CN110164466A - 一种应用于汽车发动机主动噪声控制的车内声场可视化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于汽车发动机主动噪声控制的车内声场可视化方法，包括：（1）测试汽车发动机振动噪声下车内声压值；（2）声场模态系数识别及声场分布可视化，包括：a．将测点位置的声压值的时域信号转化为频域信号；b．采用模态展开方程计算各个位置处的声压值；c．根据步骤a获得的声压值识别模态参数；d．计算声场各个位置处的声压值；e．将计算得到的声压值进行云图显示。该应用于汽车发动机主动噪声控制的车内声场可视化方法通过声场分布测试的时域信号以及声学波动方程得到的模态展开式，可实现发动机振动噪声下，车内声场分布可视化，可为主动噪声控制效果和误差麦克风布置优化提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及汽车主动噪声控制技术领域，具体涉及一种应用于汽车发动机主动噪声控制的车内声场可视化方法。
背景技术
汽车噪声是汽车NVH研究的重要性能指标，成为影响乘车舒适性的关键因素。其中发动机振动噪声是汽车内部噪声的主要来源，频率分布在10～300Hz低频段，传统的被动噪声控制方法对低频噪声的控制效果有限，研究汽车发动机噪声主动控制方法至关重要。
主动噪声控制采用声波干涉理论进行声音的削弱和抵消，从而达到降噪的目的。控制系统分为前馈系统和反馈系统，前馈系统通过采集控制区域某一点的误差信号以及初级声源的参考信号，驱动次级扬声器发出降噪信号。反馈系统只通过误差信号作为次级声源的输入，因此只适用于窄带噪声的控制。常用的ANC自适应滤波算法主要有前馈控制系统的FXLMS算法、最小均方算法(LMS算法)、递归最小二乘法(RLS算法)以及反馈控制系统的基于滤波-xLMS算法等。现有控制算法不仅由于存在声反馈问题和声延时问题而影响系统的降噪性能，算法对空间有限点的声压级进行控制，实现声场局部声品质优化，很难保证其全局主动控制精度。为了实现更好的主动控制效果，采用全局控制算法对声场进行降噪处理，全局主动控制的前提是准确识别声场特征参数以及实现目标声场可视化。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的问题，提供一种改进的应用于汽车发动机主动噪声控制的车内声场可视化方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种应用于汽车发动机主动噪声控制的车内声场可视化方法，包括如下步骤：
(1)测试汽车发动机振动噪声下车内声压值p0(r,θ,φ,t)；
(2)声场模态系数识别及声场分布可视化，具体包括：
a.将测点位置的声压值的时域信号p0(r,θ,φ,t)通过傅里叶变换转化为频域信号p0(r,θ,φ,f)；
b.采用模态展开方程计算各个位置处的声压值，计算公式为：式中，r、θ、φ为空间位置坐标，f为模态频率，Dn(f)为n阶声模态振幅，Ψ(r,θ,φ,f)为对应的n阶模态振型；
c.根据步骤a获得的声压值p0(r,θ,φ,f)识别模态参数Dn(f)；
d.计算声场各个位置处的声压值p(r,θ,φ,f)；
e.将计算得到的声压值p(r,θ,φ,f)进行云图显示。
优选地，步骤(1)中，通过测试装置对汽车发动机振动噪声下车内声压值p0(r,θ,φ,t)进行测试，测试装置包括主支架、副支架和用于测试汽车发动机振动噪声下车内声压值p0(r,θ,φ,t)的麦克风，所述主支架沿前后方向延伸，所述主支架的前后两端部分别设置在汽车上，所述副支架沿上下方向延伸，所述副支架的上端部设置在所述主支架上，所述麦克风设置在所述副支架上。
进一步地，沿所述主支架的长度延伸方向设置有多个所述副支架，每个所述副支架上设置有多个所述麦克风。
进一步地，所述副支架可调位置地设置在所述主支架上，和/或所述麦克风可调位置地设置在所述副支架上。
更进一步地，所述测试装置还包括用于连接所述麦克风和所述副支架的连接装置，所述连接装置包括能够沿所述副支架的长度延伸方向滑动地设置在所述副支架上的滑块、与所述滑块相固定连接的转接件和用于固定所述麦克风的固定夹，所述固定夹与所述转接件相转动连接。
优选地，步骤(1)中沿汽车主驾驶位到副驾驶位的方向，间隔一距离逐排测试车内声压值p0(r,θ,φ,t)。
优选地，在汽车发动机缸盖上布置振动传感器，测试发动机的振动信号，得到声场测点的相位信息。
优选地，步骤b中，Ψ(r,θ,φ,f)通过下式计算：其中，为第一类Hankel函数，和eifr成正比，为球谐函数。
优选地，步骤e中，利用三维数据拟合函数将计算得到的p(r,θ,φ,f)进行云图显示。
优选地，通过声场声压值p(r,θ,φ,f)对车内空间的体积V的积分计算全局声势能，计算公式为：
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的应用于汽车发动机主动噪声控制的车内声场可视化方法通过声场分布测试的时域信号以及声学波动方程得到的模态展开式，可实现发动机振动噪声下，车内声场分布可视化，也可计算汽车内总声势能，进行发动机噪声ANC效果评估，可为主动噪声控制效果和误差麦克风布置优化提供参考。
附图说明
附图1为本发明的测试装置在汽车内安装后的主视图；
附图2为本发明的测试装置在汽车内安装后的俯视图；
附图3为本发明的测试装置在汽车内安装后的侧视图；
附图4为本发明的主支架和副支架的横截面结构示意图；
附图5为本发明的连接装置的结构示意图；
附图6为本发明的声场模态系数识别及声场分布可视化计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
本发明的应用于汽车发动机主动噪声控制的车内声场可视化方法包括如下步骤：
(1)汽车发动机振动噪声下车内声场分布测试
声场测试的目的是为声场可视化提供时域数据信号，通过在汽车车内布置麦克风1对汽车发动机振动噪声下车内声场测试，能够在汽车车内布置多个麦克风1一次完成测试最佳，但实际测试时，由于麦克风1的数量的限制，并且声场分布测点较多，很难一次测完，因此本发明对汽车发动机振动噪声下车内声场测试时采用如下的测试装置进行分组测试。
如图1～图3所示，测试装置包括主支架2、副支架3和用于将麦克风1固定连接在副支架3上的连接装置4。
主支架2沿前后方向延伸，测试时，主支架2的前后两端部分别搭设在前排座椅100和后排座椅200的头枕上，本实施例中，前排座椅100和后排座椅200的头枕上均固定设置有沿左右方向延伸的支撑架5，主支架2的前后两端部分别设置在支撑架5上，且其可在支撑架5上的位置可以调节。副支架3沿上下方向延伸，其上端部连接在主支架2上，优选其在主支架2上的位置可以调节，副支架3的下端部呈自由状态。连接装置4一端部与副支架3连接，另一端部连接麦克风1。根据测试需要，副支架3设置有多个，多个副支架3沿主支架2的长度延伸方向均匀间隔分布，每个副支架3上均设置有多个麦克风1，多个麦克风1沿副支架3的长度延伸方向均匀间隔分布。本实施例中，相邻两个副支架之间间隔20cm，每个副支架3上，相邻两个麦克风1之间间隔20cmm，即麦克风1在汽车车内排布形成行列排间距均为20cm的矩阵形式。
本实施例中，主支架2、副支架3和支撑架5均采用横截面相同的型材，其横截面的四周均具有T型槽，如图4所示。副支架3与主支架2相连接的一端部设置有接头，接头呈T型结构，该T型结构卡设在主支架2上的T型槽中，且可沿主支架2的长度延伸方向滑动地设置。
麦克风1可调位置地设置在副支架3上，这样，可根据测试需求调整麦克风1的安装位置。如图5所示，连接装置4包括滑块41、转接件42和固定夹43。滑块41能够沿副支架3的长度延伸方向滑动地设置在副支架3上，本实施例中，副支架3上设置有T型槽，滑块41具有T型块，滑块41的T型块卡设在副支架3上的T型槽中。转接件42固定设置在滑块41上。固定夹43用于夹持麦克风1，固定夹43与转接件42相转动连接，这样，可调整麦克风1的位置，从而满足测试需求。
具体测试步骤如下：
步骤1：确定测试区域坐标原点。三维测试区域的左下角即主驾驶下方左侧边缘定为坐标原点，坐标系方向和实车方向一致，即X轴方向为从前排座椅向后排座椅方向，此为列方向，Y方向为从主驾驶位方向向副驾驶位方向，此为排方向，Z方向为从汽车底盘向车顶方向，此为行方向。
步骤2：布置麦克风。在测试装置上安装麦克风1，使测试装置的主支架2位于y＝0截面，即测试装置的主支架2位于第一排，记录每排、每列及每行的数据坐标，从而将测点的测试数据和空间坐标一一对应，行列排间距均为20cm。
步骤3：布置参考传感器。在汽车发动机缸盖上布置振动传感器，测试发动机Z方向的振动信号，并以该信号作为相位参考，得到声场测点的相位信息。
步骤4：数据采集。使车在怠速工况下运行，通过数据采集系统得到各个测点位置的声压值p0(r,θ,φ,t)。
第一排测试完成后，将测试装置整体向Y方向移动20cm，此时测试装置位于第二排位置，测试并采集第二排的数据。重复此步骤直至获得六排的测试数据。
(2)声场模态系数识别及声场分布可视化
封闭空间的声场总能通过一系列和频率相关的模态进行描述，对于低频段的噪声，模态识别更加方便。本发明通过计算球坐标系下的波动方程得到模态系数，从而实现声场分布重现，具体计算流程如下，计算流程详见图6所示。
第一步：时域数据傅里叶变换。波动方程的模态展开式是关于频率的函数，因此，需要将上述第(1)步空间各个测点位置的声压值的时域信号p0(r,θ,φ,t)通过傅里叶变换转化为频域信号p0(r,θ,φ,f)。
第二步：模态展开方程。为了描述声场的物理特性，采用模态展开去描述空间声场各个位置处的声压值，计算公式为：
其中r、θ、φ为空间位置坐标，f为模态频率，Dn(f)为n阶声模态振幅，Ψ(r,θ,φ,f)为对应的n阶模态振型，计算公式为：
为第一类Hankel函数，和eifr成正比，为球谐函数，定义为：
其中，n、m为求解波动方程得到的常微分方程系数，为Legendre函数，定义为：
第三步：声场特征参数识别。将第一步得到的声压值p0(r,θ,φ,f)带入第二步的模态展开式中，计算得到模态系数Dn(f)。
第四步：空间声场声压值计算。将第三步计算得到的模态系数Dn(f)再带入第二步的模态展开式中，求解得到空间各个点处的声压值p(r,θ,φ,f)。
第五步：声场分布可视化。利用三维数据拟合函数将计算得到的p(r,θ,φ,f)进行云图显示，从而实现声场压力分布的可视化。
第六步：全局声势能计算。全局主动噪声控制可通过声场声压值p(r,θ,φ,f)对体积V的积分来评估，其值与声势能成正比，计算公式为：
式中，ρ0为空气密度，c0为声音传播速度。
由于次级声源的每个模态幅值线性耦合，Ep(f)是一个和次级声源强度相关的二次函数，具有全局最小值，该最小值可表示特定次级声源和给定激励信号下的最佳声品质特性，从而为全局主动控制优化提供技术支持。
综上所述，本发明的应用于汽车发动机主动噪声控制的车内声场可视化方法通过声场分布测试的时域信号以及声学波动方程得到的模态展开式，识别了车内声场声模态参数以及全局声势能参数，为全局主动噪声控制提供技术支持。而且，通过拟合预测的声压数据，实现发动机振动噪声下，车内声场分布可视化，为主动噪声控制效果和误差麦克风布置优化提供参考。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种应用于汽车发动机主动噪声控制的车内声场可视化方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)测试汽车发动机振动噪声下车内声压值p0(r,θ,φ,t)；
(2)声场模态系数识别及声场分布可视化，具体包括：
a.将测点位置的声压值的时域信号p0(r,θ,φ,t)通过傅里叶变换转化为频域信号p0(r,θ,φ,f)；
b.采用模态展开方程计算各个位置处的声压值，计算公式为：式中，r、θ、φ为空间位置坐标，f为模态频率，Dn(f)为n阶声模态振幅，Ψ(r,θ,φ,f)为对应的n阶模态振型；
c.根据步骤a获得的声压值p0(r,θ,φ,f)识别模态参数Dn(f)；
d.计算声场各个位置处的声压值p(r,θ,φ,f)；
e.将计算得到的声压值p(r,θ,φ,f)进行云图显示。
2.根据权利要求1所述的应用于汽车发动机主动噪声控制的车内声场可视化方法，其特征在于：步骤(1)中，通过测试装置对汽车发动机振动噪声下车内声压值p0(r,θ,φ,t)进行测试，测试装置包括主支架、副支架和用于测试汽车发动机振动噪声下车内声压值p0(r,θ,φ,t)的麦克风，所述主支架沿前后方向延伸，所述主支架的前后两端部分别设置在汽车上，所述副支架沿上下方向延伸，所述副支架的上端部设置在所述主支架上，所述麦克风设置在所述副支架上。
3.根据权利要求2所述的应用于汽车发动机主动噪声控制的车内声场可视化方法，其特征在于：沿所述主支架的长度延伸方向设置有多个所述副支架，每个所述副支架上设置有多个所述麦克风。
4.根据权利要求2所述的应用于汽车发动机主动噪声控制的车内声场可视化方法，其特征在于：所述副支架可调位置地设置在所述主支架上，和/或所述麦克风可调位置地设置在所述副支架上。
5.根据权利要求4所述的应用于汽车发动机主动噪声控制的车内声场可视化方法，其特征在于：所述测试装置还包括用于连接所述麦克风和所述副支架的连接装置，所述连接装置包括能够沿所述副支架的长度延伸方向滑动地设置在所述副支架上的滑块、与所述滑块相固定连接的转接件和用于固定所述麦克风的固定夹，所述固定夹与所述转接件相转动连接。
6.根据权利要求1所述的应用于汽车发动机主动噪声控制的车内声场可视化方法，其特征在于：步骤(1)中沿汽车主驾驶位到副驾驶位的方向，间隔一距离逐排测试车内声压值p0(r,θ,φ,t)。
7.根据权利要求1所述的应用于汽车发动机主动噪声控制的车内声场可视化方法，其特征在于：在汽车发动机缸盖上布置振动传感器，测试发动机的振动信号，得到声场测点的相位信息。
8.根据权利要求1所述的应用于汽车发动机主动噪声控制的车内声场可视化方法，其特征在于：步骤b中，Ψ(r,θ,φ,f)通过下式计算：其中，为第一类Hankel函数，和eifr成正比，为球谐函数。
9.根据权利要求1所述的应用于汽车发动机主动噪声控制的车内声场可视化方法，其特征在于：步骤e中，利用三维数据拟合函数将计算得到的p(r,θ,φ,f)进行云图显示。
10.根据权利要求1所述的应用于汽车发动机主动噪声控制的车内声场可视化方法，其特征在于：通过声场声压值p(r,θ,φ,f)对车内空间的体积V的积分计算全局声势能，计算公式为：
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