声学波束形成形实现通过噪声测量和其他应用中的噪声源识别？

如何开发一款便携且价格合理的声学波束形成形，实现通过噪声测量和其他应用中的噪声源识别？巴西圣卡塔琳娜州联邦大学（UFSC）的噪声和振动实验室使用 32 个麦克风组成的螺旋阵列、NI LabVIEW 软件、NI 声音和振动测量套件，以及 32 通道的 NI CompactDAQ 系统，搭配 8 个 NI 9234 4 通道动态信号采集（DSA） 模块 来获取噪声源的可视化图像，从而识别出行驶车辆所产生的信号。

UFSC 将 LabVIEW 和 NI CompactDAQ 应?于?辆通过噪声测试的声学波束成形中通过噪声测试经过标准化，可将车辆运行过程中最大的附带噪音水平量化。

在许多国家，有关政 府机构对声音测试都有限制规定，通常为 ISO362------测量道路车辆加速所产生的噪声。这些规 定旨在记录车辆在城市交通中正常行驶所产生的主要噪声源水平，通常时速限制为 50 或 70 公里/小 时。

车辆通过噪声测试可以验证，一辆符合标准的汽车，其产生的交通噪音不得超过所规定的限值。汽车上的很多部件都会产生噪声，包括电机、排气装置、变速器以及轮胎。

标准的通过噪声测试 无法识别会造成测试失败的源噪声，因此我们需要一项能够可视化呈现声场的技术，以分辨不同 的声源。在该测试中，我们采用了波束成形，可以看到哪些声源会显著增大整体噪音，并对车辆通 过噪声产生影响。

波束成形

我们搭建了波束成形器，或称为“声学相机” ，其构造是一个 32 个麦克风组成的螺旋阵列，麦克风 间的最大直径距离为 1 米，可用来捕捉噪声源的视觉成像，我们还组建了一个 1.1*1 米的金属网 格。阵列的定位与单个麦克风在标准测试中的位置相同，距通道中心线的距离为 7.5 米，其中心距 地面距离为1.3m，从而确保通过测试中所有的测量条件相同。

我校学生使用低成本的驻极体盒麦克风搭建了阵列麦克风。传统的定向阵列硬件由市场上的电容麦克风和前置放大器组成，但对于实验室的使用来说过于昂贵。

创建完整的阵列麦克风可以节省 开支，并为学生提供有价值的项目。 美国航空航天局兰利研究中心研究发现，所使用的驻极体盒 产生的麦克风频率响应，适用于定向列阵，其音频频谱的幅度和相位响应变化最小，高频变化适 中。

我们正是基于以上研究完成了该设计。

数据采集

我们采用 NI USB-9162 高速 C 系列 USB 外盒，搭配 8 个 NI 9234 DSA 模块进行数据采集。我们选 择了紧凑且直流供电的 NI 硬件，它能为阵列中的麦克风提供电源。

模块的无混叠带宽高达 20 kHz。此外，通道的相位匹配对于声学波束形成来说相当重要，且系统规定任意两个通道间的相位不匹配度不能超过一度。

由于系统是直流供电，所以使用电池操作很方便。在笔记本电脑上运行 LabVIEW 软件和声音与振动测量套件，可轻松地将电压值转换为噪声测量中使用的工程单位。此外，声音和振动测量套件符合 IEC61260（电声、倍频程和分数倍频程带通滤波器）和 IEC61672（电声和声级计）声级测量、加权滤波器、倍频程分析的国际标准，其测量结果准确、重复性佳。

分析

数据采集完成后，我们采 用了传统的延迟相加波束 成形算法对其进行分析。我们对声音信号进行了总 结，并描述了从声源到不 同麦克风的不同传播路 径。

声源以高速通过声 学相机（与数据采集系统 的采样速度相比，现代汽 车的速度仍旧缓慢），可 使光束集中并追踪通过麦 克风阵列的声源。

我们 必须校正反多普勒过程的 多普勒效应，其中包括幅 度和频率校正，从而获取 连贯的信号总和。

为了校准声学测量数据和 正在测试的车辆照片、叠 加噪声幅度，我们启动了 蜂鸣器（主件约为2.2 千 赫下的 90 分贝）和以 50 公里每小时匀速运行的车 辆，让其像常规通过测试 一样通过阵列。

我们采用这种方法替代了 稳定测量，正是因为它采 集速度快、质量高。它 同时还呈现了通过测量中 的同类录音。蜂鸣器的 位置可允许照片和数据准 确对齐。

由于车辆的轮胎和车身周 围的湍流运动等在移动过 程中会产生噪音， 我们 将该技术应用到车辆上， 对这些噪声进行了精确的 评估和识别。介于此， 我们可以很好地以减少风 洞外的车辆通过噪声。

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