面方陣、螺旋陣和十字交叉陣三種。

對陣列性能進行實際的考察，涉及到陣列支架的制作和采集系統的協調，在實際應用中較難實現，因此建立陣列模型，并通過仿真自行車輛聲源，對利用不同陣列的噪聲測試方法進行研究。

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

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

設定待測平面上有三個聲源，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對預設聲源不同頻率分布的聲場分布進行了仿真分析。

圖4(a)為在頻率中心為f=1kHz條件下預設聲場的分布。從圖中可以較為明顯地看出平面方陣的測試效果，確定了三個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下的聲場分布，測試性能得到了一定的提高，預設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了一定程度上的鬼影。

圖4　平面方陣測定的聲場分布Fig.4　Sound distribution of square plane array

螺旋陣的陣型分布如圖5所示，設置了4個旋臂，每個旋臂上有8個傳聲器，共32個傳聲器。

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

聲源設置同平面方陣，圖6(a)為中心頻率f=1kHz時螺旋陣確定的聲場分布。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時的聲場分布，聲源主瓣的面積得到了聚焦，且其旁瓣的泄露較小，幾乎沒有鬼影出現。

十字交叉陣型示意圖如圖7所示，坐標系中布置個32個傳聲器，X軸和Y軸分別布置16個，關于原點O對稱。

聲源設置同上，圖8(a)為中心頻率f=1kHz時十字交叉陣確定的聲場分布。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，但是出現了一定程度的旁瓣泄露，圍繞主瓣呈現十字分布的規律。圖8(b)為f=2kHz時的聲場分布，從圖中可以看出，十字交叉陣測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　十字交叉陣測定的聲場分布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。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試的傳聲器陣型。

3　實驗及結果分析

3.1實驗過程簡述

噪聲測試實驗選擇在室外空曠的場地進行，測試系統如圖9所示。傳聲器陣列選取十字交叉陣型，四個直臂分別設置8路傳聲器，共32路。在十字陣中心布置一個數碼照相機，獲取待測車輛的光學圖像，和波束形成處理得到的的噪聲分布進行重疊，最終獲取靜止車輛的空間噪聲特性及分布規律。

圖9　噪聲測試系統Fig.9　Test system for sound

實驗中，自行車輛分別按照不同的轉速，發動主發動機和輔發動機，處于空檔狀態，此時，自行車輛處于靜止狀態。待噪聲穩定后，對側面單排氣口及一定角度下背面多排氣口的噪聲進行測試。

3.2側面結果及分析

側面噪聲測試實驗中，傳聲器陣列距離待測車輛的距離為8m。此時，只發動車輛主發動機，并以1 200r/min轉速持續運行。

對測試信號進行波束形成處理，需要得知其功率分布。側面噪聲的功率譜如圖10所示，可以明顯看出噪聲信號的基頻約為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，進行成像處理。

圖10　側面測試信號功率譜Fig.10　Power spectrum of side signal

圖11(a)為中心頻率f=600Hz時自行車輛側面噪聲的聲源成像結果。對其進行分析可知，波束形成較為成功地確定了自行車輛的側面噪聲分布，圖中的主瓣位置和側面主發動機排氣口的位置重合，最大相對聲壓為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；同時存在較大能量的旁瓣，部分最大值達到了76dB，分布面積幾乎和主瓣相當，分布規律和仿真結果相似，圍繞主瓣呈現出了十字對稱分布。

圖11(b)為f=1 800Hz時的成像結果，該頻率分布下噪聲的主瓣能量為61dB，下降了約8dB，同時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，但是旁瓣的總體數目上有一定程度的增加，分布的規律仍為十字狀。

3.3背面結果分析

自行車輛背面噪聲測試實驗中，傳聲器陣列距離待測車輛的距離為10m,陣列中心與車輛連線和車輛側面約成30°。同時發動車輛的主機和輔發動機：主發動機轉速同樣為1 200r/min，輔機按照僅有的轉速運動，持續空檔運行一段時間噪聲穩定后進行測試。

對測試的噪聲信號進行處理，其功率譜如圖12所示，由圖中可以明顯看出信號的基頻除約為600Hz(主機)外，增加了輔機的頻率成分約為877Hz，選取這兩種信號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　背面測試信號功率譜Fig.12　Power spectrum of backside signal

圖13(a)為波束形成中心頻率f=1 800Hz時自行車輛背面的聲源成像結果。對其進行分析可知，實驗成功地測試并確定了背面的噪聲分布規律：該頻率下，最大的相對聲壓能量為73dB，存在一定的旁瓣泄露，且能量較大，和輔機的能量相當。由于1 800Hz為主發動機信號頻率的3倍頻，故主瓣位于主發動機排氣口的位置；輔機排氣口的聲壓能量約為71dB，但是分布并不規則，沿排氣方向有部分延伸，經分析，推測為輔機的高溫噴射氣流噪聲。

圖13(b)為聚焦頻率f=2 700Hz時的成像結果，由于聚焦頻率約為輔機噪聲基頻的3倍頻位置，故噪聲主瓣位于輔機排氣口位置，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稱分布、約為68dB的鬼影；主機排氣口位置能量約為69dB，沒有鬼影存在。

圖13　車輛側面噪聲分布Fig.13　Sound distribution of vehicle backside

綜上可知，波束形成算法能夠有效實現自行車輛的靜止噪聲成像。在兩個不同測試角度下，均能確定出兩個排氣口聲源的位置和相對的聲壓強度，成像結果呈現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　結論

本文提出了基于波束形成的自行車輛分布噪聲

測試方法。該方法采用聲源仿真中性能較好的十字交叉陣列，進行了自行車輛的靜止噪聲實驗。實驗結果表明：波束形成能夠有效實現自行車輛單、多排氣口的噪聲成像，成像結果呈現出一種聚焦性能隨中心頻率升高而提升的特性，較為準確地給出了不同條件下自行車輛的噪聲特性及分布規律，為翻斗車、起重機等常規大型車輛和工程機械的噪聲分析提供一定的參考價值。但是運動狀態下的波束形成成像，需要充分考慮使用短時數據相關的成像性能，和對多普勒效應造成的頻移補償方法，需要進行進一步的研究。

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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：噪聲信號測試及處理。E-mail：bingwengongtuan@163.com。

TH11

A

1008-1194(2016)04-0103-05