聲學(xué)圖像識(shí)別50公里時(shí)速、1,904.3 Hz下的輪胎和排氣噪聲

"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。"

- Samir N.. Gerges, Federal University of Santa Catarina (UFSC)

挑戰(zhàn):

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 。

解決方案:

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)別行駛車輛所產(chǎn)生的信號(hào)。

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)室從事多種項(xiàng)目研究，并參與汽車行業(yè)的研發(fā)，使產(chǎn)品能夠符合噪音和振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。 除了支持本地行業(yè)的發(fā)展之外，我校還大力推動(dòng)本科生/研究生教學(xué)和研究的學(xué)術(shù)發(fā)展。

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杉俣瓤?、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。