如何開發(fā)一款便攜且價(jià)格合理的聲學(xué)波束形成形,實(shí)現(xiàn)通過噪聲測(cè)量和其他應(yīng)用中的噪聲源識(shí)別?巴西圣卡塔琳娜州聯(lián)邦大學(xué)(UFSC)的噪聲和振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室使用 32 個(gè)麥克風(fēng)組成的螺旋陣列、NI LabVIEW 軟件、NI 聲音和振動(dòng)測(cè)量套件,以及 32 通道的 NI CompactDAQ 系統(tǒng),搭配 8 個(gè) NI 9234 4 通道動(dòng)態(tài)信號(hào)采集(DSA) 模塊 來獲取噪聲源的可視化圖像,從而識(shí)別出行駛車輛所產(chǎn)生的信號(hào)。
UFSC 將 LabVIEW 和 NI CompactDAQ 應(yīng)?于?輛通過噪聲測(cè)試的聲學(xué)波束成形中通過噪聲測(cè)試經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化,可將車輛運(yùn)行過程中最大的附帶噪音水平量化。
在許多國(guó)家,有關(guān)政 府機(jī)構(gòu)對(duì)聲音測(cè)試都有限制規(guī)定,通常為 ISO362------測(cè)量道路車輛加速所產(chǎn)生的噪聲。這些規(guī) 定旨在記錄車輛在城市交通中正常行駛所產(chǎn)生的主要噪聲源水平,通常時(shí)速限制為 50 或 70 公里/小 時(shí)。
車輛通過噪聲測(cè)試可以驗(yàn)證,一輛符合標(biāo)準(zhǔn)的汽車,其產(chǎn)生的交通噪音不得超過所規(guī)定的限值。汽車上的很多部件都會(huì)產(chǎn)生噪聲,包括電機(jī)、排氣裝置、變速器以及輪胎。
標(biāo)準(zhǔn)的通過噪聲測(cè)試 無法識(shí)別會(huì)造成測(cè)試失敗的源噪聲,因此我們需要一項(xiàng)能夠可視化呈現(xiàn)聲場(chǎng)的技術(shù),以分辨不同 的聲源。在該測(cè)試中,我們采用了波束成形,可以看到哪些聲源會(huì)顯著增大整體噪音,并對(duì)車輛通 過噪聲產(chǎn)生影響。
波束成形
我們搭建了波束成形器,或稱為“聲學(xué)相機(jī)” ,其構(gòu)造是一個(gè) 32 個(gè)麥克風(fēng)組成的螺旋陣列,麥克風(fēng) 間的最大直徑距離為 1 米,可用來捕捉噪聲源的視覺成像,我們還組建了一個(gè) 1.1*1 米的金屬網(wǎng) 格。陣列的定位與單個(gè)麥克風(fēng)在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中的位置相同,距通道中心線的距離為 7.5 米,其中心距 地面距離為1.3m,從而確保通過測(cè)試中所有的測(cè)量條件相同。
我校學(xué)生使用低成本的駐極體盒麥克風(fēng)搭建了陣列麥克風(fēng)。傳統(tǒng)的定向陣列硬件由市場(chǎng)上的電容麥克風(fēng)和前置放大器組成,但對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的使用來說過于昂貴。
創(chuàng)建完整的陣列麥克風(fēng)可以節(jié)省 開支,并為學(xué)生提供有價(jià)值的項(xiàng)目。 美國(guó)航空航天局蘭利研究中心研究發(fā)現(xiàn),所使用的駐極體盒 產(chǎn)生的麥克風(fēng)頻率響應(yīng),適用于定向列陣,其音頻頻譜的幅度和相位響應(yīng)變化最小,高頻變化適 中。
我們正是基于以上研究完成了該設(shè)計(jì)。
數(shù)據(jù)采集
我們采用 NI USB-9162 高速 C 系列 USB 外盒,搭配 8 個(gè) NI 9234 DSA 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。我們選 擇了緊湊且直流供電的 NI 硬件,它能為陣列中的麥克風(fēng)提供電源。
模塊的無混疊帶寬高達(dá) 20 kHz。此外,通道的相位匹配對(duì)于聲學(xué)波束形成來說相當(dāng)重要,且系統(tǒng)規(guī)定任意兩個(gè)通道間的相位不匹配度不能超過一度。
由于系統(tǒng)是直流供電,所以使用電池操作很方便。在筆記本電腦上運(yùn)行 LabVIEW 軟件和聲音與振動(dòng)測(cè)量套件,可輕松地將電壓值轉(zhuǎn)換為噪聲測(cè)量中使用的工程單位。此外,聲音和振動(dòng)測(cè)量套件符合 IEC61260(電聲、倍頻程和分?jǐn)?shù)倍頻程帶通濾波器)和 IEC61672(電聲和聲級(jí)計(jì))聲級(jí)測(cè)量、加權(quán)濾波器、倍頻程分析的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),其測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、重復(fù)性佳。
分析
數(shù)據(jù)采集完成后,我們采 用了傳統(tǒng)的延遲相加波束 成形算法對(duì)其進(jìn)行分析。我們對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行了總 結(jié),并描述了從聲源到不 同麥克風(fēng)的不同傳播路 徑。
聲源以高速通過聲 學(xué)相機(jī)(與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 的采樣速度相比,現(xiàn)代汽 車的速度仍舊緩慢),可 使光束集中并追蹤通過麥 克風(fēng)陣列的聲源。
我們 必須校正反多普勒過程的 多普勒效應(yīng),其中包括幅 度和頻率校正,從而獲取 連貫的信號(hào)總和。
為了校準(zhǔn)聲學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)和 正在測(cè)試的車輛照片、疊 加噪聲幅度,我們啟動(dòng)了 蜂鳴器(主件約為2.2 千 赫下的 90 分貝)和以 50 公里每小時(shí)勻速運(yùn)行的車 輛,讓其像常規(guī)通過測(cè)試 一樣通過陣列。
我們采用這種方法替代了 穩(wěn)定測(cè)量,正是因?yàn)樗?集速度快、質(zhì)量高。它 同時(shí)還呈現(xiàn)了通過測(cè)量中 的同類錄音。蜂鳴器的 位置可允許照片和數(shù)據(jù)準(zhǔn) 確對(duì)齊。
由于車輛的輪胎和車身周 圍的湍流運(yùn)動(dòng)等在移動(dòng)過 程中會(huì)產(chǎn)生噪音, 我們 將該技術(shù)應(yīng)用到車輛上, 對(duì)這些噪聲進(jìn)行了精確的 評(píng)估和識(shí)別。介于此, 我們可以很好地以減少風(fēng) 洞外的車輛通過噪聲。
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原文標(biāo)題:檢測(cè)車輛通過噪聲,介紹一個(gè)好工具!
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