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        交叉層波束形成方法的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源識別

        2021-11-08 08:50:30鄧建交劉英杰李凌志安孝文胡宇寧
        聲學(xué)技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:傳聲器聲源波束

        張 智,鄧建交,劉英杰,李凌志,安孝文,胡宇寧

        (1.汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長春 130011;2.中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院NVH研究所,吉林 長春 130011;3.中國第一汽車股份有限公司解放事業(yè)部商用車開發(fā)院,吉林 長春 130011)

        0 引 言

        發(fā)動(dòng)機(jī)是車輛最主要的噪聲源之一,尤其在汽車怠速、加速工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲成為整車噪聲最大的來源,因此設(shè)法降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲,是優(yōu)化整車噪聲水平的重要途徑。由于發(fā)動(dòng)機(jī)具有體積大、附件多等特點(diǎn),且噪聲源通常分布在發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)表面上,常規(guī)的測試方法不易準(zhǔn)確判斷,為發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲控制帶來了一定的難度。對于整車狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源定位測試,由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)環(huán)境復(fù)雜,反射面多,且發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)面被遮擋,僅從發(fā)動(dòng)機(jī)上表面或下表面進(jìn)行識別分析往往得不到理想的結(jié)果。因此需要利用發(fā)動(dòng)機(jī)臺架,結(jié)合噪聲源識別手段測試分析,準(zhǔn)確識別發(fā)動(dòng)機(jī)表面的聲源分布及特征,從而為進(jìn)一步的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲控制優(yōu)化提供可靠的依據(jù)和有針對性的指導(dǎo)。

        對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行聲源識別的常用方法是聲強(qiáng)法、近場聲全息與波束形成方法[1-3]。聲強(qiáng)法可以準(zhǔn)確地測量平面上的聲源分布及聲功率輻射,但一般只適用于穩(wěn)態(tài)工況且測試耗時(shí)極長,測試成本高,多用于特定工況的異響聲源排查[4-7];近場聲全息利用陣列接收的聲場數(shù)據(jù),基于赫姆霍茲積分方程和三維空間傅里葉變換,可準(zhǔn)確重構(gòu)三維聲場的聲壓、質(zhì)點(diǎn)速度和聲強(qiáng),從而得到發(fā)動(dòng)機(jī)表面的聲源分布,但其測試距離一般要求小于 0.1 m,對于發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)室臺架測試,由于發(fā)動(dòng)機(jī)表面附件、管路、線束及進(jìn)排氣管路支架布置的影響,陣列不易靠近發(fā)動(dòng)機(jī)表面,使用近場聲全息方法測試較為困難,對于普通的陣列尺寸,通常不能完整覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)單側(cè)表面,需要多次測試后進(jìn)行拼接,測試效率低,成本高,且近場聲全息主要應(yīng)用于低頻噪聲源識別[8]。波束形成方法通過對陣列傳聲器接收到的聲壓信號的處理,即根據(jù)聲源計(jì)算平面的聚焦網(wǎng)格點(diǎn)與陣列傳聲器測點(diǎn)的空間矢量關(guān)系,將各通道信號進(jìn)行相位對齊并求和,從而得到被測平面的聲源分布,可對超出陣列尺寸外的位置進(jìn)行聲源識別,即發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)面,僅需一次測量就可得到完整的識別結(jié)果,具有測量速度快,中高頻分辨率好,可中遠(yuǎn)距離測量的優(yōu)勢[9-15],對于本文所測試的發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸,使用波束形成方法的測試時(shí)間僅為聲全息方法的四分之一,為聲強(qiáng)法的數(shù)十分之一,且對3 kHz以上的高頻噪聲具有更高的識別精度。

        本文使用波束形成方法對發(fā)動(dòng)機(jī)的上、前、左、右四個(gè)面進(jìn)行聲源識別測試,避免主要聲源出現(xiàn)在波束形成面之外,并通過交叉層法計(jì)算得到聲源的三維分布結(jié)果。以往的波束形成法進(jìn)行噪聲源識別,通常只對較大的平面或聲源可能分布的平面進(jìn)行測試。對于聲源分布復(fù)雜的被測對象,往往得不到理想的識別結(jié)果[16],主要原因一是有較主要的聲源未處于波束形成面,識別結(jié)果雖然顯示出了該聲源在波束形成面上的投影,但該投影并非垂直于波束形成面,而是沿波束方向在波束形成面上的投影,如圖1所示;原因二是位于非被測表面的聲源由于被測對象的遮擋,存在明顯的衍射,破壞了直達(dá)聲場條件,導(dǎo)致其到某些陣元的聲程發(fā)生改變,即相位發(fā)生偏移而無法在真實(shí)位置形成聲源圖像;原因三是遠(yuǎn)離波束形成面的聲源在計(jì)算時(shí),由于其能量在波束形成面不聚焦,會明顯低于其真實(shí)值,導(dǎo)致其被其他主要聲源的旁瓣掩蓋,或未達(dá)到識別動(dòng)態(tài)范圍而導(dǎo)致遺漏[17]。

        圖1 聲源與波束形成面相對位置對計(jì)算結(jié)果影響Fig.1 The influence of the relative position between sound source and beamforming surface on the calculation results

        1 波束形成理論及算法

        1.1 波束形成理論

        采用一組在空間固定位置上分布的傳聲器組成的陣列對空間聲場進(jìn)行測量,通過對每個(gè)固定位置上的傳聲器測得的聲壓信號進(jìn)行特殊的處理,就可以獲得有關(guān)聲場的聲源信息,在信號處理領(lǐng)域,這種對陣列信號的處理算法被稱為“波束形成(Beamforming)”,而傳聲器陣列的聚焦方向稱為“波束”(或主波瓣)。該技術(shù)同樣廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲吶、通信等領(lǐng)域[18]。

        根據(jù)聲源計(jì)算平面的聚焦網(wǎng)格點(diǎn)與陣列傳聲器測點(diǎn)的空間矢量關(guān)系,對傳聲器陣列中各通道信號進(jìn)行延時(shí),即根據(jù)各測點(diǎn)的聲程差來調(diào)整相位差,補(bǔ)償各陣元測點(diǎn)的傳播延時(shí),從而使某一期望方向上的信號到達(dá)陣列所有測點(diǎn)都是同相位的,這樣,在聚焦方向上產(chǎn)生一個(gè)空間響應(yīng)極大值,達(dá)到空間濾波作用[19]。

        平面波波束形成示意圖如圖 2所示。在空間x-y平面內(nèi)的平面陣列的M個(gè)傳聲器,傳聲器位置為rm(m=1,2,…,M),接收來自-κ方向的一列平面波。波束形成的過程是將每個(gè)傳聲器接收的信號相對于參考傳聲器進(jìn)行延時(shí),從而使所有傳聲器對于同一聚焦方向,接收的是同一瞬間波前,然后求和,這樣該聚焦方向的信號由于是同相位相加,相當(dāng)于增強(qiáng)了M倍,而其他方向的信號由于相位差,則會減弱,傳聲器數(shù)量越多,這種增強(qiáng)和減弱的效果也就越明顯。

        圖2 平面波波束形成示意圖Fig.2 Schematic diagram of plane wave beamforming

        波束形成的輸出為

        式中,M是傳聲器的個(gè)數(shù),wm是第m個(gè)傳聲器的加權(quán)系數(shù),pm(t)是第m個(gè)傳聲器測得的聲壓信號。Δm(κ)是波束聚焦方向?yàn)棣蕰r(shí),第m個(gè)傳聲器相對于參考點(diǎn)的時(shí)延。由圖2中幾何關(guān)系有:

        式中,κ為聚焦方向矢量,rm是第m個(gè)傳聲器到參考點(diǎn)的相對位置矢量,κ·rm即為rm在κ方向的投影,c為傳播介質(zhì)中的聲速。

        以上即為延時(shí)求和的理論依據(jù)。由于時(shí)域信號數(shù)據(jù)量非常大,影響計(jì)算效率,實(shí)際計(jì)算中,采用頻域法可顯著提升計(jì)算速度和節(jié)省數(shù)據(jù)占用空間。使用頻域計(jì)算波束形成的輸出功率為:

        1.2 位于同一平面聲源的波束形成仿真驗(yàn)證

        使用Matlab軟件建立波束形成仿真模型。設(shè)置若干仿真聲源,聲源所在平面平行于陣列所在平面,使用間距0.1 m的8×8通道矩形陣列對聲源信號進(jìn)行接收,如圖3(a)所示。假設(shè)聲源發(fā)出穩(wěn)態(tài)單頻信號,則陣列陣元接收信號為

        式中,m為陣元序號,t為時(shí)間序列,N為仿真聲源數(shù)量,n為仿真聲源序號,ωn為第n個(gè)仿真聲源的頻率,A為聲源幅值,k為波數(shù),dn_m為第n個(gè)聲源與第m個(gè)陣元的距離。

        根據(jù)全部陣元接收到的仿真信號,計(jì)算聲源所在平面的聲源分布,用4個(gè)聲源作示例,結(jié)果如圖3(b)所示,全部聲源均準(zhǔn)確識別。

        圖3 位于同一平面的聲源識別仿真計(jì)算結(jié)果Fig.3 Simulation results of source identification in the same plane

        1.3 位于不同平面聲源的波束形成仿真驗(yàn)證

        對于發(fā)動(dòng)機(jī)等被測對象,輪系及各種附件布置復(fù)雜,其主要聲源往往在各個(gè)面上都有分布,而對處于波束形成面之外的聲源,往往無法得到有效的判斷。尤其是識別圖像顯示在棱上的結(jié)果,在僅測試一個(gè)面的情況下,由于無法得到其縱深信息,不能判斷真實(shí)聲源是在棱上,還是在與波束形成面垂直的面上。

        設(shè)置4個(gè)聲源分布在一個(gè)假想的長方體上,進(jìn)行仿真,其坐標(biāo)分別為:

        聲源1位置ps1=[0.4 0.4 0.32];

        聲源2位置ps2=[0.4 0.2 0.32];

        聲源3位置ps3=[0 0.2 0.32];

        聲源4位置ps4=[0 0.2 0.12]。

        如圖4所示,聲源1位于上面,聲源2及聲源4位于棱上,聲源3位于頂點(diǎn)。

        圖4 位于不同平面的聲源Fig.4 Sound sources in different planes

        分別從三個(gè)方向?qū)ι鲜鑫挥诓煌矫娴乃膫€(gè)聲源進(jìn)行識別,得到的圖像結(jié)果都只顯示出了三個(gè)聲源,如圖5所示。如果僅從一幅圖像進(jìn)行識別,必然導(dǎo)致對聲源的位置誤判或遺漏。

        圖5 位于不同平面的聲源識別仿真(三向投影)Fig.5 Simulation of sound source identification in different planes(axonometric projection)

        位于不同平面的聲源識別仿真(三維圖)如圖 6所示??梢?,對于不處于波束形成面上的聲源,可能得到其真實(shí)聲源在波束形成面上的投影,如圖6(a)中的聲源1。而如果在其投影位置恰好有另外一個(gè)聲源,兩者的識別圖像將會重合,從而無法分辨出是一個(gè)還是多個(gè)聲源,如圖 6(a)中的聲源 2、圖6(b)中的聲源1及圖6(c)中的聲源4所示。

        圖6 位于不同平面的聲源識別仿真(三維圖)Fig.6 Simulation of sound source identification in different planes(stereograph)

        1.4 多維交叉層法波束形成聲源識別仿真

        將波束形成平面與陣列平面距離以一定步長改變,計(jì)算多個(gè)形成面的分布結(jié)果,覆蓋被識別對象的縱向深度,則可得到一系列平行的形成面,如圖7所示。

        圖7 波束形成分層計(jì)算Fig.7 Layered computation of beamforming

        對y-z平面、z-x平面、x-y平面的計(jì)算層數(shù)分別為L、M、N層,則y-z平面的第l層的波束形成面結(jié)果為

        同理:

        可對數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)截取,使Byz、Bzx、Bxy的x、y、z坐標(biāo)對齊。

        被測對象所處的幾何空間,被正交的三個(gè)方向的平面分層切割,該空間內(nèi)的每個(gè)聚焦點(diǎn)皆為三個(gè)方向平面的交叉點(diǎn),即每個(gè)聚焦點(diǎn)被三個(gè)方向各計(jì)算了一次,如圖8所示。

        圖8 多維交叉層計(jì)算過程Fig.8 Calculation process of multi-dimensional cross-layer method

        對于虛假的聲源投影,僅在其中一或兩個(gè)方向的識別面上顯示,即在其中一或兩個(gè)三維矩陣中出現(xiàn)大值,在另外的矩陣?yán)飫t會呈現(xiàn)小值,故將三個(gè)三維矩陣的對應(yīng)點(diǎn)相乘,再開立方恢復(fù)幅值,即得到交叉層結(jié)果:

        則在結(jié)果Bcross中,虛假聲源所對應(yīng)的點(diǎn)受其中的小值因數(shù)影響而減小,真實(shí)聲源所對應(yīng)的點(diǎn)為三個(gè)大因數(shù)相乘而不受影響。

        由于僅考慮位于物體表面的聲源,可去除位于物體內(nèi)部的點(diǎn),僅保留構(gòu)成被測物表面的點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖9所示。可見,對于分布在不同表面上的各個(gè)聲源,均得到準(zhǔn)確識別。圖5(a)及圖6(a)中的虛假聲源投影在圖9中已消除,且可同時(shí)顯示出各個(gè)面的聲源分布。

        圖9 多維交叉層計(jì)算結(jié)果Fig.9 Calculation result of multi-dimensional cross-layer method

        2 發(fā)動(dòng)機(jī)聲源識別

        2.1 陣列布置及現(xiàn)場測試

        使用間距為0.1 m的8×8通道矩形陣列對柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的上、前、左、右四個(gè)面分別進(jìn)行測試。陣列平面平行于發(fā)動(dòng)機(jī)被測面,發(fā)動(dòng)機(jī)左面的測量現(xiàn)場布置如圖 10(a)所示。依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸、陣列尺寸以及兩者位置對應(yīng)關(guān)系,計(jì)算出陣元在發(fā)動(dòng)機(jī)表面的投影位置,如圖10(b)所示。聲源識別的結(jié)果即在此基礎(chǔ)上進(jìn)行顯示。

        圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)左面測試陣列布置Fig.10 Layout of the test array at the left side of engine

        2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)聲源頻率特征

        通過對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行變轉(zhuǎn)速工況測試,得到發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲聲壓級的時(shí)頻結(jié)果,如圖 11所示。通過觀察,可得知發(fā)動(dòng)機(jī)的各主要噪聲頻率及其對應(yīng)轉(zhuǎn)速。在實(shí)際應(yīng)用中,可選擇需要關(guān)注的噪聲成分進(jìn)行分析。

        2.3 聲源平面識別結(jié)果

        以圖 11中所標(biāo)示的噪聲為例,其對應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為:1 600~1 800 r·min-1,頻率范圍為:2 800~3 300 Hz。發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)面的識別結(jié)果如圖12所示。

        圖11 滿負(fù)荷情況下發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲聲壓級的轉(zhuǎn)速-頻率圖(陣列中心測點(diǎn))Fig.11 Speed-frequency diagram of full-loaded engine noise level measured at the central point of the array

        2.4 多維交叉層法計(jì)算結(jié)果

        使用從不同方向的測試數(shù)據(jù),通過多維交叉層法進(jìn)行計(jì)算,得到聲源在發(fā)動(dòng)機(jī)表面的立體分布結(jié)果,如圖13所示。

        圖12 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲(2 800~3 300 Hz,1 600~1 800 r·min-1)識別結(jié)果Fig.12 Identification results of engine noise source at the frequencies of 2 800~3 300 Hz and the speeds of 1 600~1 800 r·min-1

        圖13 多維交叉層法聲源識別結(jié)果Fig.13 Identification results of engine noise source by cross-layer method

        對于這種聲源分布復(fù)雜的情況,利用任何一個(gè)平面的識別結(jié)果,都無法準(zhǔn)確進(jìn)行識別。如圖12(a)中的下方顯示的多個(gè)聲源,在圖12(c)中,發(fā)現(xiàn)這些聲源并非位于發(fā)動(dòng)機(jī)的棱上,即不在發(fā)動(dòng)機(jī)上表面,而是分布在發(fā)動(dòng)機(jī)的左面,在對發(fā)動(dòng)機(jī)上面進(jìn)行識別計(jì)算時(shí),這些聲源投影在了平行于發(fā)動(dòng)機(jī)上面的波束形成面上。而利用交叉層法計(jì)算得到的立體結(jié)果,則直觀顯示出聲源的位置,去除了聲源投影的干擾。

        對于上述噪聲,定位結(jié)果分別為前面的進(jìn)氣管口轉(zhuǎn)折處,如圖14(a)所示;右面的渦輪增壓器管口位置,如圖14(b)所示;左面的油泵位置、油軌及起動(dòng)機(jī)附近,如圖14(c)所示。

        圖14 噪聲源識別結(jié)果與實(shí)物對應(yīng)關(guān)系Fig.14 Corresponding relation between the identified engine noise sources and the actual engine parts

        3 結(jié) 論

        本文利用平面?zhèn)髀暺麝嚵袑δ嘲l(fā)動(dòng)機(jī)的各表面進(jìn)行測試,使用波束形成法對發(fā)動(dòng)機(jī)的主要噪聲源進(jìn)行計(jì)算,并通過多維交叉層法進(jìn)行聲源的識別定位,可得到該發(fā)動(dòng)機(jī)在各工況下的聲源立體分布。經(jīng)多維交叉層法識別計(jì)算的結(jié)果增加了聲源定位的準(zhǔn)確性,并去除了聲源投影帶來的干擾,可對各種分布復(fù)雜的噪聲源進(jìn)行有效識別。

        該技術(shù)僅需在各面進(jìn)行一次臺架變轉(zhuǎn)速工況測試,即可對發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速下、500~5 000 Hz頻率范圍內(nèi)任意頻率的聲源進(jìn)行識別定位,具有測試周期短、覆蓋工況全面、識別精度高、結(jié)果直觀、實(shí)用性高的優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于各動(dòng)力總成產(chǎn)品的噪聲水平控制。

        在波束形成識別結(jié)果的優(yōu)化處理中,國內(nèi)外學(xué)者通過反卷積理論建立波束形成輸出、陣列點(diǎn)傳播函數(shù)和聲源真實(shí)分布之間的非齊次線性方程組,并通過迭代求解聲源分布,該理論及其衍生求解方法可大幅降低傳統(tǒng)波束形成直接輸出結(jié)果的旁瓣影響。對于交叉層方法的識別結(jié)果,如結(jié)合反卷積方法進(jìn)行優(yōu)化,預(yù)計(jì)可達(dá)到更精細(xì)的識別效果,但由于交叉層法聚焦點(diǎn)數(shù)量較多,在反卷積處理過程中將生成大規(guī)模的點(diǎn)傳播函數(shù)及方程組。對交叉層法結(jié)合反卷積的優(yōu)化方法將在后續(xù)的研究中繼續(xù)探索改進(jìn)。

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