楊 洋，褚志剛

（1.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，重慶 401120；2.重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044)

車內(nèi)噪聲水平的高低在很大程度上決定了汽車的乘坐舒適性，進(jìn)而影響其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[1，2]。大部分車內(nèi)噪聲是由車外發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、輪胎路面噪聲、空氣動(dòng)力學(xué)噪聲等通過車身上聲學(xué)密封性能薄弱的部位泄露至車內(nèi)的[3，4]。因此，采用合理有效的方法準(zhǔn)確檢測(cè)汽車的聲學(xué)密封性能，正確識(shí)別其薄弱部位，是進(jìn)一步降低車內(nèi)噪聲水平的前提，對(duì)提高其乘坐舒適性及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

目前，已有的汽車聲學(xué)密封性能檢測(cè)方法主要有煙霧法、加壓泄壓法、聲源識(shí)別法等。煙霧法在車內(nèi)施加高壓彩色煙霧，通過在車外觀測(cè)煙霧的泄露情況來確定密封性能薄弱的部位，該方法簡(jiǎn)單方便，但無法量化各部位的泄漏量。加壓泄壓法向車內(nèi)打氣來提高車內(nèi)氣壓，通過觀測(cè)車內(nèi)氣壓下降至外界大氣壓力時(shí)所需要的時(shí)間來衡量汽車整體密封性能的好壞，但其無法確定密封性能薄弱部位的具體位置。聲源識(shí)別法在特定條件下進(jìn)行車身表面的噪聲源識(shí)別試驗(yàn)，基于聲源識(shí)別結(jié)果，不僅能夠準(zhǔn)確定位密封性能薄弱的部位，而且能夠準(zhǔn)確定量這些部位的聲音泄漏量，是一種較優(yōu)的檢測(cè)方法。聲源識(shí)別法根據(jù)測(cè)試設(shè)備測(cè)量位置的不同，分為車內(nèi)檢測(cè)和車外檢測(cè)兩種。車內(nèi)檢測(cè)直接利用測(cè)試設(shè)備在車內(nèi)測(cè)量由車外泄露至車內(nèi)的聲音信號(hào)，常用的是基于球形傳聲器陣列的球諧函數(shù)波束形成方法[5，6]，其理論復(fù)雜，且因車內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜而不易于試驗(yàn)布置。車外檢測(cè)基于聲學(xué)互易原理，在車內(nèi)設(shè)置聲源，利用測(cè)試設(shè)備在車外測(cè)量由車內(nèi)泄露至車外的聲音信號(hào)，典型的有聲強(qiáng)法、基于平面?zhèn)髀暺麝嚵械难舆t求和波束形成法。聲強(qiáng)法[7，8]利用聲強(qiáng)探頭直接測(cè)量車身外表面的聲強(qiáng)并進(jìn)行聲學(xué)成像，通過對(duì)比分析不同位置的測(cè)量聲強(qiáng)量來識(shí)別聲源，其識(shí)別準(zhǔn)確，但耗時(shí)長(zhǎng)，成本高。波束形成法[9―14]利用平面?zhèn)髀暺麝嚵性诰嚯x車身表面中長(zhǎng)距離的位置接收聲音信號(hào)，基于“延遲求和”理論在反向聚焦聲源平面各點(diǎn)時(shí)對(duì)各傳聲器接收的聲音信號(hào)進(jìn)行“相位對(duì)齊”和“求和運(yùn)算”，使真實(shí)聲源所在位置的輸出量被加強(qiáng)，而其他位置的輸出量被衰減，從而有效識(shí)別聲源，相比于聲強(qiáng)法，其具有測(cè)量速度快、計(jì)算效率高、中高頻分辨率好等優(yōu)點(diǎn)，是近年來較為流行的聲源識(shí)別方法。

本文在消聲室內(nèi)進(jìn)行某汽車的聲學(xué)密封性能檢測(cè)，在車內(nèi)設(shè)置無指向性聲源，利用平面?zhèn)髀暺麝嚵性谲囃饨邮沼绍噧?nèi)泄露出的聲音信號(hào)，基于波束形成準(zhǔn)確識(shí)別車身表面的聲源，即聲學(xué)密封性能薄弱的部位，為進(jìn)一步改善其密封性能、降低車內(nèi)噪聲水平提供依據(jù)。

1 波束形成理論

波束形成聲源識(shí)別技術(shù)利用傳聲器陣列接收聲音信號(hào)，離散聲源計(jì)算平面形成聚焦網(wǎng)格點(diǎn)，基于延遲求和算法在反向聚焦各網(wǎng)格點(diǎn)時(shí)對(duì)各傳聲器接收的聲音信號(hào)進(jìn)行“相位對(duì)齊”和“求和運(yùn)算”，使真實(shí)聲源所在聚焦點(diǎn)的輸出量被加強(qiáng)，其他聚焦點(diǎn)的輸出量被衰減，從而有效識(shí)別聲源[9―14]。圖1為波束形成聲源識(shí)別布局示意圖，黑色“·”表示陣列傳聲器，rm(m=1，2，…，M)為m號(hào)傳聲器坐標(biāo)向量，M為傳聲器數(shù)目，圖示為直徑0.65 m的36通道COMBO陣列，灰色“★”表示聲源計(jì)算平面聚焦點(diǎn)，r為其坐標(biāo)向量。波束形成的輸出量如式(1)所示[9]

其中C為陣列傳聲器接收聲音信號(hào)的互譜矩陣，1為元素均為1的矩陣，上標(biāo)T和?分別表示向量的轉(zhuǎn)置和共軛，v=[vm(r)]為r聚焦點(diǎn)位置的轉(zhuǎn)向列向量，w≡[|vm|2]。式(2)為轉(zhuǎn)向向量的元素表達(dá)式，k=2πf c為波數(shù)，f為信號(hào)頻率，c為聲速

圖1波束形成聲源識(shí)別布局示意圖Fig.1 Layout of beamforming sound source identification

圖2 顯示了聲源計(jì)算平面中心位置聲源的識(shí)別結(jié)果，顯然，當(dāng)聚焦點(diǎn)r等于真實(shí)聲源所在位置時(shí)，B(r)輸出量最大，形成“主瓣”，當(dāng)聚焦點(diǎn)r不等于真實(shí)聲源所在位置時(shí)，B(r)輸出量被衰減，形成“旁瓣”，從而聲源被有效識(shí)別。最大旁瓣水平相對(duì)于主瓣峰值的高低決定了聲源識(shí)別的準(zhǔn)確度，進(jìn)一步，在聲音信號(hào)的互譜矩陣中消除對(duì)角線自譜元素，可以消除陣列各傳聲器通道自噪聲的影響，有效衰減最大旁瓣水平，提高聲源識(shí)別的準(zhǔn)確度[9,12―14]。設(shè)C'為對(duì)角線元素均為0的互譜矩陣，1'為對(duì)角線元素均為0其他元素均為1的矩陣，相應(yīng)地，波束形成輸出量可寫為

圖2 聲源計(jì)算平面中心位置聲源的識(shí)別結(jié)果Fig.2 Identification result of the source in the center of the source plane

2 試驗(yàn)準(zhǔn)確性檢驗(yàn)

為保證基于波束形成的汽車聲學(xué)密封性能檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在相同的試驗(yàn)條件下，首先進(jìn)行已知聲源的識(shí)別試驗(yàn)來檢驗(yàn)波束形成的聲源識(shí)別準(zhǔn)確性。圖3為檢驗(yàn)試驗(yàn)的布局示意圖，其在全消聲室內(nèi)進(jìn)行，輻射單頻聲波信號(hào)的WB 3509型壓電晶體蜂鳴器作為已知聲源粘貼在試驗(yàn)車右側(cè)車身上某一確定的位置，用安裝4958型傳聲器的直徑為0.65 m的Brüel ＆ Kj?r公司的36通道COMBO陣列接收聲音信號(hào)，陣列平面中心正對(duì)車身表面的B柱且與車身表面間的垂直距離為1.9 m。陣列各傳聲器接收的聲音信號(hào)被41通道PULSE 3560 D型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時(shí)采集并傳輸?shù)絇ULSE LABSHOP軟件中進(jìn)行頻譜分析，得傳聲器聲音信號(hào)的完整互譜矩陣，基于式(3)示的波束形成理論編程實(shí)現(xiàn)聲源計(jì)算平面的聲源識(shí)別聲學(xué)成像，這里，設(shè)定聲源計(jì)算平面尺寸為2.2 m×1.6 m，網(wǎng)格間距為0.05 m×0.05 m。圖4為聲源識(shí)別成像圖，其成像量是由式(3)計(jì)算的波束形成輸出量轉(zhuǎn)化的聲壓級(jí)水平，8 dB的顯示動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，聲學(xué)中心恰好出現(xiàn)在蜂鳴器所在的位置，聲源被準(zhǔn)確識(shí)別，表明波束形成技術(shù)能夠保證汽車聲學(xué)密封性能的準(zhǔn)確檢測(cè)。

圖3 檢驗(yàn)試驗(yàn)布局示意圖Fig.3 Layout of the check test

圖4 已知蜂鳴器聲源的識(shí)別成像圖Fig.4 Contour plot showing the identification result of the given beeper source

3 汽車聲學(xué)密封性能檢測(cè)

進(jìn)一步，基于波束形成進(jìn)行汽車右側(cè)面和后側(cè)面的聲學(xué)密封性能檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)根據(jù)聲學(xué)互易原理，在車內(nèi)放置4292型無指向性聲源，圖5為聲源布置的示意圖，測(cè)量時(shí)，人為控制PULSE發(fā)出頻率為3 600～4 400 Hz的寬帶白噪聲信號(hào)通過2716型功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)該無指向性聲源發(fā)聲，這里，選擇3 600～4 400 Hz的信號(hào)頻率范圍是因?yàn)椴ㄊ纬煞椒ㄔ谥懈哳l時(shí)具有較高的空間分辨率，該頻帶可以保證識(shí)別結(jié)果的空間精度。試驗(yàn)采用的傳聲器陣列、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及右側(cè)測(cè)量時(shí)陣列的布置形式與上述檢驗(yàn)試驗(yàn)相同。圖6為3 600～4 400 Hz頻段右側(cè)面的聲源識(shí)別成像圖，可見，最大的聲學(xué)中心位于前后車門的縫隙處，且沿著前車門邊緣成“L”型分布，8 dB的顯示動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，前后車門縫隙的頂部位置也出現(xiàn)聲學(xué)中心，其幅值低于第一聲學(xué)中心約6 dB，說明前車門的后部、特別是后下部區(qū)域密封不良，為主要薄弱環(huán)節(jié)。

圖5 聲源布置示意圖Fig.5 Arrangement of the omnidirectional source

圖6 3 600～4 400 Hz頻段右側(cè)面基于聲壓級(jí)的聲源識(shí)別成像圖Fig.6 Contour plot of sound pressure level showing the identification result of the right side in 3 600～4 400 Hz

式(3)所示的波束形成輸出量反映的是聲源在傳聲器陣列平面的聲壓貢獻(xiàn)量，波束形成技術(shù)還可以通過聲強(qiáng)縮放系數(shù)α將聲源在傳聲器陣列平面的聲壓貢獻(xiàn)量縮放為聲源表面的聲強(qiáng)量，并通過局部區(qū)域內(nèi)的聲強(qiáng)積分計(jì)算各個(gè)聲源的聲功率[15]，聲強(qiáng)縮放系數(shù)α的表達(dá)式為

其中ρ為聲音傳播介質(zhì)的密度，c為聲音的傳播速度，D為傳聲器陣列的直徑，λ為聲波的波長(zhǎng)。縮放聲強(qiáng)量的表達(dá)式BI(r)為

基于該理論，將圖6所示的基于聲壓貢獻(xiàn)量的聲學(xué)成像圖轉(zhuǎn)化為圖7示的基于聲源表面聲強(qiáng)量的聲學(xué)成像圖，并在各個(gè)聲源對(duì)應(yīng)的局部區(qū)域內(nèi)進(jìn)行聲強(qiáng)積分來計(jì)算各聲源的聲功率，圖8為得出的聲功率譜，黑色實(shí)線為總體聲功率譜，其積分區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)聲源計(jì)算平面，紅色波折線為第一聲學(xué)中心對(duì)應(yīng)聲源的聲功率譜，其積分區(qū)域?yàn)閳D7中紅色波折線框所示的區(qū)域，藍(lán)色點(diǎn)畫線為第二聲學(xué)中心對(duì)應(yīng)聲源的聲功率譜，其積分區(qū)域?yàn)閳D7中藍(lán)色點(diǎn)畫線框所示的區(qū)域，可見，三條譜線均在3 600～4 400 Hz頻段出現(xiàn)較高的幅值，而在其他頻段的聲功率幅值顯著降低，這與車內(nèi)無指向性聲源產(chǎn)生的聲音信號(hào)的頻段相吻合，表明識(shí)別出的聲源的確是由于車內(nèi)聲音信號(hào)向外泄露而形成的，再次驗(yàn)證聲學(xué)密封性能檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖7 3 600～4 400 Hz頻段右側(cè)面基于聲強(qiáng)級(jí)的聲源識(shí)別成像圖Fig.6 Contour plot of sound intensity level showing the identification result of the right side in 3 600～4 400 Hz

在進(jìn)行汽車后側(cè)面聲學(xué)密封性能檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)，陣列平面與車身表面間的垂直距離為1.2 m，設(shè)定聲源計(jì)算平面尺寸為1.4 m×1.0 m，網(wǎng)格間距為0.05 m×0.05 m。圖9為其3 600～4 400 Hz頻段基于聲壓級(jí)的聲源識(shí)別成像圖，可見，強(qiáng)度相差不大的第一、二聲學(xué)中心均出現(xiàn)在后擋風(fēng)玻璃上，表明后擋風(fēng)玻璃是聲音泄露的主要部位，究其原因，主要是因?yàn)楹髶躏L(fēng)玻璃隔聲性能差的緣故。汽車后側(cè)面上各聲源的聲功率譜呈現(xiàn)出與右側(cè)面圖8類同的規(guī)律，這里不再重復(fù)。

圖8 整體聲功率譜及各聲源的局部聲功率譜Fig.8 Overall and partial sound power spectra

圖9 3 600～4 400 Hz頻段后側(cè)面基于聲壓級(jí)的聲源識(shí)別成像圖Fig.9 Contour plot of sound pressure level showing the identification result of the rear side in 3 600～4 400 Hz

綜上所述，右側(cè)前車門后下部區(qū)域、后側(cè)擋風(fēng)玻璃是該汽車聲學(xué)密封性能薄弱的環(huán)節(jié)，為該車的聲學(xué)密封性能改善指明了方向。

4 結(jié)語

本文基于波束形成聲源識(shí)別方法檢測(cè)某汽車右側(cè)面和后側(cè)面的聲學(xué)密封性能，所做工作及取得的主要結(jié)論如下：

(1)基于已知蜂鳴器聲源的識(shí)別結(jié)果檢驗(yàn)波束形成的聲源識(shí)別準(zhǔn)確性，結(jié)果表明：波束形成能夠準(zhǔn)確有效地識(shí)別聲源，保證汽車聲學(xué)密封性能的準(zhǔn)確檢測(cè)。

(2)基于波束形成聲源識(shí)別方法檢測(cè)某汽車右側(cè)面和后側(cè)面的聲學(xué)密封性能，結(jié)果表明：右側(cè)前車門后下部區(qū)域、后側(cè)擋風(fēng)玻璃是該汽車聲學(xué)密封性能薄弱的環(huán)節(jié)。所得結(jié)論為該車的聲學(xué)密封性能改善指明了方向，對(duì)降低車內(nèi)噪聲、改善其乘坐舒適性具有重要意義。

[1]于學(xué)華，張家棟.汽車車內(nèi)噪聲產(chǎn)生機(jī)理及控制技術(shù)[J].噪聲與振動(dòng)控制，2008，（5）：122-125.

[2]馬天飛，高 剛，王登峰.基于聲固耦合模型的車內(nèi)低頻結(jié)構(gòu)噪聲響應(yīng)分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47（15）：76-82.

[3]宋傳學(xué)，趙彤航.轎車車內(nèi)噪聲測(cè)量分析及控制方法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，37（5）：1000-1004.

[4]賀銀芝，楊志剛，王毅剛.汽車車身密封對(duì)車內(nèi)氣動(dòng)噪聲影響的機(jī)理及試驗(yàn)研究[J].汽車工程，2012，34（8）：692-695.

[5]Boaz Rafaely.Plane wave decomposition of the sound field on a sphere by spherical convolution[J].J.Acoust.Soc.Am.,2004,116(4):2149-2157.

[6]Munhum Park,Boaz Rafaely.Sound field analysis by plane wave decomposition using spherical microphone array[J].J.Acoust.Soc..Am.,2005,118(5):3094-3103.

[7]褚志剛，楊 洋，蔣忠翰.摩托車怠速異響噪聲源的識(shí)別及控制[J].噪聲與振動(dòng)控制，2011(4)：89-92.

[8]Mehdi Batel,Marc Marroquin,J.Hald.Noise source location techniques simple to advanced applications[J].Sound and Vibration,2003,27(3):24-38.

[9]J.J.Christensen,J.Hald.Beamforming.B ＆ K Technical Review,2004.

[10]褚志剛，楊 洋，蔣忠翰.波束形成傳聲器陣列性能研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，24(5)：665-670.

[11]褚志剛，楊 洋.近場(chǎng)波束形成聲源識(shí)別的改進(jìn)算法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(12)：178-183.

[12]楊 洋，褚志剛，倪計(jì)民，等.除自譜的互譜矩陣波束形成噪聲源識(shí)別算法研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2011，31(4)：145-148.

[13]楊 洋，倪計(jì)民，褚志剛，等.基于互譜成像函數(shù)波束形成的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源識(shí)別[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2012，33(3)：82-87.

[14]Angeliki Xenaki,Finn Jacobsen,Efren Fernandez-Grande.Improving the resolution of three dimensional acoustic imaging with planar phased arrays[J].Journal of Sound and Vibration,2012,331(8):1939-1950.

[15]J.Hald.Estimation of partial area sound power data with beamforming[C].The 2005 Congress and Exposition on Noise Control Engineering(Inter-Noise),Rio de Janeiro,Brazil,August 07-10,2005.