三維波束成形麥克風陣列在風洞測試中的應用

楊 超，張東興，Philip H?hna

（1.汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室，重慶 401122；2.中國汽車工程研究院，重慶 401122；3.Gfai Tech GmbH，德國，柏林 12489）

隨著消費者對汽車乘員舒適性的要求不斷提高，研發人員對汽車聲學開發工具提出了新的挑戰。特別是在車輛正向開發的早期階段（造型階段），快速且可靠的車外聲源定位分析對于提高乘員舒適性非常重要。而三維麥克風陣列作為聲源定位和分析的關鍵設備，在整車風洞試驗中起到重要的作用。

1 簡介

中國汽車工程研究院風洞中心的三維麥克風陣列測試系統由4個數據采集前端、3塊車外麥克風陣列和1個車內球形陣列組成，每塊車外麥克風陣列由168個麥克風和1個高清攝像頭組成，每塊陣列的尺寸為4.5 m×3 m，如圖1所示。兩臺高性能工作站分別用來采集和分析數據，配有適用于中國汽研風洞中心的特制控制軟件。整個麥克風陣列固定在1個陣列支架上，可以在風洞中沿著流場方向移動。需要進行麥克風陣列測試時，將支架移動到測試位置，并使用地面上的固定塔進行緊固。完成測試后，可以將陣列支架移動到停止位置（即噴口上方），避免麥克風陣列對氣動測試的干擾。

圖1 三維麥克風陣列示意圖

波束成形是通過采集聲音傳到不同位置麥克風的時間延時對聲源進行識別和定位。麥克風陣列測試的結果叫聲源云圖，即聲源云圖疊加到照片（二維）或者映射到幾何模型（三維）上。對于二維波束成形，成像的網格點是位于與陣列平面一定距離（稱為焦距）的掃描平面；對于三維波束成形，是將波束成形的結果映射在汽車的三維模型上。通過評估掃描平面或者三維模型網格點的聲源傳播到麥克風陣列不同位置麥克風的時間差異以及幅值衰減來計算出聲源云圖[1]。

由于麥克風陣列放置在流場以外，風洞流場區域和麥克風陣列測試區域之間存在剪切層，空氣流過測試物體周圍產出的噪聲源會形成輻射聲波，這些聲波在通過剪切層的過程中會產生衍射，從而導致聲源云圖中識別的噪聲位置與實際聲源位置發生偏移和扭曲。因此，在風洞中使用麥克風陣列必須考慮這種剪切層造成的影響，中國汽研的麥克風陣列依據Amiet模型對剪切層進行修正[2]，如圖2所示。

圖2 Amiet模型參數及風洞剪切層示意圖

2 麥克風陣列標定結果

在無風狀態下，距離麥克風陣列的不同位置放置7個聲源（揚聲器播放白噪聲），如圖3所示，使用麥克風陣列進行聲源定位。通過對比麥克風陣列測試得到的聲源云圖與實際的揚聲器位置偏差，可以測出麥克風陣列聲源識別定位的精度，測試結果如圖4所示，麥克風陣列的聲源識別定位偏差小于10 mm。在風速140 km/h的狀態下，在測試車輛側面不同位置固定3個揚聲器，使用麥克風陣列進行聲源定位，如圖5所示，麥克風陣列的風洞剪切層修正偏差小于20 mm。

圖3 標定揚聲器位置

圖4 無風狀態下標定聲源云圖

圖5 風速140 km/h狀態下標定聲源云圖

3 差異波束成形

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

圖6 基礎狀態下的左側聲源定位云圖

圖7 修改左側后視鏡時的左側聲源定位云圖

圖8 左側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，左側后視鏡區域噪聲源明顯增加，而右側后視鏡區域聲源無明顯變化。

圖9 基礎狀態下的頂部聲源定位云圖

圖10 修改左側后視鏡時的頂部聲源定位云圖

圖11 頂部陣列聲源定位差異云圖

4 相關性分析

中國汽研的麥克風陣列系統還具備相關性分析的功能，主要目的是判斷車外聲源對車內某個參考位置的噪聲貢獻量。整套系統由數采前端同步時鐘控制，車外麥克風陣列的3個數采前端和車內麥克風陣列的1個數采前端可以進行同步采集。如圖12所示，4個數采前端的觸發響應時間在1個時間步長（1/192 000 s）以內，麥克風陣列系統能滿足192 K采樣率的同步要求。如圖13所示，沒有添加車內麥克風參考通道識別的車外聲源云圖，只識別出前輪罩、格柵及大燈幾處聲源；如圖14所示，添加車內駕駛室麥克風通道識別的車外聲源云圖，考慮到外部聲源對車內駕駛艙麥克風的貢獻量，在相同的動態范圍內，能夠識別出前輪罩、后輪罩、雨刮槽以及后視鏡處的聲源對車內主駕駛側麥克風的噪聲貢獻量。從這兩者的對比云圖可以看出：相對于前輪罩和車頭位置聲源，雨刮槽及后視鏡處的聲源雖然幅值較小，但對于駕駛艙內的貢獻卻很大。

圖12 車外及車內數采前端同步觸發結果

圖13 無車內參考通道的左側聲源定位云圖

圖14 有車內參考通道的左側聲源定位云圖

5 三維波束成形

二維麥克風陣列是將聲源云圖疊加到照片上，成像的網格點位于與陣列平面有一定距離（稱為焦距）的掃描平面，成像結果如圖15～17所示。中國汽研的麥克風陣列系統具備自動三維掃描功能及車身輪廓自動捕捉功能，具有真正意義上的三維波束成形能力[3]。測試系統會考慮麥克風陣列和試驗車輛之間的實際距離，并結合側面和頂部陣列的評估，綜合計算三維波束成形云圖[4]。如圖18所示，三維聲源定位結果是將聲源云圖映射到車身三維數模上，更加直觀并清晰地顯示聲源在車聲周圍的分布。

圖15 左側二維聲源定位云圖

圖16 頂部二維聲源定位云圖

圖17 右側二維聲源定位云圖

圖18 三維聲源定位云圖

6 結論

氣動聲源具有三維分布，因此，為了在風洞中獲得聲源的詳細信息需要使用三維波束成形方法。中國汽研風洞中心的麥克風陣列系統具備三維波束成形的能力，具有極好的定位精度和風洞剪切層偏移修正精度，同時具備差異云圖分析及相干性分析等高級功能，為整車風噪性能開發提供強有力的測試工具。