1先容

臆造发动机噪声是训诲汽车NVH性能的要道之一，而贬责这一问题的中枢在于准确识别主要的噪声源。传统的识别技艺主要包括声压法、名义振动法和声强法等。声压法操作便捷、效能高，但容易受到声源位置和测试要求的影响，因此只可用于浅显的噪声源识别。名义振动法约略识别结构发射的噪声源，但对通过空气传播的噪声无效，同期测量易受振动位置的完结。声强法诚然对测试环境要求低，具备宽频带、高分裂率等优点，但只可逐点扫描相识工况的噪声源，测试耗时长，效能较低。频年来，基于麦克风阵列的声源识别时刻因其测量速率快、成像效能高、空间分裂率好，且能适用于稳态和瞬态声源的上风，在各样工业规模中得到了正常应用。

声学相机是一种不错将声息书号调动为可视化图像的开采，时常由多个麦克风阵列构成，通过拾取不同位置的声波信号，赓续波束变成算法或其他空间定位算法，生成声源位置的图像。声学相机可用于快速定位噪声源，止境妥贴复杂噪声环境下的多源分析。

本文以汽车发动机的噪声定位为例先容汉航NTS.LAB ACX声学相机模块。发动机噪声是一种典型的机械噪声，主要包括以下几类：

① 空气能源学噪声：由发动机运转时气体流动、排气系统引起的噪声，频率畛域较广。

② 机械噪声：由发动机里面机械部件的开通、摩擦、振动等引起，如活塞、曲轴、气门等，时常在中高频段。

③ 结构噪声：发动机运转时，噪声通过车体或其他部件结构传递和发射产生的噪声。

④ 爆燃噪声：烧毁经由中产生的爆燃或爆震所带来的短时脉冲噪声，频率较高且立地。

站群论坛2阵列

时常情况下，阵列的波束若能有弥散窄的带宽和较大的动态畛域，则关于成像精度有权贵的训诲。由“瑞利极限”可知阵列的带宽反比于阵列的孔径和声源频率，正比于声源的距离。传感器阵列的阵列指向性图仅与阵元位置干系，因此阵列的布局会影响其指向性能。合理的阵列布局约略在可领受的动态畛域内获取较高的分裂率。一言以蔽之，影响阵列成像完结的要道身分包括：①声源的频率；②声源与阵列的距离；③阵列的孔径；④传感器数量与散布表情；⑤传感器性能。

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图1为汉航NTS.LAB ACX声学相机模块想象的2000Hz频率下各典型阵列在正前哨向的阵列指向性图。

图1 阵列指向性图

3算法

汉航NTS.LABACX声学相机模块包含波束变成(Beamforming)和近场声全息(Nearfield Acoustic Holography, NAH)两类算法，本文主要先容Beamforming算法。

Beamforming算法通过诓骗传声器阵列中各阵元的位置和经受到声波的时代差来确定声源位置。最经典的波束变成算法是延时乞降(Delay-and-Sum)算法。如图2所示，延时乞降算法以参考传声器为基准，对阵列中其他传声器经受到的信号进行延时退换，以赔偿声波在传播经由中到达各传声器的时代差。这一延时操作使得阵列悉数传声器在某渴望位置经受到的声波经过延时后在正确的方朝上相位一致。接着，算法对悉数信号进行加权乞降处理，以使该位置上的声信号得到权贵增强。经过这一处理后，渴望位置的声信号变成一个空间响应的极大值，而其他位置的信号被有用羁系。增强信号所对应的极大值即标明潜在声源的位置，从而完毕了精确的声源定位。

图2 声信号传播泄漏图

声源传播至参考阵元与其他各阵元间的时代差τn可泄漏为：

由测量得到的传声器信号xn对成像面某少许进行聚焦，即用声波传播至参考阵元与至悉数阵元的相对延长时代τn'来进行时延赔偿，接着对赔偿后的信号进行加权、乞降，可得到系统的输出为：

经傅里叶变换到频域输出为：

式中，an为加权悉数，由式可看出，若τn'=τn，此时赔偿后的各信号具有调换的相位，聚焦后的输出最大；若τn'≠τn，此时赔偿后的各信号相位不同，乞降时可能出现互相对消。

延时乞降波束变成输出的平均功率即为：

式中，

是传声器信号的互功率谱，将波束变成输出的平均功率谱剖判成自谱和互谱两个部分：

由于各个传声器之间的噪声时常是互不干系的，因此在实验工程应用中，可去除功率谱中的自谱部分，产生更好的降噪完结和抗干涉本领，最终输出为：

传统的波束变成时刻基于平面波假定，在实验测量中，当声源与传声器阵列的距离较大时，声源不错被合计是远场声源，传声器经受到的声波可视为平面波。现时声源定位可视化的一个发展趋势是使用大孔径阵列进行近距离测量，从而捕捉更多声源细节信息。举例，在工场车间等嘈杂环境中，为了更准确地会诊开采故障或进行降噪处理，时常需要缩小测量距离，以训诲信噪比并精确定位噪声源。然则，当声源与阵列之间的距离无法欢悦远场要求时，若仍使用远场平面波模子，会导致波束变成性能严重下落，出现波束主瓣变宽、旁瓣增高级缓和，从而影响定位完结，如图3所示。因此，在这种情况下，遴荐更妥贴近场要求的球面波模子，约略幸免这些问题，完毕更理思的波束成像完结。

图3 近场波与远场波泄漏图

在近场声源定位中，声源的标的和其与传声器的距离齐需纳入模子的接洽。当声源的尺寸远小于其发射声波的波永劫，不错将其相似为点声源。点声源发射的波形为球面波，因此球面波模子的声压抒发式会字据声波的传播距离退换幅值，愈加靠拢实验的声波衰减特质。

在实验测量中，阵列面与声源面之间的距离时常决定了是遴荐近场如故远场模子。近场球面波模子与远场平面波模子的主要互异在于想象声波到达各传声器的时代差风景，但二者的波束变成旨趣基本一致。遴荐球面波模子约略更精确地反应近场要求下的声波传播特质，训诲测量的准确性。

4实验

汉航（北京）科技有限公司开采了便携式手合手声学相机系统，以高效FPGA平台四肢数据处理中枢，变成了精度高、体积小、及时性强的声源定位决议，具备正常的工程应用价值。

该系统的软件部分依托汉航NTS.LAB测试平台，权贵训诲了性能及海量数据处理本领。汉航NTS.LAB ACX声学相机模块的波束变成算法适用于远场和近场声源定位，系统约略字据用户确立的分析需求，自动生成匹配的波束变成算法模子，及时想象并提供精确的声源定位完结。这种想象不仅确保了精确的定位完结，也为实验应用场景中的噪声源分析和问题贬责提供了更强的撑合手。

本次测验遴荐了汉航公司自主研发的30通谈螺旋型阵列进行噪声测量。测量经由中，阵列中的每个传声器同步经受声息书号，并通过汉航高精度Hunter系列数据收集硬件将数据及时传输至汉航NTS.LAB ACX声学相机模块。汉航NTS.LAB ACX声学相机模块诓骗高效的算法处理获取到的圆善互谱矩阵，并基于波束变成反向想象声源名义诸君置的声功率散布，完毕声源区域的声学成像。

如图4所示，测验现场展示了阵列与发动机的测量布局。

图4 发动机声源定位测验现场图

通过使用汉航NTS.LAB ACX声学相机系统对及时噪声数据进行不雅测，不错从图5中的示波界面可不雅测到1300-1600Hz的频率畛域内噪声信号发达出权贵的能量峰值。赓续前文对发动机噪声的分析，这一频段内的噪声主要源于能源总成系统里面机械部件的开通产生的机械噪声。因此，在1300-1600Hz频段畛域内进行声源定位分析，明晰地识别出机械噪声源的位置，约略为后续的噪声优化和律例提供要道数据撑合手。

图5 NTS.LAB DSA示波信号

在1300-1600Hz频段，应用Beamforming算法，对悉数这个词能源总成系统进行声源定位成像，完结如图6所示。

图6 NTS.LAB ACX声源及时定位完结

在汉航NTS.LAB ACX声学相机模块的撑合手下，系统约略在测量经由中同期收集数据和画面，并将其及时导入NTS.LAB Analysis平台进行每帧数据的声学成像分析。在NTS.LAB Analysis中掀开该段测量信号，不错不雅察到1500Hz下的声源成像完结，图像明晰地涌现了噪声主要来自汽车发动机部位。这种直不雅的声源成像完结为噪声源定位提供了高效、精确的参考，有助于工程师更快速地开展降噪和优化责任。

图7 NTS.LAB Analysis声学相机后处理模块

5回归

汉航NTS.LAB ACX声学相机模块不错匡助工程师飞速且准确地识别噪声开头，赓续稠密的Beamforming算法，不仅约略生成明晰的声源散布可视化图，还能深刻分析噪声的特质和开头。这依然由极地面训诲了工程师分析和贬责噪声问题的效能，为汽车行业的降噪想象提供了可靠的时刻撑合手。

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