基于波束形成的發動機噪聲源識別試驗研究

張翠青 高志鷹 韋麗珍

摘 ?要： 噪聲是汽車舒適性及整車性能評價的重要指標，在探究發動機降噪途徑過程中，聲源精確定位識別決定降噪方法的優劣。試驗基于波束形成聲源識別算法，對大眾2VQS電噴發動機前側、進氣側、排氣側三個方位面進行噪聲源識別測試。測試前構建發動機物理坐標系輔助噪聲源點位坐標的精確識別，側重定位分析1 000 Hz以上聲能量位置變化規律。試驗結果表明，基于構建輔助物理坐標系并采用波束形成算法能夠精確識別發動機噪聲源位置;測試方位面不同，識別發動機噪聲源位置不同，噪聲源主要集中在發電機、缸體、皮帶輪、齒輪系、冷卻風扇5處;聲能量集中位置聲壓級隨轉速升高而增強，轉速為2 500 r/min時聲壓級數值近似相等，當轉速大于2 500 r/min，各測試面聲壓級趨于恒定。

關鍵詞： 汽車; 發動機; 波束形成; 噪聲源識別; 頻譜分析; 坐標標定

中圖分類號： TN911.4?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）13?0165?04

Experimental research on engine noise source identification based on beamforming

ZHANG Cuiqing1， 2， GAO Zhiying1， WEI Lizhen2

（1. School of Energy and Power Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Huhhot 010051， China;

2. Department of Electrical Engineering， Inner Mongolia Technical College of Mechanics and Electrics， Huhhot 010070， China）

Abstract： Noise is an important indicator for the evaluation of vehicle comfort and performance. In the process of exploring for the approaches of automobile engine noise reduction， precise location and recognition of a sound source is to determine whether the noise reduction method is good or not. In the experiment， a noise source identification testing on the front side， intake side， and exhaust side of the 2VQS EFI Volkwagen engine was conducted on the basis of the beamforming noise source recognition algorithm under different working conditions. Before the experiment， the physical coordinate system of the engine was constructed for facilitating the precise identification of noise source point location coordinate. The location change law on the noise sources above 1 000 Hz was identified and analyzed emphatically. The experimental results show that the noise sources can be accurately identified by applying beamforming algorithm on the basis of the constructed physical coordinate system; the noise source is mainly concentrated on the generator， pulley， gear train and cooling fan due to different test azimuth plane and different engine noise source location; at the concentrated location of sound energy， the sound pressure level increase with the increase of rotation speed， the sound pressure levels of the three testing surfaces are nearly equal at 2 500 r/min， and the sound pressure levels of the three testing surfaces tend to constant status when the rotation speed is more than 2 500 r/min.

Keywords： vehicle; engine; beamforming; noise source identification; spectrum analysis; coordinate calibration

0 ?引 ?言

噪聲是汽車舒適性及整車性能評價的重要指標，降低汽車噪聲成為研究的熱點課題。汽車噪聲主要包括發動機噪聲、底盤噪聲和車身噪聲三大類[1]，發動機噪聲是主要噪聲源。在控制發動機噪聲降噪途徑中，聲源精確定位識別決定降噪方法的優劣。鑒于此，許多學者基于發動機噪聲源識別方向展開一系列針對性研究。文獻[2]采用雙傳聲器聲強探頭、PULSE3560C信號采集器進行聲學采集，基于聲強原理對測得的噪聲信號進行頻譜分析，進而確定發動機的主要噪聲源。文獻[3]基于波束形成算法采用數值模擬的方法對某發動機頂側、排氣側、進氣側的聲源進行識別，結果表明，氣缸蓋罩1缸和2缸中間及3缸和4缸中間的位置、缸體、排氣旁通閥和發電機是其主要噪聲源。文獻[4]基于近場聲全息技術進行雙測量面聲學數據測試，利用前、后測量面全息數據相位差異進行格林函數的求解，并進行聲場重建，從而識別汽車噪聲源。文獻[5]運用基于互譜成像波束形成方法對加速汽車發動機的高頻嘯叫進行聲源識別，識別出聲輻射源為張緊輪。文獻[6]應用流場外聲陣列與車內2個參考麥克風同時進行車內外噪聲信號同步測量，并用傳統的Beamforming算法和改進的CLEAN?SC算法識別出車外的氣動噪聲分布。

目前噪聲源識別方法主要有近場聲全息法[7?8]、聲壓法[9?10]和波束形成法[11?14]三大類。波束形成法以其測量速度快、計算效率高、適宜中長距離測量、對穩態瞬態及運動聲源定位精度高等特點被廣泛應用于噪聲源識別。本文在測試前構建物理坐標系，對發聲部件進行數值化輔助聲源的精確識別，基于聲陣列對大眾2VQS電噴發動機臺架的前側、排氣側、進氣側三個測試面進行不同轉速的聲學信號采集，并基于波束形成算法識別定位出發動機主要噪聲源及主要聲源隨發動機轉速變化的規律。

1 ?試驗原理

波束成形（Beamforming）技術主要基于聲陣列獲得聲音信號的延遲、求和處理，進而確定聲源位置。其核心思想是離散化被測物聚焦平面形成聚焦網格點，利用傳聲器陣列采集聲信號反向聚焦各網格點并按聚焦點位置進行相位補償后加和輸出，真實信號源所在聚焦點的輸出量被加強，其他聚焦點的輸出量被衰減[15?16]，從而有效識別聲源。圖1為波束形成原理的示意圖，其中，[L]表示聲源測試面與陣列面的距離，[rm]為第[m]個傳聲器坐標向量（[m=]1，2，…，[M]），[M]為傳聲器數目，[S]為聚焦聲源點，[r]為其坐標向量。假設聲源為單極子點聲源，輻射波為球面波。聲陣列中傳聲器接收聲壓信號的表達式為：

圖1 ?波束形成原理

2 ?聲源識別測試

2.1 ?發動機臺架標定

為了準確識別聲源的位置，用標尺標定坐標原點構建物理坐標系如圖2所示，并對發動機前側、進氣側、排氣側主要發聲部件（發電機、缸體、進氣歧管、曲軸皮帶輪、起動機、三元催化器等）進行數值化標定。

圖2 ?主要發聲部件位置標定

2.2 ?試驗設備及方案

采用聲陣列對標定工況下的四缸大眾2VQS電噴發動機臺架的前側、排氣側、進氣側三個測試面進行基于波束形成的發動機噪聲源識別臺架試驗，其試驗布置如圖3所示。該試驗在內蒙古工業大學汽車發動機實驗室下進行。試驗采用BK公司直徑0.78 m的集成4958型傳聲器的60通道Combo聲陣列進行測量，陣列距離發動機前側、進氣側、排氣側均為1 m，分別采集發動機為怠速、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min、3 000 r/min和全負荷工況下的聲源信號，陣列各傳聲器接收的聲音信號經60通道Pulse 3560D型數據采集系統同時采集并傳輸到Array NSI（Noise Source Identification）post?processing軟件中進行數據處理，得其頻譜圖及聲源位置圖。

圖3 ?試驗整體布置

3 ?實驗結果分析

本文主要結合波束形成技術算法原理和汽車發動機聲源頻譜，分析大于1 000 Hz聲源位置。通過對頻譜曲線及聲源識別圖進行分析，確定產生最強聲能量的零件及對應最強聲能量的頻率。

3.1 ?背景噪聲分析

為避免背景噪聲對分析結果的干擾，需分析測試環境的背景噪聲頻譜特征。運用BK聲陣列測試系統在距離發動機前側、進氣側和排氣側1 m的位置，分別采集未啟動發動機的聲信號。以發動機前側背景噪聲聲功率級譜為例來分析，如圖4所示，背景噪聲與聲源聲能量相差20 dB，則背景噪聲就可忽略不計。