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[導(dǎo)讀]聲學(xué)圖像識(shí)別50公里時(shí)速、1,904.3 Hz下的輪胎和排氣噪聲  “我們選擇了緊湊且直流供電的NI硬件,它能為陣列中的麥克風(fēng)提供電源。”  - Samir N.。 Gerges, Federal University of Santa Catarina (

聲學(xué)圖像識(shí)別50公里時(shí)速、1,904.3 Hz下的輪胎和排氣噪聲

  “我們選擇了緊湊且直流供電的NI硬件,它能為陣列中的麥克風(fēng)提供電源。”

  - Samir N.。 Gerges, Federal University of Santa Catarina (UFSC)

  挑戰(zhàn):

  開發(fā)一款便攜且價(jià)格合理的聲學(xué)波束形成形,實(shí)現(xiàn)通過(guò)噪聲測(cè)量和其他應(yīng)用中的噪聲源識(shí)別 。

  解決方案:

  使用32個(gè)麥克風(fēng)組成的螺旋陣列、NI LabVIEW軟件、NI聲音和振動(dòng)測(cè)量套件,以及32通道的NI CompactDAQ系統(tǒng),搭配8個(gè)NI 9234 4通道動(dòng)態(tài)信號(hào)采集(DSA) 模塊來(lái)獲取噪聲源的可視化圖像,從而識(shí)別行駛車輛所產(chǎn)生的信號(hào)。

  巴西圣卡塔琳娜州聯(lián)邦大學(xué)(UFSC)的噪聲和振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室從事多種項(xiàng)目研究,并參與汽車行業(yè)的研發(fā),使產(chǎn)品能夠符合噪音和振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。 除了支持本地行業(yè)的發(fā)展之外,我校還大力推動(dòng)本科生/研究生教學(xué)和研究的學(xué)術(shù)發(fā)展。

  通過(guò)噪聲測(cè)試經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化,可將車輛運(yùn)行過(guò)程中最大的附帶噪音水平量化。 在許多國(guó)家,有關(guān)政府機(jī)構(gòu)對(duì)聲音測(cè)試都有限制規(guī)定,通常為ISO362------測(cè)量道路車輛加速所產(chǎn)生的噪聲。 這些規(guī)定旨在記錄車輛在城市交通中正常行駛所產(chǎn)生的主要噪聲源水平,通常時(shí)速限制為50或70公里/小時(shí)。車輛通過(guò)噪聲測(cè)試可以驗(yàn)證,一輛符合標(biāo)準(zhǔn)的汽車,其產(chǎn)生的交通噪音不得超過(guò)所規(guī)定的限值。

  汽車上的很多部件都會(huì)產(chǎn)生噪聲,包括電機(jī)、排氣裝置、變速器以及輪胎。 標(biāo)準(zhǔn)的通過(guò)噪聲測(cè)試無(wú)法識(shí)別會(huì)造成測(cè)試失敗的源噪聲,因此我們需要一項(xiàng)能夠可視化呈現(xiàn)聲場(chǎng)的技術(shù),以分辨不同的聲源。 在該測(cè)試中,我們采用了波束成形,可以看到哪些聲源會(huì)顯著增大整體噪音,并對(duì)車輛通過(guò)噪聲產(chǎn)生影響。

  波束成形

  我們搭建了波束成形器,或稱為“聲學(xué)相機(jī)” ,其構(gòu)造是一個(gè)32個(gè)麥克風(fēng)組成的螺旋陣列,麥克風(fēng)間的最大直徑距離為1米,可用來(lái)捕捉噪聲源的視覺(jué)成像,我們還組建了一個(gè)1.1*1米的金屬網(wǎng)格。陣列的定位與單個(gè)麥克風(fēng)在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中的位置相同,距通道中心線的距離為7.5米,其中心距地面距離為1.3m,從而確保通過(guò)測(cè)試中所有的測(cè)量條件相同。

  我校學(xué)生使用低成本的駐極體盒麥克風(fēng)搭建了陣列麥克風(fēng)。 傳統(tǒng)的定向陣列硬件由市場(chǎng)上的電容麥克風(fēng)和前置放大器組成,但對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的使用來(lái)說(shuō)過(guò)于昂貴。 創(chuàng)建完整的陣列麥克風(fēng)可以節(jié)省開支,并為學(xué)生提供有價(jià)值的項(xiàng)目。 美國(guó)航空航天局蘭利研究中心研究發(fā)現(xiàn),所使用的駐極體盒產(chǎn)生的麥克風(fēng)頻率響應(yīng),適用于定向列陣,其音頻頻譜的幅度和相位響應(yīng)變化最小,高頻變化適中。我們正是基于以上研究完成了該設(shè)計(jì)。

  數(shù)據(jù)采集

  我們采用 NI USB-9162高速C系列USB外盒,搭配8個(gè) NI 9234 DSA模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 我們選擇了緊湊且直流供電的NI硬件,它能為陣列中的麥克風(fēng)提供電源。 模塊的無(wú)混疊帶寬高達(dá)20 kHz。 此外,通道的相位匹配對(duì)于聲學(xué)波束形成來(lái)說(shuō)相當(dāng)重要,且系統(tǒng)規(guī)定任意兩個(gè)通道間的相位不匹配度不能超過(guò)一度。

  由于系統(tǒng)是直流供電,所以使用電池操作很方便。 在筆記本電腦上運(yùn)行LabVIEW 軟件和聲音與振動(dòng)測(cè)量套件,可輕松地將電壓值轉(zhuǎn)換為噪聲測(cè)量中使用的工程單位。 此外,聲音和振動(dòng)測(cè)量套件符合IEC61260(電聲、倍頻程和分?jǐn)?shù)倍頻程帶通濾波器)和IEC61672(電聲和聲級(jí)計(jì))聲級(jí)測(cè)量、加權(quán)濾波器、倍頻程分析的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),其測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、重復(fù)性佳。

  分析

  數(shù)據(jù)采集完成后,我們采用了傳統(tǒng)的延遲相加波束成形算法對(duì)其進(jìn)行分析。 我們對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行了總結(jié),并描述了從聲源到不同麥克風(fēng)的不同傳播路徑。 聲源以高速通過(guò)聲學(xué)相機(jī)(與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速度相比,現(xiàn)代汽車的速度仍舊緩慢),可使光束集中并追蹤通過(guò)麥克風(fēng)陣列的聲源。 我們必須校正反多普勒過(guò)程的多普勒效應(yīng),其中包括幅度和頻率校正,從而獲取連貫的信號(hào)總和。

  為了校準(zhǔn)聲學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)和正在測(cè)試的車輛照片、疊加噪聲幅度,我們啟動(dòng)了蜂鳴器(主件約為2.2千赫下的90分貝)和以50公里每小時(shí)勻速運(yùn)行的車輛,讓其像常規(guī)通過(guò)測(cè)試一樣通過(guò)陣列。

  我們采用這種方法替代了穩(wěn)定測(cè)量,正是因?yàn)樗杉俣瓤臁①|(zhì)量高。 它同時(shí)還呈現(xiàn)了通過(guò)測(cè)量中的同類錄音。 蜂鳴器的位置可允許照片和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確對(duì)齊。

  由于車輛的輪胎和車身周圍的湍流運(yùn)動(dòng)等在移動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生噪音, 我們將該技術(shù)應(yīng)用到車輛上,對(duì)這些噪聲進(jìn)行了精確的評(píng)估和識(shí)別。 介于此,我們可以很好地以減少風(fēng)洞外的車輛通過(guò)噪聲。

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