08_Technical review

技术评论

下面的文章讨论了一种能够使气流噪声对传声器的影响降到最低的方法,主要用于风洞中的阵列测量。气流噪声与车辆中产生的目标风噪声十分相似,很难使用其他现有方法去区分。

作者:Jørgen Hald
博士
研究工程师
Brüel & Kjær

在Brüel & Kjær的“技术评论”中发表的文章对声音和振动中的许多专业学科进行了更深入的探讨。在这里,您可以找到最新的深层次理论、测量技术和有关特定仪器和技术的详细信息。

从平均互谱矩阵(Averaged Cross-spectral Matrix)中去除不相干噪声。传声器中的风啸产生的噪声是一种可能大家都熟悉的现象——例如,在户外录制的电视访谈中就能听到。在室外或风洞中执行传声器阵列测量时,无法避免单个传声器中的这种流动噪声。使用风罩可以降低该噪声水平,但不能完全避免,并且如果风罩不比传声器间距小太多,则一个传声器中产生的噪声也会被附近的传声器拾取。然而,在室外进行录音时,气流噪声和语音具有完全不同的统计特性和频谱特性,可利用这种特性开发(部分)消除气流噪声的算法。这对于风洞中的传声器阵列测量而言更加复杂,其中来自车辆的目标空气动力学噪声和单个传声器中的气流噪声具有相似的性质。

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风洞中的阵列测量通常在开放的半消声设施中进行,其中墙壁和天花板吸声,并且被测车辆位于设施中下游的流动区域中。然后可将阵列放置在核心流域的外部,但尽可能靠近车辆(以及气流),以获得车辆上尽可能最高分辨率的声源。因此,阵列位置的平均流速将会很低(通常小于5米/秒),但会有湍流。阵列可以放置在车辆的侧面和/或上方。

噪声源定位通常针对每个阵列执行延迟叠加(DAS)的波束成形方法处理,将阵列中所有传声器之间的互谱矩阵(CSM)作为输入。CSM矩阵行和列,分别代表阵列中的每个传声器。矩阵中的单元是由其的行和列的索引指定的两个传声器之间的互功率谱。因此矩阵对角线上的单元代表每个传声器的自功率谱。

我们现在假设如下:

  • 一个传声器引起的流动噪音未被任何其他传声器采集
  • 不同传声器产生的气流噪声信号是不相干/独立的

这意味着,在一个足够长的平均时间之后,气流噪声贡献在矩阵对角线以外将是微不足道的,而它们将保持在对角线上,即在自谱中。理论和实践经验表明,这两个假设在很大程度上是成立的。

08_Technical review风罩被推到一边的单个传声器特写

当在DAS波束成形中使用平均CSM时,可以避免使用CSM对角线的数据,这种技术称为对角线去除。不幸的是,采用对角线去除技术也有副作用,例如低估源强度;此外,DAS在有限的动态范围(旁瓣)方面存在严格的限制,在低频时分辨率比较差。其他波束形成方法通常需要使用完整的CSM,包括对角线。所引用的技术评论文章描述了一种方法,用于精确去除CSM对角线导致的额外(流动)噪声,假设在对角线以外没有(流动)噪声贡献。这种叫作对角线去噪(DD)的方法效果非常好,只要(车辆上)重要的独立/不相干目标源的数量实际上小于传声器的数量——此假设与基于使用平均CSM的所有阵列方法一致。

08_Technical review使用Clean-SC生成的源图

然而,在实际测量中,由于用于获得CSM的平均时间有限,所以会存在来自不相干气流噪声信号的非对角线剩余贡献。这些非对角线贡献将限制DD可实现的自谱中的流噪降低。基于在所有通道中添加了相同噪声水平的模拟测量,开发了一个近似的影响经验模型。根据该模型,将自谱噪声降低一个系数a所需的平均数大约为a-2(M-1)1.25,其中M为传声器的数量。因此,所需数量的平均值随着传声器数量的增加而增加。根据这篇论文,这似乎是因为传声器的数量增加时,CSM中的非对角线单元的数量增加比对角元素的数量更快。例如,对于一个由100个传声器组成的阵列,要求减小a=0.1(10dB),所需的平均数量约为31,000。通过将阵列的一部分暴露于气流,并用小型扬声器上,已经照着改假设进行了测量。测量结果与经验模型的预测一致。

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