基于波束形成的發(fā)動機(jī)噪聲源識別試驗研究

張翠青 高志鷹 韋麗珍

摘 ?要： 噪聲是汽車舒適性及整車性能評價的重要指標(biāo)，在探究發(fā)動機(jī)降噪途徑過程中，聲源精確定位識別決定降噪方法的優(yōu)劣。試驗基于波束形成聲源識別算法，對大眾2VQS電噴發(fā)動機(jī)前側(cè)、進(jìn)氣側(cè)、排氣側(cè)三個方位面進(jìn)行噪聲源識別測試。測試前構(gòu)建發(fā)動機(jī)物理坐標(biāo)系輔助噪聲源點位坐標(biāo)的精確識別，側(cè)重定位分析1 000 Hz以上聲能量位置變化規(guī)律。試驗結(jié)果表明，基于構(gòu)建輔助物理坐標(biāo)系并采用波束形成算法能夠精確識別發(fā)動機(jī)噪聲源位置;測試方位面不同，識別發(fā)動機(jī)噪聲源位置不同，噪聲源主要集中在發(fā)電機(jī)、缸體、皮帶輪、齒輪系、冷卻風(fēng)扇5處;聲能量集中位置聲壓級隨轉(zhuǎn)速升高而增強(qiáng)，轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時聲壓級數(shù)值近似相等，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于2 500 r/min，各測試面聲壓級趨于恒定。

關(guān)鍵詞： 汽車; 發(fā)動機(jī); 波束形成; 噪聲源識別; 頻譜分析; 坐標(biāo)標(biāo)定

中圖分類號： TN911.4?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）13?0165?04

Experimental research on engine noise source identification based on beamforming

ZHANG Cuiqing1， 2， GAO Zhiying1， WEI Lizhen2

（1. School of Energy and Power Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Huhhot 010051， China;

2. Department of Electrical Engineering， Inner Mongolia Technical College of Mechanics and Electrics， Huhhot 010070， China）

Abstract： Noise is an important indicator for the evaluation of vehicle comfort and performance. In the process of exploring for the approaches of automobile engine noise reduction， precise location and recognition of a sound source is to determine whether the noise reduction method is good or not. In the experiment， a noise source identification testing on the front side， intake side， and exhaust side of the 2VQS EFI Volkwagen engine was conducted on the basis of the beamforming noise source recognition algorithm under different working conditions. Before the experiment， the physical coordinate system of the engine was constructed for facilitating the precise identification of noise source point location coordinate. The location change law on the noise sources above 1 000 Hz was identified and analyzed emphatically. The experimental results show that the noise sources can be accurately identified by applying beamforming algorithm on the basis of the constructed physical coordinate system; the noise source is mainly concentrated on the generator， pulley， gear train and cooling fan due to different test azimuth plane and different engine noise source location; at the concentrated location of sound energy， the sound pressure level increase with the increase of rotation speed， the sound pressure levels of the three testing surfaces are nearly equal at 2 500 r/min， and the sound pressure levels of the three testing surfaces tend to constant status when the rotation speed is more than 2 500 r/min.

Keywords： vehicle; engine; beamforming; noise source identification; spectrum analysis; coordinate calibration

0 ?引 ?言

噪聲是汽車舒適性及整車性能評價的重要指標(biāo)，降低汽車噪聲成為研究的熱點課題。汽車噪聲主要包括發(fā)動機(jī)噪聲、底盤噪聲和車身噪聲三大類[1]，發(fā)動機(jī)噪聲是主要噪聲源。在控制發(fā)動機(jī)噪聲降噪途徑中，聲源精確定位識別決定降噪方法的優(yōu)劣。鑒于此，許多學(xué)者基于發(fā)動機(jī)噪聲源識別方向展開一系列針對性研究。文獻(xiàn)[2]采用雙傳聲器聲強(qiáng)探頭、PULSE3560C信號采集器進(jìn)行聲學(xué)采集，基于聲強(qiáng)原理對測得的噪聲信號進(jìn)行頻譜分析，進(jìn)而確定發(fā)動機(jī)的主要噪聲源。文獻(xiàn)[3]基于波束形成算法采用數(shù)值模擬的方法對某發(fā)動機(jī)頂側(cè)、排氣側(cè)、進(jìn)氣側(cè)的聲源進(jìn)行識別，結(jié)果表明，氣缸蓋罩1缸和2缸中間及3缸和4缸中間的位置、缸體、排氣旁通閥和發(fā)電機(jī)是其主要噪聲源。文獻(xiàn)[4]基于近場聲全息技術(shù)進(jìn)行雙測量面聲學(xué)數(shù)據(jù)測試，利用前、后測量面全息數(shù)據(jù)相位差異進(jìn)行格林函數(shù)的求解，并進(jìn)行聲場重建，從而識別汽車噪聲源。文獻(xiàn)[5]運(yùn)用基于互譜成像波束形成方法對加速汽車發(fā)動機(jī)的高頻嘯叫進(jìn)行聲源識別，識別出聲輻射源為張緊輪。文獻(xiàn)[6]應(yīng)用流場外聲陣列與車內(nèi)2個參考麥克風(fēng)同時進(jìn)行車內(nèi)外噪聲信號同步測量，并用傳統(tǒng)的Beamforming算法和改進(jìn)的CLEAN?SC算法識別出車外的氣動噪聲分布。

目前噪聲源識別方法主要有近場聲全息法[7?8]、聲壓法[9?10]和波束形成法[11?14]三大類。波束形成法以其測量速度快、計算效率高、適宜中長距離測量、對穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)及運(yùn)動聲源定位精度高等特點被廣泛應(yīng)用于噪聲源識別。本文在測試前構(gòu)建物理坐標(biāo)系，對發(fā)聲部件進(jìn)行數(shù)值化輔助聲源的精確識別，基于聲陣列對大眾2VQS電噴發(fā)動機(jī)臺架的前側(cè)、排氣側(cè)、進(jìn)氣側(cè)三個測試面進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速的聲學(xué)信號采集，并基于波束形成算法識別定位出發(fā)動機(jī)主要噪聲源及主要聲源隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。

1 ?試驗原理

波束成形（Beamforming）技術(shù)主要基于聲陣列獲得聲音信號的延遲、求和處理，進(jìn)而確定聲源位置。其核心思想是離散化被測物聚焦平面形成聚焦網(wǎng)格點，利用傳聲器陣列采集聲信號反向聚焦各網(wǎng)格點并按聚焦點位置進(jìn)行相位補(bǔ)償后加和輸出，真實信號源所在聚焦點的輸出量被加強(qiáng)，其他聚焦點的輸出量被衰減[15?16]，從而有效識別聲源。圖1為波束形成原理的示意圖，其中，[L]表示聲源測試面與陣列面的距離，[rm]為第[m]個傳聲器坐標(biāo)向量（[m=]1，2，…，[M]），[M]為傳聲器數(shù)目，[S]為聚焦聲源點，[r]為其坐標(biāo)向量。假設(shè)聲源為單極子點聲源，輻射波為球面波。聲陣列中傳聲器接收聲壓信號的表達(dá)式為：

圖1 ?波束形成原理

2 ?聲源識別測試

2.1 ?發(fā)動機(jī)臺架標(biāo)定

為了準(zhǔn)確識別聲源的位置，用標(biāo)尺標(biāo)定坐標(biāo)原點構(gòu)建物理坐標(biāo)系如圖2所示，并對發(fā)動機(jī)前側(cè)、進(jìn)氣側(cè)、排氣側(cè)主要發(fā)聲部件（發(fā)電機(jī)、缸體、進(jìn)氣歧管、曲軸皮帶輪、起動機(jī)、三元催化器等）進(jìn)行數(shù)值化標(biāo)定。

圖2 ?主要發(fā)聲部件位置標(biāo)定

2.2 ?試驗設(shè)備及方案

采用聲陣列對標(biāo)定工況下的四缸大眾2VQS電噴發(fā)動機(jī)臺架的前側(cè)、排氣側(cè)、進(jìn)氣側(cè)三個測試面進(jìn)行基于波束形成的發(fā)動機(jī)噪聲源識別臺架試驗，其試驗布置如圖3所示。該試驗在內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)汽車發(fā)動機(jī)實驗室下進(jìn)行。試驗采用BK公司直徑0.78 m的集成4958型傳聲器的60通道Combo聲陣列進(jìn)行測量，陣列距離發(fā)動機(jī)前側(cè)、進(jìn)氣側(cè)、排氣側(cè)均為1 m，分別采集發(fā)動機(jī)為怠速、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min、3 000 r/min和全負(fù)荷工況下的聲源信號，陣列各傳聲器接收的聲音信號經(jīng)60通道Pulse 3560D型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時采集并傳輸?shù)紸rray NSI（Noise Source Identification）post?processing軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得其頻譜圖及聲源位置圖。

圖3 ?試驗整體布置

3 ?實驗結(jié)果分析

本文主要結(jié)合波束形成技術(shù)算法原理和汽車發(fā)動機(jī)聲源頻譜，分析大于1 000 Hz聲源位置。通過對頻譜曲線及聲源識別圖進(jìn)行分析，確定產(chǎn)生最強(qiáng)聲能量的零件及對應(yīng)最強(qiáng)聲能量的頻率。

3.1 ?背景噪聲分析

為避免背景噪聲對分析結(jié)果的干擾，需分析測試環(huán)境的背景噪聲頻譜特征。運(yùn)用BK聲陣列測試系統(tǒng)在距離發(fā)動機(jī)前側(cè)、進(jìn)氣側(cè)和排氣側(cè)1 m的位置，分別采集未啟動發(fā)動機(jī)的聲信號。以發(fā)動機(jī)前側(cè)背景噪聲聲功率級譜為例來分析，如圖4所示，背景噪聲與聲源聲能量相差20 dB，則背景噪聲就可忽略不計。