基于声阵列技术的汽车噪声源识别试验研究

1、基于声阵列技术的汽车噪声源识别试验研究第28卷第6期振动与冲击JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK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(石家庄铁道学院交通环境与安全工程研究所河北省重点实验室,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.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

2、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;噪声源识别中图分类号:U467.4文献标识码:A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,因此有效地控制噪声,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

3、,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.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BBMPAK一噪声测试系统,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.1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

4、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,对促进生产低噪基金项目:国家自然科学基金资助项目(10672107)收稿日期:20081015第一作者司春棣女,博士,讲师,1980年生通讯作者陈恩利男,教授,1959年生声产品研制,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

5、是评价噪声的最基本的量.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

6、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J.近场声全息法: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

7、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l72振动与冲击2009年第28卷然是非常不利的.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,

8、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.2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.累加”算法得到信号源的空问位置或指向,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J.设在空问存在一个强度为.,)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I,则声信号自声源传至各)=】(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);A为所测信号的波长;N为阵列系统中传

9、声器个数.3汽车噪声源声阵列法测试3.1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,在室外的空旷场是由传声器的数目,距离和布置形式等决定的.,)?图1声阵列技术的基本原理根据公式(1),则空间某点一定时问内的有效声压值为,_Il一()()()(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:本试验采用德国生产的BBMPAKII声强测试系统,测试系统由电脑,数据采集和传声器阵列3部分组成,如图2所示.传声器阵列采用了螺旋

10、型阵列,这种布置形式采用了传声器的不等距布置技术,重建的声场特性的信噪比较之等距布置的传声器阵列要高.为了保证测试的准确性,在试验开始前现场采用MI一0600标准声压发生器对该套测试系统进行校准.为便于确定主要噪声源的空问位置,布置了一个USB接口自动扫描摄像的数码照相机,能自动进行被测物影像拍摄,以获得被测试验车的光学图像,光学图图2声阵列现场测试图第6期司春棣等:基于声阵列技术的汽车噪声源识别试验研究173像可与所获得的声学图像严格重叠,从而可以迅速地给出噪声源的空间信息,实时记录不同声强的声源所在,这在声源识别中有重要意义.这一测试系统具有测试速度快,可同时跟踪多种参数,能够在线显示各工

11、况,各频段下的噪声源分布图,并形成声学电影,能够在线或离线进行声音的回放,监听等特点.3.4测试过程(1)安装德国BBM噪声测试系统,将导线的一头对应地连接到传声器阵列上(本试验阵列由32个传声器组成,导线一共3组,安装时注意对应好相应的传声器阵列上的通道),将导线的另一头连接到BBM测试系统的对应的通道上,用网线将PAK系统和计算机相连.(2)接通电源,打开计算机观察测试系统是否与其连接成功,同时打开传声器阵列上的摄像头盖子,对测试系统进行校准.(3)将传声器阵列正向对准车身的右侧,尽量保证传声器阵列上的摄像头可以照到整个车身,而且还要保证传声器阵列与汽车的距离不会太远.(4)启动汽车将其工

12、作在怠速工况下,30s后,等到汽车稳定工作在怠速工况下试验开始,点击PAK系统中的”START”进行测量,10s后测量结束,进行数据保存.图3为传声器阵列测试噪声源的界面图,图中显示为32个通道声压测试结果,横坐标噪声频率,纵坐标为测试时间和声压级.测试持续时间为10s,随着时间的增长,每个通道的蓝色流量将不断增加,当蓝色填充满通道时,测试结束.(5)重复步骤(4),获得第二次试验数据.(6)对比两次测量结果,得出较满意的数据结果,如果数据不理想可以尝试移动传声器阵列的位置,重新测量数据.图3PAK软件系统的界面3.5测试结果与分析本次试验中选取了发动机转速分别为1500r/min,3000r

13、/min,4500r/min三种工况进行测试.图4所示为1500r/min时,声阵列测试系统所给出的测量时间段内该试验车噪声源声压分布的坎布尔图,横坐标代表噪声频率,左侧的纵坐标为测试时间,右侧的纵坐标为噪声的声压级.从图中可以看出,高噪声辐射能量主要集中于400Hz2000Hz的频率段内,其中具有最高声辐射能量的频率点为987.5Hz,所对应的声压级为84.2dB(A).因此,确定该频率所对应的噪声源的位置和来源是进一步采取正确降噪措施的前提o200040006000800010oooHz图4发动机转速为1500r/min时坎布尔图图5为由声阵列测试系统所获得的,以987.5Hz频率为中心频

14、率进行声源定位的结果.可以看出,图中所显示的声压级最高点位于发动机靠近驾驶室处,这说明发动机产生的噪声向上辐射,通过车机盖与挡风玻璃结合处的通风口排出,因此根据声压分布结果,结合发动机在汽车的安装位置,认为该频率对应的噪声源为发动机.一0.6.0.40.200.20.4图5发动机转速为1500r/min时噪声源位置图6所示为3000r/min时,声阵列测试系统所给出的测量时间段内该试验车噪声源声压分布的坎布尔图,从图中可以看出,高噪声辐射能量主要集中于0Hz500Hz的频率段内,其中具有最高声辐射能量的频率点为406.25Hz,所对应的声压级为51.8dB(A).鲫加卯如加m098765432

15、1O%勰勰4321O1234OOOO174振动与冲击2009年第28卷图7为由声阵列测试系统所获得的,以406.25Hz频率为中心频率进行声源定位的结果.此时的声压级最高点位于发动机靠下前右轮处,这说明发动机产生的噪声向下辐射,结合地面反射,在前右轮后部达到最大声压级,可以认为该频率对应的噪声源也为发动机.Hz图6发动机转速为3000r/min时坎布尔图图7发动机转速为3000r/min时噪声源位置当发动机转速进一步提升达到4500r/rain,由图8所示的声阵列测试系统所给出的测量时间段内该试验车噪声源声压分布的坎布尔图可以看出,在0Hz300Hz的低频频段内,高噪声辐射能量比较集中,其中具

16、有最高声辐射能量的频率点为162.5Hz,所对应的声压级为74.9dB(A),这说明汽车的悬架系统等可能产生了振动,形成了声固耦合,有待进行相关振动测试,做进一步研究.图8发动机转速为4500r/min时坎布尔图图9为由声阵列测试系统所获得的,以162.5Hz频率为中心频率进行声源定位的结果.可以看出,此时的声压级最高点位于试验车右前侧的地面处,此时发动机转速很高,输出功率很大接近极大值,发动机产生的噪声向下辐射至地面并产生反射,在前右轮右前侧达到最大声压级,同样可以认为该频率对应的噪声源主要为发动机.O.60.4.0.200.20.4图9发动机转速为4500r/min时噪声源位置汽车正常行驶

17、时发动机转速通常不会达到3000r/rain甚至4500r/min,根据噪声源测试结果,此时的噪声主要表现为对外界环境产生噪声影响的车外噪声,而当汽车正常行驶时发动机转速通常在3000r/rain以下,根据噪声源测试显示的位置和频谱特性,此时的噪声辐射会对驾驶室内的乘坐舒适性产生影响,因此根据试验得出的具体噪声源,结合对应的频率特性,进一步研究降低发动机噪声具有重要的实用意义.此外还可以看出,将声阵列技术用于汽车噪声源识别研究时,具有独到的优势,可以迅速,准确地识别出噪声源产生的位置,并分析出噪声源的频谱特性,为降低噪声而有针对性地制定技术路线奠定了基础,使快速取得降噪效果成为可能.4结论(1

18、)由不同发动机转速的坎布尔图和噪声源识别结果表明,当低转速时,噪声源主要包含了高频能量;当高转速时,噪声源主要包含了低频能量,这时有可能引起声固耦合现象,有待进一步研究,根据声源诊断结果可以判定噪声主要为发动机噪声.(2)利用基于波束形成技术的声阵列系统,重建了相应频率下的全场声压分布特性.研究结果表明,基于传声器阵列的测量技术能够有效识别某型汽车的噪声源,并得到了声源的频率特性和声压级大小,为该型车的噪声控制提供了科学依据.(下转第190页)21)98.(.,9876舢:尝舳加如加如加振动与冲击2009年第28卷测试卷曲能允许偏差为-4-25g?cm/cm,而图5中的两组试验数据最大偏差为6

19、.39g?cm/em,我们设置的振动卷曲能的报警参数范围是±10g-cm/cm,可见两组数据相当接近.数据的明显变动是和丝束卷曲能目标的变化以及卷曲机压板压力和对辊压力调整相关的.表1列出了9A1在测试期间的卷曲机调整记录,卷曲机的调整是根据卷曲能测试值的变化而进行的,其间由于机械故障更换了台卷曲机.对比表1和图5的时间,可以看出卷曲机的调整直接改变了振动数值,对于较大的压板压力变化,必须进行重新标定.随着丝柬在卷曲机腔体内不断的摩擦,掉落的碎屑会影响腔体体积和摩擦系数等,而使卷曲能出现微小的变化,因此需要根据卷曲能测试数据对压力进行微调以保证卷曲能的平稳.卷曲辊压力和上压板压力的调

20、整理论上可以根据欧拉公式调节两者中的任何一个压力,但实际操作时,卷曲辊压力的变化是主要调节方向,这有利于丝束质量的稳定,是多年生产实践得到的经验,正如表1调整记录所示.系统将振动特征值表I9A1测试期间卷曲机调整记录更换卷曲机(上接第174页)参考文献1BarsikowB,eta1.Wheel/RailNoiseGeneratedbyaHighspeedTrainInvestigatedwithaLineArrayofMicrophonesJ.JournalofSoundandVibration,1987,118(1):743749.2潘汉军,李加庆,陈进,等.半自由场波叠加噪声源识别方法研究

21、J.中国机械工程,2006,17(7):733736.3毛晓群,罗禹贡,杨殿阁,等.使用阵列技术识别高速行驶轿车的辐射声源J.汽车技术,2003,(9):69.4杨殿阁,等.运动声源的声全息识别方法J.声学,2002,27(4):357362.5BrtihlS,RMerA.AcousticnoisesourcemodelingbasedOil和卷曲能关联起来,在传感器有效测量范围内,无论是压板压力还是卷曲辊压力发生变化,都可以根据系统输出的振动卷曲能曲线来预测卷曲能的变化,并反过来指导压力的调节.10月5日到10月22日期间,卷曲机未进行调整,取1O月11日到10月28目的数据计算标准差,可以

22、得到卷曲能平均值(振动数据)的标准差为0.624,而物检测试的卷曲能平均值标准差为1.517,显然,振动数据的标准差远小于物检测试数据的标准差.4结论本文利用电涡流传感器测量卷曲机振动信号,经过建模和计算快速获得烟用醋纤丝束卷曲能,并合作开发了一套卷曲机振动信号监测系统,在9A1生产线上进行跟踪测试,测试结果表明振动卷曲能和测试卷曲能变化趋势一致,振动卷曲能数据比测试卷曲能数据更稳定,卷曲机压板受力变化可以迅速反映在振动卷曲能数据曲线上,该监测系统可以作为卷曲机实时状态监测的一种新的有效手段.参考文献1杨占平.烟用二醋酸纤维卷曲工艺探讨J.烟草科技/烟草工艺,2001(9):912.2王军,曹建华.提高烟用二醋酸纤维素丝束卷曲均匀性的研究J.烟草科技,1999(5):13一l5.3曹建华.填塞箱卷曲的形成过程,形成条件及填塞箱体应力分步分析J.合成纤维,1995(3):2527.4