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中汽中心氣動聲學(xué)風(fēng)洞先進(jìn)設(shè)備（四）外場聲學(xué)陣列 Exterior Acoustic Array

2020-03-28 17:03:09·  來源：中汽中心空氣動力學(xué)實(shí)驗(yàn)室  
　
原創(chuàng)AERI-AERO中汽中心空氣動力學(xué)實(shí)驗(yàn)室昨天點(diǎn)擊藍(lán)字關(guān)注，中汽中心空氣動力學(xué)實(shí)驗(yàn)室!隨著我國高速公路的發(fā)展速度日新月異，高速軌道交通迅速崛起，使得汽車和軌
隨著我國高速公路的發(fā)展速度日新月異，高速軌道交通迅速崛起，使得汽車和軌道交通車輛的車速不斷提高，進(jìn)而對它們的操縱安全性、舒適性的要求也越來越高。因此，設(shè)計(jì)空氣動力特性良好、氣動噪聲較低的汽車和高速軌道交通機(jī)車車輛，將是重點(diǎn)研究開發(fā)內(nèi)容。

1. 系統(tǒng)功能

外場聲學(xué)陣列是一套噪聲源定位系統(tǒng)，是在氣動-聲學(xué)風(fēng)洞中進(jìn)行車內(nèi)風(fēng)噪聲測試及車內(nèi)外噪聲分布—聲源定位分析研究中所需的核心設(shè)備。它打破了傳統(tǒng)處理聲音問題的方法，將聽覺感受的聲音轉(zhuǎn)化為“可視化”的視覺圖像或動畫，并且可以直接顯示出聲源的部位或具體哪個(gè)零部件，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)和故障源排除的周期。

圖1 ©CATARC-AAWT外場聲學(xué)陣列全局圖

2. 系統(tǒng)原理及構(gòu)成

在風(fēng)洞試驗(yàn)中，通過對靜止的車輛吹風(fēng)，來模擬真實(shí)行駛時(shí)車輛與空氣之間的相對運(yùn)動。當(dāng)氣體流經(jīng)車輛變化較大的表面、突出的特征或縫隙時(shí)，會引起氣流速度的變化或者產(chǎn)生渦流，從而產(chǎn)生噪聲。

整個(gè)系統(tǒng)如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)車身表面噪聲測量并定位聲源的功能，并保證聲音測量范圍能夠完全覆蓋整個(gè)車輛尺寸，需要將三面麥克風(fēng)陣列分別放置于測試車輛的左右側(cè)及上方，并與測試車輛之間保持適當(dāng)?shù)木嚯x。由一套可移動支架用于固定麥克風(fēng)陣列以及陣列上的攝像頭并調(diào)整其位置。

頂部麥克風(fēng)陣列安裝在主桁架中間，主桁架兩側(cè)垂下的副桁架上各安裝有一面麥克風(fēng)陣列?？捎煽刂破鞑倏v可移動支架沿軌道平移調(diào)整位置，使麥克風(fēng)陣列中心能夠?qū)?zhǔn)各種不同尺寸測試車輛的中心/關(guān)注位置。每面陣列上以精心設(shè)計(jì)過的形式排列安裝192個(gè)麥克風(fēng)，以完整測量車身左右及上表面的噪聲分布，并保證測量結(jié)果的空間精度。每面麥克風(fēng)陣列中心安裝有一個(gè)專用攝像頭，可對車輛左右及上表面進(jìn)行圖像采集。

通過安裝在電腦上的采集軟件，驅(qū)動麥克風(fēng)陣列對聲音及振動信號進(jìn)行采集，采集后的時(shí)域信號以及光學(xué)圖像信號，通過分析軟件后處理分析，比對各個(gè)麥克風(fēng)對同一聲音事件采集到的信號大小的不同，通過基于波束成型原理的算法計(jì)算出車身表面的噪聲分布情況，并將其疊加到采集的圖像上，可直觀的看出噪聲源的位置。

同時(shí)陣列支架上固定有三維掃描儀，可對車輛表面進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，并將噪聲測量結(jié)果映射到三維數(shù)據(jù)模型上，作為后續(xù)乘員艙內(nèi)噪聲仿真的外部激勵(lì)。

圖2  ©CATARC-AAWT外場聲學(xué)陣列系統(tǒng)組成

測量結(jié)果出處Joerg, O., Swen, T.:”The Porsche Wind Tunnel Microphone Array System”,Aachen Acoustics Colloquium 2015
 
如圖3所示，外場聲學(xué)陣列使用完畢后，頂部麥克風(fēng)陣列支架可向上收起，左右兩側(cè)的麥克風(fēng)陣列支架也可旋轉(zhuǎn)折疊至主桁架底部。折疊完成的桁架可沿軌道移動至設(shè)備收納間，以便于設(shè)備保存且不影響風(fēng)洞內(nèi)其他設(shè)備的使用，同時(shí)方便設(shè)備的維護(hù)檢修。

圖3 ©CATARC-AAWT駕駛員側(cè)麥克風(fēng)陣列支架正在折疊收起

3. 系統(tǒng)特性

可以進(jìn)行穩(wěn)態(tài)信號和非穩(wěn)態(tài)信號的采集與分析 ，頻率分析范圍50Hz–10kHz，生成聲學(xué)圖像或動畫，并定位聲源點(diǎn)。

軟件可存儲原始時(shí)域數(shù)據(jù)，詳細(xì)的分析或與其它數(shù)據(jù)比對，實(shí)時(shí)聲學(xué)“探視鏡”圖像，包括計(jì)權(quán) A、C和線性計(jì)權(quán)，可以直接計(jì)算 dB(A),dB(C)及生成圖像。

采集的數(shù)據(jù)可以回放生成的聲學(xué)圖像和聲學(xué)動畫。

帶有 1/3 倍頻程、FFT 頻譜分析功能。帶有時(shí)域、頻域的三維圖像分析，并可單獨(dú)標(biāo)記三維圖譜中的特征點(diǎn)，并生成該標(biāo)記點(diǎn)的聲學(xué)圖像或動畫、聲學(xué)頻譜、聲學(xué)時(shí)域信號。

通道數(shù)據(jù)可以進(jìn)行時(shí)域頻域的，能夠單獨(dú)分析。通道數(shù)據(jù)回放和幀數(shù)可調(diào)。

帶有窄帶濾波器，可以在頻域或時(shí)域上添加不同頻段的濾波器，單獨(dú)看某一頻段的聲學(xué)動畫。

可修正風(fēng)速和剪切層對聲源定位的影響?？尚拚囕v偏航角姿態(tài)導(dǎo)致的位置變化的影響。

標(biāo)準(zhǔn)/實(shí)時(shí)波束成形計(jì)算

§ 標(biāo)準(zhǔn)波束成形最小動態(tài)范圍：

50 Hz至500 Hz時(shí)為16 dB

500 Hz至6.3 kHz時(shí)為15 dB

6.3 kHz至10 kHz時(shí)為12 dB

§ 主要區(qū)域內(nèi)空間分辨率小于1.2λ

適用于風(fēng)洞中的特殊氣動聲學(xué)問題的反卷積算法，用于增加空間分辨率和標(biāo)準(zhǔn)波束成形圖的動態(tài)范圍，在增加空間分辨率的同時(shí)可以增加系統(tǒng)動態(tài)范圍20dB以上。

多種高級算法：

1. 相關(guān)性分析功能，可以更好的分析各種類型聲源之間的關(guān)系（函數(shù)相干關(guān)系分析）；

2. 正交波束成型算法，將單個(gè)聲源與其它聲源分離，在多個(gè)聲源情況下，量化單個(gè)聲源；

3. 高動態(tài)范圍算法，提高系統(tǒng)的云圖動態(tài)分析范圍20dB以上；

4. Zero Padding算法，專門用于確定敲擊聲源位置的計(jì)算工具；

5. 聲學(xué)橡皮擦算法，通過消除主聲源時(shí)域信號的方法把次要聲源突出顯示出來，多次運(yùn)用此算法也可以達(dá)到提高動態(tài)范圍的目的。

6. 云圖相減的計(jì)算功能，可以讓兩個(gè)波束成型云圖之間差異的計(jì)算可視化，用于比較某種技術(shù)改進(jìn)前后的兩種聲源定位結(jié)果的差異。

三維波束成形計(jì)算：將所有外部陣列數(shù)據(jù)合并到一個(gè)“超級陣列”上，并映射到3D模型的外表面上。

可以通過使用GPU計(jì)算來執(zhí)行所有計(jì)算和分析，以減少評估時(shí)間。所有單項(xiàng)的評價(jià)時(shí)間少于12s。

手動和全局的大于 10dB 值的范圍調(diào)整，用以顯示局部聲源點(diǎn)或全局聲源點(diǎn)，便于能夠確定聲源部件。

文件中存儲照片或動畫的所有相關(guān)的參數(shù)（時(shí)間函數(shù)，坐標(biāo)，照片，前置放大器和麥克風(fēng)的參數(shù)，注釋等等）

帶有用戶色彩工具，能夠根據(jù)不同的情況采用不同的色彩分析，便于發(fā)現(xiàn)問題。

可選圖像區(qū)域，除了能夠進(jìn)行圖片中的聲源位置定位外，圖片顯示以外的聲源點(diǎn)同樣可以顯示，便于確定問題。

窗口間的相互作用：位置譜，時(shí)間間隔的譜圖像，頻率間隔的譜圖像，位置的共振和聲學(xué)屬性。

軟件不僅能夠?qū)崿F(xiàn)在回放的圖片上顯示聲源位置，同時(shí)也可以回放聲音，并顯示該位置的聲壓級大小。

通過頻域上的特征點(diǎn)標(biāo)定，可以生成該頻域的聲學(xué)照片，對應(yīng)該特征是由產(chǎn)品的哪個(gè)部位發(fā)出來的。
 
 
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