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中汽中心气动声学风洞先进设备（四）外场声学阵列 Exterior Acoustic Array
2020-03-28 17:03:09· 来源：中汽中心空气动力学实验室
原创AERI-AERO中汽中心空气动力学实验室昨天点击蓝字关注，中汽中心空气动力学实验室!随着我国高速公路的发展速度日新月异，高速轨道交通迅速崛起，使得汽车和轨
随着我国高速公路的发展速度日新月异，高速轨道交通迅速崛起，使得汽车和轨道交通车辆的车速不断提高，进而对它们的操纵安全性、舒适性的要求也越来越高。因此，设计空气动力特性良好、气动噪声较低的汽车和高速轨道交通机车车辆，将是重点研究开发内容。
1. 系统功能
外场声学阵列是一套噪声源定位系统，是在气动-声学风洞中进行车内风噪声测试及车内外噪声分布—声源定位分析研究中所需的核心设备。它打破了传统处理声音问题的方法，将听觉感受的声音转化为“可视化”的视觉图像或动画，并且可以直接显示出声源的部位或具体哪个零部件，大大缩短了产品开发和故障源排除的周期。
图1 ©CATARC-AAWT外场声学阵列全局图
2. 系统原理及构成
在风洞试验中，通过对静止的车辆吹风，来模拟真实行驶时车辆与空气之间的相对运动。当气体流经车辆变化较大的表面、突出的特征或缝隙时，会引起气流速度的变化或者产生涡流，从而产生噪声。
整个系统如图2所示。为了实现车身表面噪声测量并定位声源的功能，并保证声音测量范围能够完全覆盖整个车辆尺寸，需要将三面麦克风阵列分别放置于测试车辆的左右侧及上方，并与测试车辆之间保持适当的距离。由一套可移动支架用于固定麦克风阵列以及阵列上的摄像头并调整其位置。
顶部麦克风阵列安装在主桁架中间，主桁架两侧垂下的副桁架上各安装有一面麦克风阵列。可由控制器操纵可移动支架沿轨道平移调整位置，使麦克风阵列中心能够对准各种不同尺寸测试车辆的中心/关注位置。每面阵列上以精心设计过的形式排列安装192个麦克风，以完整测量车身左右及上表面的噪声分布，并保证测量结果的空间精度。每面麦克风阵列中心安装有一个专用摄像头，可对车辆左右及上表面进行图像采集。
通过安装在电脑上的采集软件，驱动麦克风阵列对声音及振动信号进行采集，采集后的时域信号以及光学图像信号，通过分析软件后处理分析，比对各个麦克风对同一声音事件采集到的信号大小的不同，通过基于波束成型原理的算法计算出车身表面的噪声分布情况，并将其叠加到采集的图像上，可直观的看出噪声源的位置。
同时阵列支架上固定有三维扫描仪，可对车辆表面进行数据扫描，并将噪声测量结果映射到三维数据模型上，作为后续乘员舱内噪声仿真的外部激励。
图2 ©CATARC-AAWT外场声学阵列系统组成
测量结果出处Joerg, O., Swen, T.:”The Porsche Wind Tunnel Microphone Array System”,Aachen Acoustics Colloquium 2015
如图3所示，外场声学阵列使用完毕后，顶部麦克风阵列支架可向上收起，左右两侧的麦克风阵列支架也可旋转折叠至主桁架底部。折叠完成的桁架可沿轨道移动至设备收纳间，以便于设备保存且不影响风洞内其他设备的使用，同时方便设备的维护检修。
图3 ©CATARC-AAWT驾驶员侧麦克风阵列支架正在折叠收起
3. 系统特性
可以进行稳态信号和非稳态信号的采集与分析 ，频率分析范围50Hz–10kHz，生成声学图像或动画，并定位声源点。
软件可存储原始时域数据，详细的分析或与其它数据比对，实时声学“探视镜”图像，包括计权 A、C和线性计权，可以直接计算 dB(A),dB(C)及生成图像。
采集的数据可以回放生成的声学图像和声学动画。
带有 1/3 倍频程、FFT 频谱分析功能。带有时域、频域的三维图像分析，并可单独标记三维图谱中的特征点，并生成该标记点的声学图像或动画、声学频谱、声学时域信号。
通道数据可以进行时域频域的，能够单独分析。通道数据回放和帧数可调。
带有窄带滤波器，可以在频域或时域上添加不同频段的滤波器，单独看某一频段的声学动画。
可修正风速和剪切层对声源定位的影响。可修正车辆偏航角姿态导致的位置变化的影响。
标准/实时波束成形计算
§ 标准波束成形最小动态范围：
50 Hz至500 Hz时为16 dB
500 Hz至6.3 kHz时为15 dB
6.3 kHz至10 kHz时为12 dB
§ 主要区域内空间分辨率小于1.2λ
适用于风洞中的特殊气动声学问题的反卷积算法，用于增加空间分辨率和标准波束成形图的动态范围，在增加空间分辨率的同时可以增加系统动态范围20dB以上。
多种高级算法：
1. 相关性分析功能，可以更好的分析各种类型声源之间的关系（函数相干关系分析）；
2. 正交波束成型算法，将单个声源与其它声源分离，在多个声源情况下，量化单个声源；
3. 高动态范围算法，提高系统的云图动态分析范围20dB以上；
4. Zero Padding算法，专门用于确定敲击声源位置的计算工具；
5. 声学橡皮擦算法，通过消除主声源时域信号的方法把次要声源突出显示出来，多次运用此算法也可以达到提高动态范围的目的。
6. 云图相减的计算功能，可以让两个波束成型云图之间差异的计算可视化，用于比较某种技术改进前后的两种声源定位结果的差异。
三维波束成形计算：将所有外部阵列数据合并到一个“超级阵列”上，并映射到3D模型的外表面上。
可以通过使用GPU计算来执行所有计算和分析，以减少评估时间。所有单项的评价时间少于12s。
手动和全局的大于 10dB 值的范围调整，用以显示局部声源点或全局声源点，便于能够确定声源部件。
文件中存储照片或动画的所有相关的参数（时间函数，坐标，照片，前置放大器和麦克风的参数，注释等等）
带有用户色彩工具，能够根据不同的情况采用不同的色彩分析，便于发现问题。
可选图像区域，除了能够进行图片中的声源位置定位外，图片显示以外的声源点同样可以显示，便于确定问题。
窗口间的相互作用：位置谱，时间间隔的谱图像，频率间隔的谱图像，位置的共振和声学属性。
软件不仅能够实现在回放的图片上显示声源位置，同时也可以回放声音，并显示该位置的声压级大小。
通过频域上的特征点标定，可以生成该频域的声学照片，对应该特征是由产品的哪个部位发出来的。
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