汽车风洞中波束成形声源识别技术应用进展

国内首个整车气动声学风洞落成十年来，国内汽车风噪测试技术取得了长足进步。基于波束成形（Beamforming）原理[1]的远场声源识别可有效辨识气动声源，是整车风洞中车外气动噪声开发的理想手段。声源识别在整车风洞中的应用场景又有其自身的特点，存在目标范围大、声源复杂、测量距离远，剪切层折射等一系列问题。早期，受限于测试条件、计算机处理能力、算法软件等客观条件，声源识别技术在汽车风洞中的测试效果并不十分理想[2-3]，在整车开发工程中的应用场景有限。近十年来，得益于计算机科学的迅猛发展以及相关改进算法的革新，声源识别系统的测量准确度和使用便利性大幅提高[4-5]，在汽车风洞试验中的使用频次逐步上升[6-7]，具有广泛的应用前景。

本文对波束成形声源识别的原理、关键性能参数，以及相关研究动态和应用实践进行了综述，回顾并总结了相关技术在汽车风洞中的使用经验，以期对相关研究或工程开发提供参考。

1 基本概况

1.1 波束成形概述

波束成形最初来源于雷达天线技术，基本原理是设置一组传感器阵列，通过信号识别技术分析波阵面到达各个传感器的时间差，利用位置差和相位差计算波来源的方向[1]。在声源识别设备中，所使用的传感器为压力型传声器，捕捉识别的是声波的波阵面。图1是用波束成型获得二维传声器阵列平面波传播方向的原理图。

图1 相位传声器阵列识别声源的原理

如图2 所示，波束成形声源识别系统总是存在一个主瓣指向真实声源，同时存在很多由其它波阵面干扰形成的旁瓣。

图2 波束成形主瓣、旁瓣的关系

主瓣和旁瓣之间的关系决定系统的主要性能指标。

动态范围又称为最大旁瓣水平，表示阵列抑制非指向方向旁瓣的能力，当系统的设置量程超过动态范围时将出现由旁瓣产生的虚假声源（Ghost）。

主瓣宽度决定对单个声源的定位范围，主瓣宽度越小，识别到的声源位置越准确。

空间分辨率为声源识别系统识别分辨两个相邻声源的能力，由各个声源的主瓣宽度决定，当阵列声源之间的距离较远时，采用能分辨的两声源之间的最小距离来表示。

1.2 整车风洞应用特点

1.2.1 声源特点

整车风洞中主要测试对象是汽车，与缩比模型、零部件等其它声源识别测试对象相比几何尺寸大很多，测试区域的直径通常大于5 m。汽车产生的气动噪声频率范围很宽，基本涵盖整个人耳可听声范围，且各声源随机性强、相干性弱。

1.2.2 测试环境

整车风洞为满足阻塞比要求，测试段尺寸较大，外场声源识别的测试距离较远，通常大于4 m。整车声学风洞一般都经过消声处理，通常能满足半消声室要求，即声源识别在反射声方面只需要考虑地面的影响。此外，在风洞外场测量时，声信号受到射流结构（主要是剪切层）的干扰，声源识别会产生声漂移现象，需要进行修正。

1.2.3 工程开发要求

在整车风洞进行试验测量多为以产品开发为目的的工程项目，此类项目相比科研项目有其自身特点。首先，对测试结果的时效性要求高，完成测量后短时间内需得到有效结果；其次，目的性强，在找出声源问题时，需提供相应的解决方案，对无法解决或对整体提升效果不明显的声源关注程度较低，例如，虽然前轮腔是车外最大的气动声源，但A柱、后视镜附近的声源受关注程度明显更高。

2 硬件技术发展

2.1 传声器阵列

2.1.1 阵列形式选择

平面传声器阵列对远场定位综合性能较好，但对测试环境要求更高，而整车声学风洞半消声室能很好地满足此要求。因此，整车风洞外场测量使用的均为平面型阵列。近年来，随着声源识别向三维发展[8]，开始使用包含2～3平面阵列形式的组合阵列。

进行车内测量时，球形阵列能一次识别各个方向的声源[9]，由于车内空间的不规则性，需配合车内空间的三维数模使用。

2.1.2 阵列形状优化

优化阵列上的传感器相对位置分布能有效提高系统性能。关于阵列形状的研究一直是学术界的热点[10-12]。图3为4种常用优化阵列形状。其中，（a）为螺旋形阵列，（b）伪随机阵列，（c）为全轮辐阵列，（d）为半轮辐阵列。这4种阵列的传感器间距均经过优化，能达到较优的动态范围与空间性能的平衡。

文章来源：《测试技术学报》 网址: http://www.csjsxbzz.cn/qikandaodu/2021/0221/505.html