LabVIEW和NI CompactDAQ助力UFSC復雜的車(chē)輛噪聲測

聲學(xué)圖像識別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：

　　開(kāi)發(fā)一款便攜且價(jià)格合理的聲學(xué)波束形成形，實(shí)現通過(guò)噪聲測量和其他應用中的噪聲源識別 。

　　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)測量套件，以及32通道的NI CompactDAQ系統，搭配8個(gè)NI 9234 4通道動(dòng)態(tài)信號采集（DSA） 模塊來(lái)獲取噪聲源的可視化圖像，從而識別行駛車(chē)輛所產(chǎn)生的信號。

　　巴西圣卡塔琳娜州聯(lián)邦大學(xué)（UFSC）的噪聲和振動(dòng)實(shí)驗室從事多種項目研究，并參與汽車(chē)行業(yè)的研發(fā)，使產(chǎn)品能夠符合噪音和振動(dòng)標準。 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)噪聲測試經(jīng)過(guò)標準化，可將車(chē)輛運行過(guò)程中最大的附帶噪音水平量化。 在許多國家，有關(guān)政府機構對聲音測試都有限制規定，通常為ISO362------測量道路車(chē)輛加速所產(chǎn)生的噪聲。 這些規定旨在記錄車(chē)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(chē)輛通過(guò)噪聲測試可以驗證，一輛符合標準的汽車(chē)，其產(chǎn)生的交通噪音不得超過(guò)所規定的限值。

　　汽車(chē)上的很多部件都會(huì )產(chǎn)生噪聲，包括電機、排氣裝置、變速器以及輪胎。 標準的通過(guò)噪聲測試無(wú)法識別會(huì )造成測試失敗的源噪聲，因此我們需要一項能夠可視化呈現聲場(chǎng)的技術(shù)，以分辨不同的聲源。 在該測試中，我們采用了波束成形，可以看到哪些聲源會(huì )顯著(zhù)增大整體噪音，并對車(chē)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(chēng)為“聲學(xué)相機” ，其構造是一個(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)在標準測試中的位置相同，距通道中心線(xiàn)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)測試中所有的測量條件相同。

　　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，但對于實(shí)驗室的使用來(lái)說(shuō)過(guò)于昂貴。 創(chuàng )建完整的陣列麥克風(fēng)可以節省開(kāi)支，并為學(xué)生提供有價(jià)值的項目。 美國航空航天局蘭利研究中心研究發(fā)現，所使用的駐極體盒產(chǎn)生的麥克風(fēng)頻率響應，適用于定向列陣，其音頻頻譜的幅度和相位響應變化最小，高頻變化適中。我們正是基于以上研究完成了該設計。

　　數據采集

　　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)行數據采集。 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20 kHz。 此外，通道的相位匹配對于聲學(xué)波束形成來(lái)說(shuō)相當重要，且系統規定任意兩個(gè)通道間的相位不匹配度不能超過(guò)一度。

　　由于系統是直流供電，所以使用電池操作很方便。 在筆記本電腦上運行LabVIEW 軟件和聲音與振動(dòng)測量套件，可輕松地將電壓值轉換為噪聲測量中使用的工程單位。 此外，聲音和振動(dòng)測量套件符合IEC61260（電聲、倍頻程和分數倍頻程帶通濾波器）和IEC61672（電聲和聲級計）聲級測量、加權濾波器、倍頻程分析的國際標準，其測量結果準確、重復性佳。

　　分析

　　數據采集完成后，我們采用了傳統的延遲相加波束成形算法對其進(jìn)行分析。 我們對聲音信號進(jìn)行了總結，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（與數據采集系統的采樣速度相比，現代汽車(chē)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，其中包括幅度和頻率校正，從而獲取連貫的信號總和。

　　為了校準聲學(xué)測量數據和正在測試的車(chē)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)勻速運行的車(chē)輛，讓其像常規通過(guò)測試一樣通過(guò)陣列。

　　我們采用這種方法替代了穩定測量，正是因為它采集速度快、質(zhì)量高。 它同時(shí)還呈現了通過(guò)測量中的同類(lèi)錄音。 蜂鳴器的位置可允許照片和數據準確對齊。

　　由于車(chē)輛的輪胎和車(chē)身周?chē)耐牧鬟\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)應用到車(chē)輛上，對這些噪聲進(jìn)行了精確的評估和識別。 介于此，我們可以很好地以減少風(fēng)洞外的車(chē)輛通過(guò)噪聲。