三維波束成形麥克風(fēng)陣列在風(fēng)洞測(cè)試中的應(yīng)用

楊 超，張東興，Philip H?hna

（1.汽車(chē)噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401122；2.中國(guó)汽車(chē)工程研究院，重慶 401122；3.Gfai Tech GmbH，德國(guó)，柏林 12489）

隨著消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)乘員舒適性的要求不斷提高，研發(fā)人員對(duì)汽車(chē)聲學(xué)開(kāi)發(fā)工具提出了新的挑戰(zhàn)。特別是在車(chē)輛正向開(kāi)發(fā)的早期階段（造型階段），快速且可靠的車(chē)外聲源定位分析對(duì)于提高乘員舒適性非常重要。而三維麥克風(fēng)陣列作為聲源定位和分析的關(guān)鍵設(shè)備，在整車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)中起到重要的作用。

1 簡(jiǎn)介

中國(guó)汽車(chē)工程研究院風(fēng)洞中心的三維麥克風(fēng)陣列測(cè)試系統(tǒng)由4個(gè)數(shù)據(jù)采集前端、3塊車(chē)外麥克風(fēng)陣列和1個(gè)車(chē)內(nèi)球形陣列組成，每塊車(chē)外麥克風(fēng)陣列由168個(gè)麥克風(fēng)和1個(gè)高清攝像頭組成，每塊陣列的尺寸為4.5 m×3 m，如圖1所示。兩臺(tái)高性能工作站分別用來(lái)采集和分析數(shù)據(jù)，配有適用于中國(guó)汽研風(fēng)洞中心的特制控制軟件。整個(gè)麥克風(fēng)陣列固定在1個(gè)陣列支架上，可以在風(fēng)洞中沿著流場(chǎng)方向移動(dòng)。需要進(jìn)行麥克風(fēng)陣列測(cè)試時(shí)，將支架移動(dòng)到測(cè)試位置，并使用地面上的固定塔進(jìn)行緊固。完成測(cè)試后，可以將陣列支架移動(dòng)到停止位置（即噴口上方），避免麥克風(fēng)陣列對(duì)氣動(dòng)測(cè)試的干擾。

圖1 三維麥克風(fēng)陣列示意圖

波束成形是通過(guò)采集聲音傳到不同位置麥克風(fēng)的時(shí)間延時(shí)對(duì)聲源進(jìn)行識(shí)別和定位。麥克風(fēng)陣列測(cè)試的結(jié)果叫聲源云圖，即聲源云圖疊加到照片（二維）或者映射到幾何模型（三維）上。對(duì)于二維波束成形，成像的網(wǎng)格點(diǎn)是位于與陣列平面一定距離（稱(chēng)為焦距）的掃描平面；對(duì)于三維波束成形，是將波束成形的結(jié)果映射在汽車(chē)的三維模型上。通過(guò)評(píng)估掃描平面或者三維模型網(wǎng)格點(diǎn)的聲源傳播到麥克風(fēng)陣列不同位置麥克風(fēng)的時(shí)間差異以及幅值衰減來(lái)計(jì)算出聲源云圖[1]。

由于麥克風(fēng)陣列放置在流場(chǎng)以外，風(fēng)洞流場(chǎng)區(qū)域和麥克風(fēng)陣列測(cè)試區(qū)域之間存在剪切層，空氣流過(guò)測(cè)試物體周?chē)a(chǎn)出的噪聲源會(huì)形成輻射聲波，這些聲波在通過(guò)剪切層的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生衍射，從而導(dǎo)致聲源云圖中識(shí)別的噪聲位置與實(shí)際聲源位置發(fā)生偏移和扭曲。因此，在風(fēng)洞中使用麥克風(fēng)陣列必須考慮這種剪切層造成的影響，中國(guó)汽研的麥克風(fēng)陣列依據(jù)Amiet模型對(duì)剪切層進(jìn)行修正[2]，如圖2所示。

圖2 Amiet模型參數(shù)及風(fēng)洞剪切層示意圖

2 麥克風(fēng)陣列標(biāo)定結(jié)果

在無(wú)風(fēng)狀態(tài)下，距離麥克風(fēng)陣列的不同位置放置7個(gè)聲源（揚(yáng)聲器播放白噪聲），如圖3所示，使用麥克風(fēng)陣列進(jìn)行聲源定位。通過(guò)對(duì)比麥克風(fēng)陣列測(cè)試得到的聲源云圖與實(shí)際的揚(yáng)聲器位置偏差，可以測(cè)出麥克風(fēng)陣列聲源識(shí)別定位的精度，測(cè)試結(jié)果如圖4所示，麥克風(fēng)陣列的聲源識(shí)別定位偏差小于10 mm。在風(fēng)速140 km/h的狀態(tài)下，在測(cè)試車(chē)輛側(cè)面不同位置固定3個(gè)揚(yáng)聲器，使用麥克風(fēng)陣列進(jìn)行聲源定位，如圖5所示，麥克風(fēng)陣列的風(fēng)洞剪切層修正偏差小于20 mm。

圖3 標(biāo)定揚(yáng)聲器位置

圖4 無(wú)風(fēng)狀態(tài)下標(biāo)定聲源云圖

圖5 風(fēng)速140 km/h狀態(tài)下標(biāo)定聲源云圖

3 差異波束成形

修改左側(cè)后視鏡形狀（用膠帶在后視鏡殼體上部固定一顆螺栓，制造額外聲源），通過(guò)車(chē)外麥克風(fēng)陣列測(cè)試視鏡形狀對(duì)車(chē)外風(fēng)噪的影響：基礎(chǔ)狀態(tài)左側(cè)陣列聲源云圖如圖6所示，修改左側(cè)后視鏡聲源云圖如圖7所示，從這兩幅圖片無(wú)法清晰地看到后視鏡形狀對(duì)車(chē)外聲源的影響，但可以通過(guò)差異波束成形，用圖7的聲源云圖減去圖6的聲源云圖，得出差異云圖的結(jié)果如圖8所示。由圖可知，修改左側(cè)后視鏡后，后視鏡區(qū)域噪聲源在1～5 kHz明顯增加。

圖6 基礎(chǔ)狀態(tài)下的左側(cè)聲源定位云圖

圖7 修改左側(cè)后視鏡時(shí)的左側(cè)聲源定位云圖

圖8 左側(cè)陣列聲源定位差異云圖

同樣也可以得出頂部陣列的差異波束成形云圖，如圖9～11所示，左側(cè)后視鏡區(qū)域噪聲源明顯增加，而右側(cè)后視鏡區(qū)域聲源無(wú)明顯變化。

圖9 基礎(chǔ)狀態(tài)下的頂部聲源定位云圖

圖10 修改左側(cè)后視鏡時(shí)的頂部聲源定位云圖

圖11 頂部陣列聲源定位差異云圖

4 相關(guān)性分析

中國(guó)汽研的麥克風(fēng)陣列系統(tǒng)還具備相關(guān)性分析的功能，主要目的是判斷車(chē)外聲源對(duì)車(chē)內(nèi)某個(gè)參考位置的噪聲貢獻(xiàn)量。整套系統(tǒng)由數(shù)采前端同步時(shí)鐘控制，車(chē)外麥克風(fēng)陣列的3個(gè)數(shù)采前端和車(chē)內(nèi)麥克風(fēng)陣列的1個(gè)數(shù)采前端可以進(jìn)行同步采集。如圖12所示，4個(gè)數(shù)采前端的觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間在1個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)（1/192 000 s）以?xún)?nèi)，麥克風(fēng)陣列系統(tǒng)能滿足192 K采樣率的同步要求。如圖13所示，沒(méi)有添加車(chē)內(nèi)麥克風(fēng)參考通道識(shí)別的車(chē)外聲源云圖，只識(shí)別出前輪罩、格柵及大燈幾處聲源；如圖14所示，添加車(chē)內(nèi)駕駛室麥克風(fēng)通道識(shí)別的車(chē)外聲源云圖，考慮到外部聲源對(duì)車(chē)內(nèi)駕駛艙麥克風(fēng)的貢獻(xiàn)量，在相同的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，能夠識(shí)別出前輪罩、后輪罩、雨刮槽以及后視鏡處的聲源對(duì)車(chē)內(nèi)主駕駛側(cè)麥克風(fēng)的噪聲貢獻(xiàn)量。從這兩者的對(duì)比云圖可以看出：相對(duì)于前輪罩和車(chē)頭位置聲源，雨刮槽及后視鏡處的聲源雖然幅值較小，但對(duì)于駕駛艙內(nèi)的貢獻(xiàn)卻很大。

圖12 車(chē)外及車(chē)內(nèi)數(shù)采前端同步觸發(fā)結(jié)果

圖13 無(wú)車(chē)內(nèi)參考通道的左側(cè)聲源定位云圖

圖14 有車(chē)內(nèi)參考通道的左側(cè)聲源定位云圖

5 三維波束成形

二維麥克風(fēng)陣列是將聲源云圖疊加到照片上，成像的網(wǎng)格點(diǎn)位于與陣列平面有一定距離（稱(chēng)為焦距）的掃描平面，成像結(jié)果如圖15～17所示。中國(guó)汽研的麥克風(fēng)陣列系統(tǒng)具備自動(dòng)三維掃描功能及車(chē)身輪廓自動(dòng)捕捉功能，具有真正意義上的三維波束成形能力[3]。測(cè)試系統(tǒng)會(huì)考慮麥克風(fēng)陣列和試驗(yàn)車(chē)輛之間的實(shí)際距離，并結(jié)合側(cè)面和頂部陣列的評(píng)估，綜合計(jì)算三維波束成形云圖[4]。如圖18所示，三維聲源定位結(jié)果是將聲源云圖映射到車(chē)身三維數(shù)模上，更加直觀并清晰地顯示聲源在車(chē)聲周?chē)姆植肌?/p>

圖15 左側(cè)二維聲源定位云圖

圖16 頂部二維聲源定位云圖

圖17 右側(cè)二維聲源定位云圖

圖18 三維聲源定位云圖

6 結(jié)論

氣動(dòng)聲源具有三維分布，因此，為了在風(fēng)洞中獲得聲源的詳細(xì)信息需要使用三維波束成形方法。中國(guó)汽研風(fēng)洞中心的麥克風(fēng)陣列系統(tǒng)具備三維波束成形的能力，具有極好的定位精度和風(fēng)洞剪切層偏移修正精度，同時(shí)具備差異云圖分析及相干性分析等高級(jí)功能，為整車(chē)風(fēng)噪性能開(kāi)發(fā)提供強(qiáng)有力的測(cè)試工具。