汽車通過噪聲聲源識(shí)別方法研究進(jìn)展

張 鑫，沈林邦，王子龍，葉方標(biāo)

（招商局檢測車輛技術(shù)研究院有限公司 國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶 401329）

汽車通過噪聲具有頻帶寬、隨車速變化快、來源眾多、產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜等特點(diǎn)，嚴(yán)重干擾城市居住環(huán)境、影響汽車品質(zhì)。汽車噪聲限值及測量方法GB-1495新修訂稿對汽車通過噪聲限值、增加噪聲質(zhì)保期及一致性提出更嚴(yán)格的要求，改變測試方法使其更加適合汽車實(shí)際行駛工況，這使汽車制造商在開發(fā)過程中面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，準(zhǔn)確高效地通過噪聲識(shí)別方法十分關(guān)鍵。

運(yùn)用廣泛的汽車通過噪聲識(shí)別方法有：波束形成法、聲全息法、傳遞路徑分析（Transfer Path Analysis, TPA）三種方法。其中，基于麥克風(fēng)陣列的波束形成法和聲全息法布置簡單，可實(shí)現(xiàn)聲學(xué)可視化，適合中長距離的聲源測試，方便直觀識(shí)別汽車噪聲源。TPA分析方法基于“源－路徑－響應(yīng)”的思路，將響應(yīng)分解到各個(gè)激勵(lì)源和傳遞路徑，有利于對主要激勵(lì)源進(jìn)行控制，對敏感的路徑進(jìn)行優(yōu)化。本文分別闡述上述三種方法在汽車通過噪聲源識(shí)別領(lǐng)域的發(fā)展歷程和應(yīng)用情況，分析其特點(diǎn)，最后總結(jié)其發(fā)展方向，為準(zhǔn)確高效地識(shí)別汽車通過噪聲源提供參考。

1 波束形成方法

波束形成方法具有一次測量即可全面記錄聲場、適用于中長距離測量等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)噪聲源識(shí)別領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。該方法首先離散待識(shí)別的聲學(xué)平面，對傳聲器陣列所接收到的聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行反向延遲求和計(jì)算，在真實(shí)聲源所在聚焦點(diǎn)位置附近加權(quán)增強(qiáng)形成“主瓣”，在非真實(shí)聲源位置衰減形成“旁瓣”，從而有效識(shí)別聲源。移動(dòng)的聲源導(dǎo)致靜止的傳聲器陣列所接收到的聲學(xué)信號(hào)存在多普勒效應(yīng)。SIJTSMA等于2001年提出能夠移除多普勒效應(yīng)的波束形成聲源識(shí)別方法，該方法將靜止傳聲器陣列所接收到的聲學(xué)信號(hào)和運(yùn)動(dòng)聲源位置準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)，同時(shí)將反向聚焦平面和運(yùn)動(dòng)聲源位置進(jìn)行同步，最后通過延時(shí)求和算法獲得聲源在聚焦平面的位置和幅值，并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)聲源和飛機(jī)過頂噪聲源識(shí)別的試驗(yàn)驗(yàn)證。

汽車通過噪聲源頻率成分復(fù)雜，存在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)聲源，波束形成方法則憑借測量分析頻帶寬、速度快、適用于非穩(wěn)態(tài)聲源等優(yōu)勢備受青睞。2009年，I&R聲學(xué)咨詢公司DONAVAN等使用波束形成方法識(shí)別多輛重型卡車55英里/小時(shí)的勻速通過噪聲，結(jié)果表明重型卡車在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)通過噪聲主要來源是驅(qū)動(dòng)軸所在的輪胎噪聲，此外某些車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的階次噪聲也是重要來源。同年DONAVAN等使用波束形成方法研究重型、中型、輕型三類卡車高速時(shí)的噪聲特性，結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)軸胎噪是高速行駛時(shí)的主要噪聲源。2011年，丹麥Bruel & Kjaer公司開發(fā)了用于ISO 362汽車通過噪聲測試標(biāo)準(zhǔn)的波束形成聲源識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)汽車通過噪聲的貢獻(xiàn)量分析及三維聲學(xué)成像，為識(shí)別汽車通過噪聲源提供了直接途徑。同年，巴西金邊大學(xué)和比利時(shí)LMS公司將廣義逆波束形成方法運(yùn)用于汽車通過噪聲源識(shí)別中，特定條件下該方法相比于傳統(tǒng)波束形成方法動(dòng)態(tài)范圍更大、峰值定位更加準(zhǔn)確，能準(zhǔn)確搜尋到某乘用車的噪聲源。2012年，重慶大學(xué)褚志剛等構(gòu)建一套基于波束形成方法的車外加速噪聲識(shí)別系統(tǒng)，對某貨車進(jìn)行加速噪聲源識(shí)別，獲得了聲源幅值及位置隨轉(zhuǎn)速和車速變化的結(jié)果，結(jié)果表明該貨車動(dòng)力系統(tǒng)是其主要噪聲源。2014年，PALLAS等使用波束形成技術(shù)評估某混合動(dòng)力貨車在勻速、加速、制動(dòng)等不同工況下的主要噪聲源以及垂直指向性，結(jié)果表明：相比傳統(tǒng)燃油貨車，混合動(dòng)力貨車動(dòng)力系統(tǒng)噪聲貢獻(xiàn)量及垂直噪聲量明顯減小，但高速工況下驅(qū)動(dòng)輪所產(chǎn)生的胎噪、加速和制動(dòng)工況下瞬時(shí)噪聲依舊明顯。2015年，BALLESTEROS等使用波束形成方法測試某轎車的在不同速度和檔位下的通過噪聲，在不同速度下前輪成像區(qū)域在1kHz附近均存在峰值，該噪聲屬于輪胎噪聲，且噪聲幅值隨車速增加而增大；車輛擋位越低，噪聲越大，驅(qū)動(dòng)輪胎噪聲貢獻(xiàn)量越大。上述傳統(tǒng)波束形成方法已指明動(dòng)力系統(tǒng)噪聲和輪胎噪聲是通過噪聲主要來源，為噪聲源的治理指明方向；但是傳統(tǒng)方法形成的主瓣寬度影響聲源識(shí)別結(jié)果的空間分辨率，旁瓣造成虛假干擾，使得聲源識(shí)別結(jié)果模糊而承受不確定性。

近年來反卷積方法被擴(kuò)展至移動(dòng)噪聲源識(shí)別中以克服上述不足。反卷積方法通常在頻域執(zhí)行，并且需要使用陣列和聚焦平面間的固定點(diǎn)傳播函數(shù)。為將反卷積方法用于移動(dòng)噪聲源識(shí)別中，需將整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程分為多個(gè)微元段，把獨(dú)立的微元段視為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程，將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域，最終使用反卷積方法。2017年，PADOIS等在雪地摩托車通過噪聲測試中對傳統(tǒng)波束形成識(shí)別結(jié)果使用 CLEAN-SC（CLEAN based on Source Coherent）方法反復(fù)移除與主瓣相干的旁瓣，準(zhǔn)確定位了雪地摩托車的噪聲源，該方法尤其適合發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、胎噪、排氣多個(gè)不相干聲源的情況。2018年，COUSSON等在頻域反卷積方法的啟發(fā)下，在時(shí)域內(nèi)建立了移動(dòng)噪聲源CLEAN-T（CLEAN- Time Domain）反卷積聲源識(shí)別模型，該方法完全在時(shí)域執(zhí)行，并反復(fù)移除來自信號(hào)中的聲源時(shí)間貢獻(xiàn)量，相比于頻域反卷積方法聲源識(shí)別結(jié)果更加清晰，在低信噪比時(shí)聲源識(shí)別結(jié)果魯棒性更好。

基于波束形成的汽車通過噪聲源識(shí)別方法具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①方便快捷，聲源識(shí)別結(jié)果直觀可視化，直接獲得聲源輻射位置；②聲源成像結(jié)果可隨車速變化的實(shí)時(shí)呈現(xiàn)；③可以選擇特定頻率的聲源進(jìn)行成像。該方法也存在以下不足：貢獻(xiàn)量分析僅能按照主要成像區(qū)域進(jìn)行，不能完全精確到部件級(jí)，對于噪聲真實(shí)來源通常需要根據(jù)識(shí)別結(jié)果和各個(gè)部件特性進(jìn)行綜合分析。

2 聲全息方法

聲全息方法最初指近場聲全息方法，近場聲全息能夠準(zhǔn)確重建全息面聲壓、質(zhì)點(diǎn)速度、聲強(qiáng)等關(guān)鍵聲學(xué)參數(shù)，廣泛用于近場靜態(tài)聲源識(shí)別中。1998年，WILLIANMS等將近場聲全息技術(shù)擴(kuò)展至遠(yuǎn)場，形成遠(yuǎn)場聲全息技術(shù)，為后續(xù)遠(yuǎn)場移動(dòng)聲全息技術(shù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

SAKAMOTO等將基于球面波假設(shè)的遠(yuǎn)場聲全息技術(shù)拓展至移動(dòng)源識(shí)別中，首次實(shí)現(xiàn)了基于聲全息技術(shù)的移動(dòng)源可視化識(shí)別，并對輪胎噪聲等進(jìn)行了分離；然該方法依賴于噪聲源特性，不適用于頻率變化的聲源和白噪聲，且該方法未考慮多普勒效應(yīng)，聲源識(shí)別精度欠佳。KIM等提出移動(dòng)框架聲全息技術(shù)，在一維麥克風(fēng)陣列和聲源面之間構(gòu)成運(yùn)動(dòng)框架，通過時(shí)域與空間域傅里葉變換移除多普勒效應(yīng)影響準(zhǔn)確構(gòu)造全息面聲壓，然而該方法只適用于單頻和離散聲源。為擴(kuò)寬移動(dòng)框架技術(shù)的適用范圍，KIM提出改進(jìn)的移動(dòng)框架聲全息技術(shù)，結(jié)果表明改進(jìn)后的方法不僅適用于單頻聲源還適用于窄帶聲源。清華大學(xué)楊殿閣等提出基于基爾霍夫衍射理論的移動(dòng)聲全息重建算法，直接利用基爾霍夫衍射積分重建全息面聲壓，無需空間傅里葉變換，避免卷積問題，提高效率，高速移動(dòng)聲源試驗(yàn)表明該方法能夠有效識(shí)別聲源位置和幅值。吉林大學(xué)高印寒等提出基于小波分析的移動(dòng)聲全息方法，通過小波變換移除信號(hào)中的多普勒效應(yīng)，然后進(jìn)行全息面聲學(xué)重建，該方法無須預(yù)知聲源真實(shí)頻率即可準(zhǔn)確消除多普勒效應(yīng)，80 km/h高速試驗(yàn)結(jié)果證明該方法能準(zhǔn)確識(shí)別移動(dòng)源。

上述聲全息方法均在頻域內(nèi)處理多普勒效應(yīng)，計(jì)算量大，計(jì)算效率亟待提高。2011年，清華大學(xué)YANG為了提高識(shí)別效率，通過建立運(yùn)動(dòng)聲源和測量信號(hào)間的非線性時(shí)間映射關(guān)系以消除多普勒效應(yīng)的影響，然后基于全息理論獲得被測物體表面聲壓分布，并將該方法用于某轎車通過噪聲源識(shí)別中，結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲及其諧波成分是最主要噪聲，輪胎噪聲隨車速增加而明顯增大且主要集中在1 kHz附近，車輛高速行駛時(shí)風(fēng)噪和排氣噪聲凸顯。同年，YANG為提高測試效率，將上述聲全息理論和雙目視覺圖像處理算法融合成功研發(fā)聲學(xué)照相機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高速車輛噪聲源準(zhǔn)確測量和聲場可視化。現(xiàn)有聲全息算法都基于簡化的Morse理論，能夠處理的最高車速僅約100 km/h，當(dāng)車速更高時(shí)基于簡化Morse理論的全息技術(shù)將產(chǎn)生明顯誤差。2015年，YANG等為了克服基于簡化Morse理論的聲全息方法不足，構(gòu)建基于完整Morse聲學(xué)理論的聲全息方法，結(jié)果表明所提出的方法能夠有效避免聲源湮滅現(xiàn)象，準(zhǔn)確重建速度為278 km/h的高速列車產(chǎn)生的通過噪聲源。

基于聲全息的汽車通過噪聲源識(shí)別方法同波束形成方法一樣均是基于聲陣列，其優(yōu)缺點(diǎn)和波束形成方法類似。主要差別為①聲全息方法更加適合低頻聲源，難以識(shí)別高頻聲源如高速行駛時(shí)的高頻風(fēng)噪；②聲全息方法對識(shí)別結(jié)果不能進(jìn)行清晰化處理。

3 TPA方法

TPA方法通過建立“激勵(lì)源-傳遞路徑-系統(tǒng)響應(yīng)”的傳遞模型，可以實(shí)現(xiàn)激勵(lì)源的查找、傳遞路徑的特性分析及系統(tǒng)響應(yīng)預(yù)測，廣泛用于機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)和噪聲診斷及預(yù)測中。近年來，TPA方法被用于汽車通過噪聲源識(shí)別中。

EDUARDO等將傳統(tǒng)TPA方法中的互易法分別用于汽車和列車通過噪聲中。該方法假設(shè)通過噪聲源和響應(yīng)點(diǎn)之間的傳遞路徑固定，未考慮聲源和響應(yīng)點(diǎn)間的相對運(yùn)動(dòng)；而實(shí)際汽車通過噪聲測試中，汽車位置實(shí)時(shí)變化，聲源和響應(yīng)點(diǎn)之間的傳遞函數(shù)也實(shí)時(shí)變化。因此，傳統(tǒng)的TPA方法未準(zhǔn)確考慮傳遞路徑實(shí)時(shí)性，所以也未能準(zhǔn)確獲得運(yùn)動(dòng)聲源特性。2010年，鑒于傳統(tǒng)頻域方法不能準(zhǔn)確獲得汽車通過噪聲源的特性，清華大學(xué)鄭四發(fā)等提出基于行駛工況的頻域傳遞路徑方法，基于微元思想將加速過程分為若干準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程，然后識(shí)別準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)聲源與靜止響應(yīng)點(diǎn)之間的傳遞函數(shù)，并有效分離了主要噪聲源，分離結(jié)果表明重型商用車的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲是其主要噪聲源，其次為傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲；對于響應(yīng)點(diǎn)的貢獻(xiàn)而言空氣聲多于結(jié)構(gòu)聲。相比頻域方法而言，時(shí)域方法無須將加速過程處理為若干準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程，更適合處理非穩(wěn)態(tài)工況。2012年，清華大學(xué)郝鵬等直接在時(shí)域內(nèi)構(gòu)建運(yùn)動(dòng)聲源的傳遞路徑模型，用脈沖響應(yīng)函數(shù)代替?zhèn)鬟f函數(shù)，采用非線性時(shí)間變換消除多普勒效應(yīng)的影響，時(shí)域方法相比于頻域方法速度更快、精度更高，結(jié)果表明汽車加速過程中發(fā)動(dòng)機(jī)和進(jìn)排氣系統(tǒng)是試驗(yàn)樣車的主要噪聲源。

上述室外TPA分析方法符合真實(shí)情況，在汽車加速噪聲源識(shí)別中已被逐步推廣使用。然而室外TPA分析方法在運(yùn)用逆方法求解傳遞函數(shù)時(shí)易受到干擾，因此，室內(nèi)TPA方法逐步受到重視。2011年，JANSSENS等在半消聲室內(nèi)基于時(shí)域TPA方法識(shí)別通過噪聲源，該方法依據(jù)車速判斷汽車位置，將在消聲室內(nèi)的固定線性麥克風(fēng)陣列所接受的聲學(xué)信號(hào)分段截取并合成，模擬一組完整的加速噪聲結(jié)果，貢獻(xiàn)量分析結(jié)果表明該方法高效準(zhǔn)確。2017年，CHU等提出自適應(yīng)截?cái)嗥娈愔捣纸庹齽t化方法抑制室內(nèi)TPA方法中頻響函數(shù)矩陣病態(tài)問題，并用于實(shí)際室內(nèi)通過噪聲測試，試驗(yàn)結(jié)果顯示某乘用車無論加速還是勻速工況動(dòng)力總成貢獻(xiàn)量占比均超過50%，胎噪均占比接近40%。

基于TPA方法的汽車通過噪聲源識(shí)別方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：①能夠準(zhǔn)確獲得各個(gè)總成對總通過噪聲的貢獻(xiàn)量大小；②能夠識(shí)別關(guān)鍵傳遞路徑；③分析頻率范圍較波束形成法和聲全息更寬。該方法也存在以下不足：①不能直觀可視化聲源輻射位置，難以確認(rèn)聲源輻射位置；②聲源的隨速度變化特性難以直觀展現(xiàn)。

4 發(fā)展方向

汽車通過噪聲源識(shí)別技術(shù)經(jīng)過數(shù)年發(fā)展，形成波束形成、聲全息、TPA三種方法為主的技術(shù)路線，三種方法在汽車通過噪聲源識(shí)別中都取得豐富的研究成果。在綜述各個(gè)方法特點(diǎn)和進(jìn)展后，指出汽車通過噪聲源識(shí)別方法的發(fā)展方向。

（1）對于基于傳聲器陣列的波束形成和聲全息方法而言，需要綜合考慮兩者識(shí)別通過噪聲的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)分析頻率范圍內(nèi)聲源的準(zhǔn)確識(shí)別，實(shí)現(xiàn)低頻聲源識(shí)別結(jié)果空間分辨率高、高頻無虛假聲源的目的。

（2）波束形成和聲全息方法所識(shí)別的聲源以平面結(jié)果顯示，噪聲來源需要根據(jù)成像結(jié)果和各個(gè)部件特性綜合分析。因此考慮將TPA方法與基于陣列的波束形成或聲全息方法集成，一次試驗(yàn)既能獲得聲源成像結(jié)果方便查找聲源輻射位置，也能獲得每一個(gè)總成對通過噪聲的貢獻(xiàn)，并識(shí)別待優(yōu)化的傳遞路徑，提高汽車通過噪聲源識(shí)別的準(zhǔn)確度和效率。