基于声阵列技术的汽车噪声源识别试验研究
司春棣陈恩利杨绍普王翠艳
石家庄铁道学院，石家庄 050043
摘要声阵列技术通过多个传声器获取声场信息，使用波束形成原理对声场信号进行处理，能对宽带声源进行有效识别。本文利用基于波束形成的声阵列噪声源分析技术研究了汽车辐射噪声的频率特性和能量分布特性，通过与光学图像的自动重叠，获得了汽车整车最大噪声源的频率、空间位置及产生来源。试验结果表明，声阵列技术能够快速有效地进行噪声源诊断和声源空间定位，为汽车的噪声控制提供了科学依据。
关键词波束形成，声阵列，汽车，噪声源识别
Experimental Study on Noise Sources Identification of Vehicle
Based on Microphone Array technology
Si Chun-di Chen En-li Yang Shao-pu Wang Cui-yan
Shijiazhuang Railway Institute, Shijiazhuang 050043, China
Abstract Microphone Array technology is to get sound field information by multiple microphones, to process sound field signals applying the beam forming technology and to be able to identify broad-band sound sources efectively. Using the microphone array system based on beam forming technology, the frequency and energy distribution property of the noise emission of vehicle were investigated in this paper, the frequency and exact noise poisitions were determined by means of the optical pictures automatically overlapping. The results show that the microphone array technology is an efective way for the noise diagnose and sound localization, it ofers the scientific basis for noise control of vehicle.
Key words Beam forming, Microphone array, Noise sources identification, Vehicle
1 引言
汽车噪声是一种重要的环境污染源，不仅影响车内成员的乘坐舒适性，也是公路交通噪声的主要来源。汽车噪声也在很大程度上反映出生产厂家的设计水平及工艺水平，成为衡量汽车质量的重要标志之一，因此有效的控制噪声，成为近年来汽车行业的一个重要研究课题。要控制噪声，首先必须找出其主要噪声源。汽车是一个高速运动的复杂组合式噪声源，汽车发动机和传动系工作时产生的振动、高速行驶中汽车轮胎在地面上的滚动、车身与空气的作用，是产生汽车噪声的根本原因。按噪声产生的过程和原理，汽车噪声主要包括发动机噪声、排气系统噪声、风扇噪声、传动系统噪声、轮胎噪声、制动噪声、气动噪声等。这几种主要的噪声源按照能量叠加原则进行声压合成，从而形成总的声压级向外传播，也就是说，用常规的声级计测得的汽车噪声是不同的发声源叠加合成的结果，噪声的声学特性决定了汽车噪声主要取决于最大噪声源噪声大小[1]。噪声源的识别方法很多，本文利用声阵列技术，采用国际最先进的BBM PAK-Ⅱ噪声测试系统，对某型汽车的噪声特性进行分析，找出主要噪声源的空间位置和频率特性，为进一步开展整车降噪工作奠定了基础。
2 噪声源主要识别方法
噪声源的识别就是在同时有许多噪声源或包含许多振动发声部件的复杂声源情况下，为了确定各个声源或振动部件的声辐射性能，区分并确定主要噪声源并根据它们对声场的作用加以分析而进行的测量与研究。利用现代检测技术，准确识别主要声源的部位、频率等特征，从声源上有针对性地采取有效措施进行降噪，可以大大减轻噪声治理的工作量，对促进生产低噪声产品研制，提高产品质量和寿命有直接的效果。所以，噪声源的识别是整个噪声控制的根本，噪声测量的一项重要内容就是估计和寻找产生噪声的声源。
目前国内外对车辆噪声测试所采用的方法主要有声压法、声功率法、声强法、近场声全息法等。
声压法：声压是最基本的声学量，也是评价噪声
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的最基本的量。它是标量，不需要考虑方向，并且当前声压测量仪器的发展也比较成熟。从声压角度研究噪声的最大缺点是声压在测量中容易受背景噪声和声反射的影响，因此对测量环境要求较高，只有在消声室或半消声室中进行测量才能得到比较满意的结果。
声功率法：声学测量中声功率测量占有重要地位。声功率的测量需要在特定的声学环境里直接测量声压，再得出声功率级，同样对环境的要求比较高，一般需在消声或半消声室内进行。
声强法：声强法的创新点在于注意并利用了被丢失的声压相位信息，利用声强的矢量特性，降低了对测量现场声学环境的要求，并能够反映声级的大小、声能的流动方向、主声源的位置、声辐射面声强分布规律等特征，这对于在现场作噪声源辐射声功率的测量具有很大的优越性。然而由于受到声强仪造价的限制，目前声强测试法只能用于单点测量，对于整个辐射面的噪声特性来说，测试完成需要相当长的时间，此外，也无法实现过渡工况或瞬态工况噪声特性的测量[3-4]。
近场声全息法[5]：近年来，由于计算机数据处理技术的提高，近场声全息技术也在机动车噪声测量中得到了实际应用。声全息技术不仅利用了声信号的强度信息，而且利用了声信号的相位信息，因而具有一些其他噪声识别技术所不具备的特点。它抗干扰性较强，能够在较大的背景噪声下准确地识别机动车表面的主要噪声源，并且能够分析出各个主要噪声源的频率特性。然而，严格意义上的声全息是在近场完成，因而受到了辐射面几何特征的限制，同时，近场声全息亦无法实现运动物体噪声特性的测量，这对于机动车而言，显然是非常不利的。
文中采用了一种新的噪声测试技术——声阵列技术用以研究汽车的噪声特性。该测试技术中传声器阵列是由许多传声器按一定的方式排列组成的阵列，具有强指向性，通过分布在安装不同方位的传声器阵列获取声场信息，使用波束形成（Beamforming）原理对声场信号进行处理，能对宽带噪声源进行有效识别，可用来测定声源的空间分布，即求出声源的位置和强度。较之声强测试技术，它可以同时给出被测物体全场同一时刻的声学特性，可用于机动车过渡工况噪声特性的测量，可对高速运动的声源（如高速行驶的汽车、火车、飞机）进行测量，并且这种测量可以在线完成。本文利用声阵列技术对某型汽车的噪声特性进行了研究，找出主要噪声源的空间位置，并对其频谱特性进行了分析。
3 声阵列技术基本原理
声阵列技术，利用声波波束形成原理处理声源信号，在测得噪声信号的声压级同时，通过“延迟一累加”算法得到信号源的空间位置或指向，进而能够得到整个辐射表面的不同发声信号源位置。图1表示了声阵列技术的基本原理[6-8]。设在空间存在一个强度为的噪声源和一个由多个传声器组成的阵列，由
声源至每个传声器的距离为
),
(t
x
f
i
r，则声信号自声源传至
各个传声器所需时间为
c
r
i
i
=
τ，其中为声速，声信号传至各传声器的相对时间差为
c
)
min(
i
i
i
τ
τ−
=
Δ，则由传声器阵列所确定的噪声源的信号强度为：
∑
=
Δ
−
=
M
i
i
i
i
t
x
f
w
M
t
x
f
1
))
(,
(
1
),
(ˆ（1
）式中为各个传声器的特征系数，是由传声器的数目、距离和布置形式等决定的。
i
w
图1 声阵列技术的基本原理
根据公式(1)，则空间某点一定时间内的有效声压值为
∑−
=
=
≈
1
2)
,
(
ˆ
1
)
,
(
ˆ
)
(
ˆn
k
k
eff
eff
t x
f
n
n
x
P
x
P （2）
上述方法决定了所采用的波束形成技术对于测量信号有非常强的指向性，从而可以实现对物体辐射噪声的全场测量和空间位置的分辨。指向性特征是由归一化衰减因子所表征的，在不同声波入射角度下，指向性灵敏度：
2
2
)
/
sin
sin(
)
/
sin
sin(
)
(⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
Γ
λ
ϕ
π
λ
ϕ
π
ϕ
d
N
N
（3）式中：d为传声器之间的当量距离；为声波入射角(即空间相位角)；λ为所测信号的波长；为阵列系统中传声器个数。
N
4 汽车噪声源声阵列法测试
4.1 测试声学环境
为了能准确地识别试验车的主要噪声源，测量时将该车驶入试验场地，在室外的空旷场地内进行测试，
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