謝麗萍，盧熾華，劉志恩,2，付友明，朱亞偉

組合聲源測試消聲器傳遞損失的噪聲信號修正方法

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)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北武漢 430070；2. 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北武漢 430070)

針對某些傳遞損失較大的消聲器，現(xiàn)有白噪聲測試設(shè)備的單一噪聲源發(fā)生器無法滿足消聲量的測試需求。通過采用低頻和中頻兩種聲源發(fā)生器，利用過渡管道與測試管道垂直連接的方式，實現(xiàn)了兩種聲源組合發(fā)聲對消聲器聲學(xué)性能的測試。為了解決過渡管道與組合聲源系統(tǒng)連接處聲阻抗變化，導(dǎo)致輸出的噪聲信號頻譜特性隨機波動的問題，提出了一種噪聲信號的修正方法。該方法基于四傳感器法測量過渡管道聲阻抗，根據(jù)過渡管道傳遞矩陣，以隨機白噪聲為激勵源輸出的管口噪聲作為輸出聲壓信號，得到組合聲源系統(tǒng)的輸入聲壓信號，實現(xiàn)了對組合聲源系統(tǒng)聲音信號的補償。實驗結(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試頻率范圍內(nèi)輸出平穩(wěn)的聲壓信號；其次，利用修正前后的聲學(xué)信號對擴張腔的傳遞損失進行測量，修正后得到的測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；聲音信號補償

0 引言

聲源系統(tǒng)作為消聲器聲學(xué)性能試驗裝置的主要激勵源，是保證測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。在試驗中，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、較寬的測試頻段和保持線性時不變系統(tǒng)的能力等。因此，設(shè)計滿足聲學(xué)性能要求并保證在較寬頻帶范圍內(nèi)都有穩(wěn)定聲壓信號輸出的聲源系統(tǒng)對測試準(zhǔn)確性至關(guān)重要。針對傳遞損失較大的消聲器，測量其聲學(xué)性能時，需選用功率較大的聲源。為了解決傳統(tǒng)消聲器聲學(xué)性能測試臺架選用單一噪聲源發(fā)生器，輸出的聲學(xué)信號無法滿足寬頻帶、高聲壓級要求的問題，可采用不同類型的揚聲器組合聲源系統(tǒng)進行測量的方式，但其體積較大，需采用過渡管道與測試管道連接。不同結(jié)構(gòu)設(shè)計的過渡管道與聲源系統(tǒng)組合，形成的聲阻抗發(fā)生變化，對輸出的聲學(xué)信號造成干擾，使得最終輸出的噪聲信號頻譜特性隨機波動，無法保證測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。為了盡可能地讓組合聲源系統(tǒng)輸出的聲源信號在較寬頻帶內(nèi)具有均勻的能量分布，必須對聲源的輸入信號進行修正。

目前國內(nèi)外對消聲器聲學(xué)性能測試臺架的聲源系統(tǒng)多采用單一噪聲源發(fā)生器，對于不同工況下，噪聲干擾和修正的研究并無詳細文獻研究。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”，克服了使用隨機白噪聲因管道突變所造成信噪比較差的問題和聲波在傳播過程中出現(xiàn)非線性的影響，但需分頻段激勵，過程繁瑣。LUNG等[3]設(shè)計了“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作為激勵，實現(xiàn)了在有流條件下，以時間平均瞬時測試技術(shù)計算消聲器的傳遞矩陣，但因其單一種類聲源的特性，其測試頻率局限于1 000 Hz。JOHNSTON等[4]將測試管道與高保真揚聲器直接相連作為聲源系統(tǒng)，以離散頻率信號作為激勵源研究穿孔消聲器的聲學(xué)性能，達到降低激勵信號的失真程度的目的。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]在對消聲器綜合性能試驗臺架設(shè)計時，利用低、中頻揚聲器組合的方式，并通過高階參數(shù)均衡算法，對輸出的聲信號進行均衡處理，基本滿足了臺架對聲音信號的要求，但需進行分頻段濾波。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臺架，利用噪聲發(fā)生器激發(fā)相應(yīng)頻率的噪聲，再經(jīng)過功率發(fā)大器驅(qū)動揚聲器產(chǎn)生模擬噪聲源。為保證信號盡可能無衰減地傳輸?shù)綔y試管道，設(shè)計兩個揚聲器對稱固定在主管道的兩側(cè)，可產(chǎn)生均勻聲場，減小氣流再生噪聲的影響，降低測量誤差。

本文在設(shè)計高溫、有流工況下的消聲器試驗臺架過程中，為避免在有流工況下，風(fēng)機所引起的寬頻帶階次噪聲對管道聲學(xué)信號的影響和保證聲源信號聲壓級滿足測試要求，根據(jù)揚聲器的聲學(xué)性能，采用低、中頻揚聲器組合聲源的形式。低頻揚聲器體積較大，需采用過度錐管與中頻揚聲器相連, 再利用過渡直管與測試管道垂直連接。為解決過渡管道所引起的聲阻抗變化導(dǎo)致最終輸入測試管道的聲學(xué)信號受到干擾的問題，運用四傳感器法測量管道聲阻抗，根據(jù)管道的傳遞矩陣，以隨機白噪聲為激勵源輸出的管口噪聲作為輸出聲壓信號，提取組合聲源系統(tǒng)的輸入聲壓信號，對聲源組合系統(tǒng)進行聲音信號補償。該方法有效地消除了過渡管道布置方式對聲信號的衰減和信號之間的相互干擾，最終得到了理想的噪聲信號。

1 消聲器聲學(xué)性能測試臺架結(jié)構(gòu)

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

圖1 消聲器聲學(xué)性能測試臺架

不同管道設(shè)計的聲源系統(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試臺架常用的聲源布置形式[7]。本文設(shè)計的組合聲源系統(tǒng)采用過渡錐管將體積較大的低頻揚聲器和中頻揚聲器相連。旁支式聲源結(jié)構(gòu)簡單，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)通過直管垂直布置在測試管道。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，通過阻抗管，利用四傳感器法測量組合聲源系統(tǒng)中過渡管道的聲阻抗。阻抗是系統(tǒng)的固有屬性，在給定理想輸出聲壓信號的情況下，利用過渡管道傳遞矩陣提取聲源系統(tǒng)對應(yīng)的輸入聲壓信號，再利用MATLAB軟件編寫的程序，將得到聲壓通過快速傅里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的音頻信號，以此作為聲源組合系統(tǒng)的噪聲信號，達到聲音信號補償修正的目的，最終實現(xiàn)噪聲信號在全頻段內(nèi)平穩(wěn)波動。

2 噪聲信號修正理論模型

2.1 高階參數(shù)均衡器算法

組合聲源系統(tǒng)對聲音信號造成的非線性影響可通過設(shè)計高階參數(shù)均衡器來修改信號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)，因此在對聲學(xué)信號進行修正時，常以其為首選原型設(shè)計高階參數(shù)均衡器。其原型濾波器可由式(1)的幅度平方函數(shù)來描述：

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

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量管道聲學(xué)特性提高了測量數(shù)據(jù)的頻帶范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)和準(zhǔn)確性[8]。圖2為試驗裝置示意圖。

圖2 試驗裝置示意圖

傳遞函數(shù)能夠降低記錄信號中的隨機流噪聲，因此本文基于傳遞函數(shù)測量聲源組合系統(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償聲源信號

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參數(shù)可表示為

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

本文聲源補償試驗裝置是利用等截面過渡管道將測試管道和組合聲源系統(tǒng)連接起來，忽略直管長度對測量阻抗精度的影響，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)進行聲源補償，其表達式為

3 試驗設(shè)計

3.1 聲阻抗提取試驗

根據(jù)2.3節(jié)理論分析設(shè)計試驗方案，運用四傳感器法在阻抗管試驗臺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裝置示意圖，試驗所需設(shè)備如表1所示。

圖3 管道聲阻抗提取試驗裝置

表1 試驗所需設(shè)備

3.2 聲源組合系統(tǒng)直管輸出性能測試

在對組合聲源系統(tǒng)進行聲補償之后，還需要對其輸出信號的頻譜特性進行檢測。以管口的輸出聲壓級作為聲源組合系統(tǒng)頻響曲線的評價指標(biāo)，將修正前后的噪聲信號輸入組合聲源系統(tǒng)，采集管口噪聲并進行頻譜分析。最后，為了檢驗修正前后的聲學(xué)信號對消聲器測量精度的影響，分別用均衡器算法和本文設(shè)計的聲阻抗修正聲學(xué)信號的方法得到噪聲源來作為激勵源對擴張腔進行傳遞損失測試，管口噪聲測試和消聲器傳遞損失測量裝置如圖4和圖5所示。

圖4 管口噪聲測試裝置

圖5 消聲器傳遞損失測試臺架

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 聲源輸出信號修正效果

利用隨機白噪聲作為測試臺架的激勵源，輸入未經(jīng)修正的組合聲源系統(tǒng)，采集管口的噪聲信號，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)因過渡管道的阻抗變化，反射波對組合信號產(chǎn)生了干擾，導(dǎo)致輸出的聲信號的頻譜特性不均勻，其聲壓級隨頻率的波動較大，頻響曲線的起伏較大，對于消聲量較大的消聲元件，將無法滿足基本試驗要求，必須對聲源組合系統(tǒng)進行修正，得到滿足試驗要求的理想噪聲信號。

圖6 未經(jīng)修正的管口噪聲信號

為突出本文提出基于聲阻抗修正聲學(xué)信號方法的高效性，本文利用MATLAB中的FDATool工具箱設(shè)計高階參數(shù)均衡器[13]對聲源信號進行修正，與利用四傳感器提取聲源阻抗和管道傳遞矩陣對聲信號修正進行對比，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)均衡器對組合聲源信號進行調(diào)節(jié)后，在測試頻段范圍內(nèi)管口整體聲壓級波動較為平坦。低、中頻信號同時輸出時，管口的聲壓級曲線在50～2 500 Hz頻率范圍內(nèi)存在著±10 dB的波動，在2 500～3 200 Hz頻率范圍內(nèi)，聲壓級浮動較大，但基本能滿足測試試驗要求，調(diào)節(jié)過程中需分段調(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，對最終聲學(xué)信號補償?shù)男Ч黠@更優(yōu)，修正后得到的管口噪聲在整個測試頻率范圍內(nèi)波動平穩(wěn)，功率分布均勻，達到了聲源修正的目的，輸出的聲信號符合試驗要求。

圖7 參數(shù)均衡器修正后的管口噪聲信號

圖8 利用聲阻抗修正后的管口信號

4.2 消聲器傳遞損失測量結(jié)果

在消聲器試驗臺架上分別用修正前后的聲信號作為激勵源對擴張腔進行傳遞損失測試[14]，試驗結(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)信號作為消聲器聲學(xué)性能測試的激勵源，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，無法準(zhǔn)確預(yù)測擴張腔的消聲量，對后期消聲器設(shè)計無法提供相應(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組合聲源系統(tǒng)的聲學(xué)信號進行修正，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)未對組合聲源系統(tǒng)進行修正時，傳遞損失誤差出現(xiàn)大幅度波動，利用高階均衡器算法和本文提出的修正方法補償聲源，誤差減小、波動平穩(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，證明了該修正方法的可行性。

圖9 未修正信號測量的擴張腔傳遞損失

圖10 信號修正后測量的擴張腔傳遞損失

圖11 不同信號測量傳遞損失的誤差曲線

5 結(jié)論

本文利用消聲器聲學(xué)性能試驗臺架對聲源系統(tǒng)的聲學(xué)特性進行了研究。根據(jù)各類揚聲器聲學(xué)特性，按照測試試驗臺架的需求，選定了低頻揚聲器和中頻揚聲器組合而成的聲源系統(tǒng)，利用過渡管道與測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。運用四傳感器法測量管道聲阻抗，再根據(jù)管道傳遞矩陣對聲源組合系統(tǒng)進行聲學(xué)補償。得到以下結(jié)論：

(1) 單一噪聲源發(fā)生器，輸出的聲學(xué)信號無法滿足寬頻帶、高聲壓級要求，本文設(shè)計的組合聲源系統(tǒng)能實現(xiàn)較寬的測試的頻率范圍，滿足基本的試驗測試需求。

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

(3) 本文提出的修正算法可消除因過渡管道所引起的誤差，以修正后的聲源信號作為消聲器試驗臺架的激勵源，進行擴張腔的消聲性能試驗，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

國家重點研發(fā)計劃(2016YFD0700704B) 國家自然基金(51575410)

謝麗萍(1994－), 女, 福建龍巖人, 碩士, 研究方向為整車NVH噪聲與振動控制。

劉志恩,E-mail: lzen@whut.edu.cn