用于汽车应用的风洞麦克风阵列系统的简介

出色的运动设计和最高级性能以及有利的乘客舒适度和高效率都是保时捷这样的汽车制造商的基本考虑。因此，新的保时捷风隧道是空气动力和空气声优化过程的至关重要的组成部分，它允许评估设计和材料思想以及样式驱动的形状决策。新的保时捷风隧道已经开发了几年，并从2011年到2014年实现[14]。

Presently, aero-acoustic development can be performed over the full velocity range up to 300 km/h, and due to minimal background noise levels, the localization and precise investigations of sound sources are possible with the use of microphone arrays. The保时捷风洞麦克风阵列系统于2015年1月安装，并与柏林GFAI合作开发和建造。

基本阵列硬件

该系统包括四个数据记录仪，三个麦克风阵列，每个阵列配备了192个麦克风和一个集成的全高清摄像头。此外，还提供了24个测量通道以记录参考信号和测试中的条件。高性能工作站专门用于由特殊控制器软件运行的数据采集和分析，特别针对保时捷风隧道进行了调整。

为了达到声源定位中的高度精度，对于每个差分传输通道，实现了高达192 kHz的信号采样频率，并确保所有麦克风的位置精度为±1 mm。这种准确性通过高稳定性和阵列的低重量来达到最大速度，这是由于将特殊的三明治结构纳入了轻巧的框架中，从而提供了加固。

风洞中的横梁

数组系统创建的结果称为声源图。超级置于所考虑项目的光学图像或3D几何形状。源图的计算是通过使用波束形成算法实现的。

图片（2D）或模型（3D）分为点网格，用于表示要研究的对象。对于2D应用，将网格排列在扫描平面中，与阵列平面中的麦克风距离已知。扫描平面每个网格点和阵列平面的每个麦克风之间假定的声源的不同运行时间和幅度衰减的评估会导致基本源地图（“脏图”）。这种基本的光束形成算法可以在多年的时间或频域中应用，该时间域“延迟和总和”算法在声学信号处理中被广泛认可。

近年来，已经制定了更高度发达的频域算法来提高地图的质量。在频域中，绝大多数算法基于跨光谱矩阵（CSM）的计算。CSM包含麦克风信号的所有跨光谱数据，因此包含所有级别和相信息，这代表了声波的不同运行时间。

通过将所谓的转向向量应用于CSM，包括几何信息和距离 - 计算源图成为可能。随着转向矢量的配方，可以在评估中引起注意，以计算精确的水平或源图中的良好源定位。

这main diagonal of the CSM contains the auto spectra data of the microphone signals, which are regularly overshadowed by the background noise. Therefore, it is possible to better the dynamic range of the source maps by taking away the elements of the main diagonal from the CSM. On the other hand, the energy content and thereby the absolute levels of the source maps are incorrect in that instance.

在多个出版物中，各种方法和算法及其优势和缺点在详细的讨论中[2]，[6]，[7]，[9]，[13]。

在风隧道中，流动区域和宽度区域之间的剪切层在没有阵列的主要流量的情况下显而易见。测试对象周围的流程会产生辐射声波的声音来源。通过剪切层时，这些波会受到强烈影响。剪切层引起声波的衍射，从而导致源图中的位移和扭曲。为了在风隧道中应用波束形成到空气声源中，必须考虑这种剪切层效应，例如根据Amiet的校正[12]。

Amiet对模型进行了介绍，在该模型中，通过将剪切层降低到平坦而无限的薄度范围，该模型以其阵列和阵列和扫描平面的距离指定的平坦而无限的薄范围。

由于剪切层的湍流导致信号的相关性损失，因此该模型中的考虑缺失是其他散射效应，在评估相移时，信号的相关性损失不断。

Figure 1:风洞剪切层的草图和Amiet模型的参数。

与保时捷阵列系统, the majority of the analyses are performed in the frequency domain with the basis of the CSM with diagonal removal. An Amiet shear layer correction modified by Puhle [8] and a steering vector formulation that focuses on a precise source location is used. The implemented basic algorithms were validated in high detail in the context of an intensive cooperation between GFaI, DLR Göttingen, Volkswagen group research and Porsche.

点扩展函数（PSF）可能用于评估阵列的性能。PSF是对具有定义位置的全向点源的频率依赖性阵列响应，通常由模拟计算。结果也称为梁图案。

在图2中，为2500 Hz的第三次仪带绘制了保时捷阵列的典型PSF。主叶是真实来源的代表，而侧叶是光束成形算法创建的人工制品。动态范围（DR）取决于主叶和最高侧叶之间的差异。

梁宽（BW）在3 dB水平下降下确定主叶的宽度。动态范围和梁宽是声源位置质量以及阵列功能的基本指标。这两个参数都在很大程度上取决于硬件参数：数组维度，麦克风的数字和布局和测量距离（焦点）。

Figure 2:模拟点扩散函数（PSF），F = 2500 Hz，F = 4 m，DR = 21dB。

数组维度

阵列的必要大小取决于要考虑的最低频率。频率越低，波长越大，阵列尺寸越大，以捕获声波的足够信息。含义，在观察到的波长的频域中分别测量足够的运行时偏差或相移。

为了将梁宽保持在整个频率范围内，基本上最大的阵列尺寸以最小的焦点而言。另一方面，在风隧道中的流动条件下，较高的频率相关性损失随阵列维度和流速而增长。这种效果导致位于更远的麦克风的相误差。

考虑到所有这些效果，并将阵列适应要分析的汽车尺寸，保时捷阵列的总尺寸定义为5 x 3 m。此外，如图3所示，已经开发了阵列的中心部分（3 x 2 m），尤其是为了研究优先测量窗口中较高频率的研究。为了获得可比的结果，所有阵列（左，右和顶部）均具有相同的尺寸。

Figure 3.总数组尺寸：5 x 3 m，中心阵列：3 x 2 m，扩展：3 x1 m，首选测量窗口：1.5 x 1 m。

麦克风的数字和布局

麦克风的数量以及数据采集系统所需的测量渠道数量定义了由项目预算限制的阵列系统的硬件费用的很大一部分。否则，为了获得源图的出色动态范围，应使用可行的麦克风。为了达到平衡，每个保时捷阵列配备了192个麦克风。

另一个重要的一点，尤其是在动态范围内，是麦克风的布局。大量能量用于找到麦克风的最佳布置。因此，大众集团研究的Hartmann博士制定和使用了全新的优化策略。

这optimization undertaken by a generic algorithm combined with a gradient-based search of local minima operates directly to all microphone coordinates – not only to part of the layout parameters. Therefore, for 192 microphones with adjustable x- and z-positions 384 degrees of freedom must be optimized.

优化的目标函数是通过以下每个标准的加权总和等级创建的：

• Beamwidth
• 主叶到最高侧叶的距离
• 最高水平
• 首选测量窗口中的侧叶水平的平均水平

在中央阵列中施加了更多的限制。如果在外部麦克风上使用阴影程序可能会导致负相关损耗效应，那么这可能是高频区域的关键。在此示例中，只有少数麦克风会受到阴影的影响。关于此主题的未来工作已安排。

如图4所示，优化的结果是一种不规则的麦克风布局，与所考虑的最佳对称标准布局相比，在其中显示了模拟源图。

图4：模拟源图，6个具有相同水平的源，F = 4 m，192个麦克风。

为了在相同的基础上进行比较，对于对数轮标准布局，将麦克风的数量延长至192。对于所有频率，可以清楚地看到通过优化布局实现的成功改进的动态范围，并且在首选测量窗口中尤其明显。

考虑到不对称维度和布局时，唯一的缺点是源图中源的边缘不对称表示。

根据阵列尺寸，发现麦克风的数量和布局对于所有安装的阵列都相同，以便获得可比的结果。

测量距离或聚焦

为将阵列集成在风洞中的目的而​​建造的框架安装在特殊的轨道系统上，以在流动方向上移动。固定位置的固定是通过将​​整个框架固定在风洞壁上的几个气缸来实现的。高系统刚度是通过这种机制实现的。

由于条件，通过将阵列直接安装到框架上，将达到与风洞中心7 m的尺寸距离。这对应于大约的焦点。6 m到具有典型宽度的汽车侧面假设的扫描计划。然而，由于最优选的较短的测量距离（焦点）对于成功的结果至关重要，因此在一项使用5 x 3 m的阵列尺寸的5个麦克风进行的研究中研究了较短的距离（图）5）。

图5：测试设置以确定最佳测量距离。

Evaluating the study leads to the result that a minimal measuring distance of 5 m to the wind tunnel center and a focus of approx. 4 m to the assumed scan plane can be achieved. By reducing it further, the microphones close to the collector would be greatly affected by the shear layer. On the other hand, for a focus reduction, an additional mechanical construction is needed. Because of the anticipated improvements in result quality, the decision to implement an array positioning system was taken.

阵列定位系统

这阵列定位系统对于新的保时捷风洞是专门设计的。它构成了几个控制臂，它们将可旋转的阵列连接到框架。它还包括一个由控制单元操作的电绞车系统和一个可靠地将停车位置的气动锁定系统连接到停车位（图6和图7）。

每个阵列可以在不到三分钟的时间内自动移动到测量或停车位。安装了各种传感器以避免操作错误。

图6：框架和阵列的测量位置。

图7：测量位置阵列的框架。

阵列系统的所有接线都是通过电缆轨道路由的，以防止任何松散的电缆录制，并准备在几分钟内执行测量。由于所有系统都在铁路系统上移动，因此首选的测量窗口很容易与测试对象的每个有趣部分保持一致，并且可以迅速访问停车位，以抵御空气动力学测试的任何负面影响（图8）。

图8：框架和阵列处于停车位。

将框架几乎完美地固定在风洞墙结构上，将其与高度刚性的定位系统和框架结合在一起，从而使阵列定位以及在风洞操作过程中的阵列定位以及低位移和振动都具有出色的可重复性，即使以最大的速度也是如此。对于3D模型上的理想源本地化，这是必不可少的。

在18 m距离处使用尺寸为0.03 mm的FARO激光跟踪器，阵列定位的偏差研究了各种操作，并测量了风洞操作持续时间内的各种操作和阵列位移。

表格1：阵列定位精度。

	最大限度。偏差
侧阵列	0.06毫米
顶级阵列	0.33毫米

表2：阵列位移杜林操作。

流速	最大限度。移位
140 km/h	0.22毫米
300 km/h	1.32毫米

性能测试

设置

为了确定基本阵列属性，使用测试工具的1：1模型进行了彻底的性能测试（图9）。为了提供尽可能多的灵活性来分析系统，该研究是通过扬声器（LSP）创建的通用声源进行的。在选择扬声器的过程中，非常关注以满足以下标准：

• 提供足够的功率来产生代表实际空气声源的源水平，通常以100和200 km/h的速度分析。
• LSP膜尽可能小，以准确分析源定位精度。
• 由于形状，没有产生额外的声音LSP他们自己。
• 在广泛的频率范围内最好提供线性频率响应。

发现了符合标准的两种类型的LSP，如图10所示。1型，膜直径为36毫米，允许提供足够的功率和1至10 kHz之间的几乎线性频谱。2型LSP将较低的频率限制扩展到500 Hz，提供了几乎相同的特征，膜直径为50 mm。

图9：设置of performance test, conducted with 8 loudspeakers.

图10：扬声器用于性能测试。

使用合适的信号调节器和放大器与新开发的MATLAB脚本组合在一起，可以同步运行8 LSP时间与信号彼此独立运行。因此，信号级别和频率特性可以通过每个LSP的一组参数进行调整。来源之间的相位关系也可以改变。

总共在侧窗上定义了16个LSP位置，并根据项目合作伙伴之间的密集谈判定义了挡风玻璃。对于首选的质量辐射，通过使用特殊的1：1测试车辆模型，将所有LSP完全平移到周围的表面上，其中整个玻璃均由泡沫材料而不是玻璃制成。但是，由于保密原因，此处报告的所有结果都映射到当前生产线工具的图像。因此，LSP在相同的位置上显示。为了将重点放在LSP源后视镜上，从车辆模型中省略了最主要的空气声源之一。

For results that can be compared and relied upon, sources emitting the same sound levels and frequency content are vital. Therefore, all LSP were calibrated to radiate the same sound level in one meter distance. Additionally, the frequency spectra were modified to the background noise of the wind tunnel to analyze with a similar signal to background noise ratio for every frequency. All investigations are undertaken based on uncorrelated sources and an adjusted white noise signal.

来源本地化

首先将源定位精度视为进行性能测试。因此，在不流动和流动的情况下，将结果非常重要，同时应用了剪切层校正。

图11说明了左侧和顶部阵列的源本地化质量，并打开8 LSP，每个发射声音信号都具有相同的级别和频率内容。

图11：在U = 140 km/h，1/3-八弦，F = 4000 Hz，DR = 10 dB时，具有相同水平的8个不相关源的定位。

但是，对于最短距离的LSP，由于无法明确的源分离，因此本地化是偏差的。两个来源显示为一个源中心。梁宽和动态范围可以控制这种频率依赖性效果，将在下面讨论。

在图12中，显示了单个LSP源（总和）的本地化质量。在顶部的阵列时，挡风玻璃上的源定位对于没有流量和同样流动的情况，流量为140 km/h，非常出色。

在侧窗口上，可以看到与左数组的本地化的边际差异。这些差异很可能是由于阵列的声学和光学校准匹配阵列几乎相同的情况下的不准确性而引起的，没有流动和流量。实际上，结果还提供了实现的剪切层校正的完美功能的确认。

如图13所示的LSP 1所示，取决于源定位频率的评估表明，每个1/3 octave波段的SPL最大值与LSP膜中心的距离不同。这种效果最有可能是由于LSP膜的变化声音辐射而产生的，涉及关注的频率范围。因此，LSP仅适用于在有限范围内的声源定位。

针对声学和光学校准的最佳性能匹配过程已经安排了具有非常本地声音辐射的特殊声源。它将提高来源的质量。预计至少达到+/- 5 mm的精度。

Figure 12:单个源的本地化，没有流，DR = 1 dB。

Figure 13:LSP 1的频率依赖源定位无流量（比例1：1，在DIN A4上打印）

Beamwidth

梁宽是光束形成图中源分离的基础。横梁宽度越小，地图中出现的源源越明显，可以分离越好。根据Sijtsma [11]，基于基本阵列参数，维数和焦点，可以计算出3 dB的水平降低一个估计值的估计。

在图14中，绘制了一个典型的梁宽，以800 Hz的频率绘制，以显示梁图映射中的光束宽度测定的方式，以3 dB的水平降低。

由于保时捷阵列的不规则设计，水平梁宽与垂直射线不同，从而在地图中删除了不对称的源。

在比较图15所示的估计和测量的梁宽时，揭示了非常好的一致性和梁宽的强频率依赖性。图16描绘了以各种流速测量的保时捷阵列的梁宽。

图14：梁宽的测定，1/3八弦，f = 800 Hz，dr = 3 dB。

图15：水平和垂直梁宽的估计和测量。

图16：保时捷阵列的测量梁宽。

到目前为止，在中间频率区域中，在200 km/h处的边缘宽度略有改进的梁宽尚未发现。在较高频率和流速下，可见的较高的梁宽值很可能是由于使用大阵列的遥远麦克风的相关损耗效应引起的。一项已经计划的研究将详细研究这些效果。

source Separation

对于对汽车的空气声学分析，对每个独立来源的个人和详细评估至关重要。因此，需要良好的分离来源，基本上取决于优选的小梁宽。

图17显示了通过3 dB标准或视觉评估来确定源分离的方式。两种来源之间的微小水平，排放相等的水平是由使用的转向矢量公式引起的，该公式被选为提供最佳定位精度。

图17：确定LSP 5和LSP 6无流量的源分离，1/3八链液，DR = 3 dB。

图18证明了保时捷阵列具有具有相同级别的分析供分析而无需流动的能力。通过使用模拟，通过逐步减少每个1/3八链频段的源距离来发现分离的局限性，评估了3 dB标准和视觉印象。将这些结果与测量结果进行比较，代表了扬声器之间已实现的离散距离。

图18：在没有流量的侧窗上的水平布置源的分离，1/3八八。

没有流动，模拟与测量之间的相关性非常好，因此，视觉源分离几乎与水平梁宽相同。由于存在流动，在上述相关性损耗效应上，较高速度和频率的源分离也略有干扰。

使用高级后处理技术，例如Clean SC [12]等算法，可以显着改进源分离。较弱的来源可能会变得不太容易被主导源及其侧叶检测到。通过对主要源的顺序减法及其相关的分数，可以揭幕最初被掩盖的源。

动态范围

阵列的动态范围（DR）主要由数量和排列方式定义。对于保时捷阵列，可以使用192个麦克风来实现明显高的DR，如前所述，以最佳的布局排列不规则。

Figure 19 and Figure 20 demonstrate the measured DR with regards to the sound radiation of LSP 6 for a large scan plane of approx. the size of the arrays (5 x 3 m) and for the optimized window of 1.5 x 1m. The results are then compared to the DR of a simulated monopole sound source (Point Spread Function) located at the position of LSP 6. All analyses are undertaken in the frequency domain based on the CSM with diagonal removal which includes a positive effect to the DR.

可以看到的差异很可能是由于扬声器膜的不均匀局部声音产生以及进行真实测量的反射和阻尼效应而引起的。进一步开发的算法，例如Clean SC [12]可以用来增加DR。

图19：LSP 6无流量，1/3八弦，f = 6300 Hz，DR = 25 dB的光束图像。

图20：保时捷阵列的动态范围，没有流量，1/3八弦。

典型的结果

在图21和图22中，描绘了左侧阵列和顶部阵列的生产线车辆的估值。每个频率都可以轻松地看到所有预期的声源和应用清洁SC算法的改进。

该概述图中源位置的微小差异是由仅在特定距离与阵列的特定距离定义的一个扫描平面调整为焦点引起的。该平面中未位于该平面的源的焦点错误的焦点计算出，该焦点导致波束成式图中的偏差源表示。因此，为了阻止这种效果发生，将以基本方法设置测试对象的3D模型上的源映射。因此，对于每个网格点，以及在测试对象表面上具有假定位置的每个源的焦点。

summary and Outlook

一种unique microphone array system是为新的保时捷风洞开发的，并安装了。一种n extremely excellent basic acoustic performance and fast easy-to-use data acquisition was achieved by usinga complex design, perfectly attached to the wind tunnel walls, assembled with very high system rigidity.

根据使用LSP源的研究，显示了阵列的能力，并且能够发现局限性。

To significantly improve the data analysis, further advanced evaluation techniques, like 3D-, differential- and correlation-beamforming [3], [10], have been implemented and an investigation of a frequency dependent shading procedure for distant microphones was begun.

图21：评估左侧阵列对生产线车的评估。

图22：通过顶级阵列评估生产线工具。

参考

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