識別車輛內(nèi)部令人不安的噪聲源的標準方法是試駕，由駕乘人員確定汽車是否正常。但是，這種方法有幾個缺點：試駕人員的測試主觀性，所需的時間和測試行程較長，汽車損壞的風險以及隨之而來的很高的成本。我們提供了各種方法和技術(shù)，用于在車輛制造過程中終端測試期間檢定聲學(xué)問題，包括全自動和半自動化的方法和技術(shù)。
一種方法是利用噴閥在要測試的汽車上移動，將空氣吹到汽車上，以模擬行駛過程中的氣流。閥口在關(guān)鍵點停下，聲學(xué)測量系統(tǒng)記錄了車內(nèi)每個麥克風的聲學(xué)頻譜，并將其與參考頻譜進行比較。另一種方法是在風洞中使用類似的測量系統(tǒng)，從而獲得更多參數(shù)，例如：可以應(yīng)用不同的吹氣角度。第三種方法是結(jié)合聲音源使用手持式聲學(xué)相機。
我們提出了一種結(jié)合這些方法的過程，以便在最終車輛下線質(zhì)量保證控制期間檢測、定位和解決車輛中的聲學(xué)問題。
介紹
如今，設(shè)計和監(jiān)控汽車的聲音品質(zhì)已納入汽車制造商的重要研制流程。由于發(fā)動機的噪音衰減功能正在改善，而具有靜音引擎的電動汽車變得越來越有吸引力，現(xiàn)在，預(yù)期的聲學(xué)設(shè)計比轎車內(nèi)部的引擎聲音能給予駕乘人員更深的印象。因此，至關(guān)重要的是在生產(chǎn)線末端監(jiān)控每輛組裝汽車的噪聲質(zhì)量。
除輪胎噪音外，氣流以一定速度撞擊汽車外表面，在行駛超過一定速度時，汽車內(nèi)部會產(chǎn)生明顯的聲音。密封條上的泄漏（例如門和A柱之間的泄漏）或暴露在氣流中的松散外部零件會擾亂汽車周圍的設(shè)計氣流，并引起特征性的噪音，例如嘯叫或吱吱、嘎嘎和咔咔等異響聲。
為了確保在組裝好的車輛中不存在這種意想不到的和可避免的噪聲源，幾種方法是可行的。試駕的經(jīng)典方法具有主觀性，難以復(fù)制，耗時且隱含著高成本以及損壞汽車的風險，幾乎不可能實現(xiàn)自動化。
因此，需要更自動化和更安全的方法。要求是將系統(tǒng)無縫集成到生產(chǎn)線中作為生產(chǎn)線末端測試。整個測試必須非常快，并且不能成為制造過程的瓶頸。聲學(xué)檢查必須在封閉的車門內(nèi)進行，并且必須根據(jù)先前的要求非常迅速地安裝和拆卸。
如果發(fā)生故障，準確、快速、輕松且可靠地確定故障的位置至關(guān)重要。此步驟不應(yīng)干擾生產(chǎn)過程。因此，它根本不應(yīng)該占用生產(chǎn)系統(tǒng)，或者不應(yīng)占用很長的時間。為了實現(xiàn)這一目標，我們打算介紹可結(jié)合全向聲源處理各種聲學(xué)環(huán)境的聲學(xué)相機的應(yīng)用。
在本案例中，我們展示了完整的工作流程和原理，從在風洞或噴閥中測量汽車到利用先進的聲學(xué)設(shè)備調(diào)查發(fā)現(xiàn)的問題。
END-OF-LINE測試臺
這種測試臺的兩種不同方法是風洞或噴嘴閥。在這兩種情況下，聲學(xué)測試設(shè)備都放置在要測試的車輛內(nèi)部，并且從技術(shù)角度來看基本上是相同的，而測試程序及其準備工作卻不同。
聲學(xué)裝備
該系統(tǒng)主要由兩部分組成：車內(nèi)的麥克風組以及車外的數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，后者還負責處理原始數(shù)據(jù)，并通過OPC服務(wù)器與測試臺控制單元進行交互，執(zhí)行由測試臺觸發(fā)的聲學(xué)測試，并通知系統(tǒng)測量結(jié)果是“正常”還是“不良”，或者是否發(fā)生任何類型的錯誤。此外，它可以將測量數(shù)據(jù)提供給內(nèi)部工廠數(shù)據(jù)庫。基于PC的分析系統(tǒng)安裝在測試艙壁的內(nèi)部。
圖1：所開發(fā)的無線麥克風。麥克風盒是MTG的MK255駐極體盒。前置放大器的設(shè)計功耗非常低，發(fā)送器是6號線XD-V75數(shù)字無線系統(tǒng)的發(fā)送器組件。整個裝置與一個電池組一起工作8小時（一個工作班次）。
提供各種換能器陣列配置，并可以適應(yīng)客戶需求。通常，麥克風安裝在門上，一整套包括八個麥克風，每個門兩個。為了快速安裝麥克風，每個門支架上將兩個麥克風連接在一起（圖2）。
圖2：在前門（左和右）測量的兩個麥克風（紅色圓圈）的門支架。
為了避免從采集系統(tǒng)到麥克風的任何電纜妨礙安裝步驟，必須要有穩(wěn)定、可靠的無線信號傳輸。我們通過匹配的麥克風，前置放大器和無線發(fā)送器-接收器組合來滿足這些具有挑戰(zhàn)性的要求。 我們將預(yù)極化的駐極體1/2英寸麥克風盒（MTG的MK255）與專門設(shè)計（由德國SINUS制造）的低功耗前置放大器相結(jié)合，適用于發(fā)送器及其低功耗輸出。“XD-V75數(shù)字無線”信號傳輸系統(tǒng)（發(fā)送器/接收器）不對傳輸信號進行任何壓縮或濾波；這是強制性的，以便對接收信號進行可靠的頻率分析。這種發(fā)送器－傳感器設(shè)置的功耗非常低：在需要更換發(fā)送器電池之前，它能夠工作8小時（一個典型的工作班次）。
圖3：聲學(xué)通信設(shè)置的框圖。無線麥克風通過2.4 GHz加密，無濾波器的無線電鏈路將其信號發(fā)送到接收器。接收器安裝在SwingStation旁邊，其信號通過電纜傳輸?shù)絻?nèi)部的Apollo卡。整個設(shè)置已被修改并調(diào)整為產(chǎn)生非常低的輻射輸出，從而避免干擾工廠的任何其他WLAN基礎(chǔ)架構(gòu)。
信號接收器通過端子支架連接到我們的Apollo-PCIe卡（在本案例中為8通道），該卡安裝在工業(yè)PC內(nèi)。它配備有不間斷電源（UPS），以在出現(xiàn)突然斷電的情況下保持恒定的電源并平穩(wěn)地暫停測量系統(tǒng)（圖3）。
風洞
圖4：LTG Airtech Systems AG5為布拉迪斯拉發(fā)的大眾工廠建造的風洞（VAF 2240）方案。在測量室上方的樓層中產(chǎn)生了風，這使整個結(jié)構(gòu)非常緊湊。
風洞的優(yōu)勢在于它可以產(chǎn)生非常接近實際駕駛情況的氣流。如果裝有轉(zhuǎn)盤，則可以在不同的風入射角下對汽車進行測試。我們配備了聲學(xué)設(shè)備的風洞是由LTG Airtech Systems AG設(shè)計和建造的。該裝置是典型的風洞，除了將風力發(fā)生裝置（風扇、消音器和空氣加熱器）放置在測量室上方，還將要檢查的汽車放在轉(zhuǎn)盤上，并朝著排氣噴閥旋轉(zhuǎn)90°。系統(tǒng)使用的典型風速約為140 km / h（最大160 km / h）。
實施這種風洞所需的大量空間以及高昂的成本使得某些制造場所無法進行安裝，因此，另一種節(jié)省空間的方法是必要的。
噴嘴閥
保時捷3發(fā)明了一種不需要風洞那么大空間的裝置，并對此進行了描述。這個想法是通過噴嘴閥將氣流施加到要測試的汽車的某些零件上。為此，噴嘴閥口在車輛上方移動并停在預(yù)定位置。
圖5：與汽車有關(guān)的氣流控制部件的圖紙（背景中的機艙）。紅色箭頭顯示了樞軸噴嘴的可能位置，以將氣流從任何必要的方向施加到轎廂表面。
整個測試臺安裝在尺寸緊湊的機艙中，風力被放置在機艙屋頂?shù)耐饷妗Ｈ缭陲L洞中一樣，使用的典型風速約為140 km / h。
一體化測試程序
在這兩種情況下，PLC都會控制整個測試過程。工廠可以運行OPC服務(wù)器，該服務(wù)器將車輛信息傳送到PLC，例如型號和序列號，或者用戶手動輸入這些參數(shù)。對于噴嘴閥口，PLC必須知道車輛的尺寸和噴嘴的測量位置（在配置步驟中定義）。 因此，PLC控制噴漆房的大門，噴嘴的角度和位置以及氣流。 對于風洞，不必知道噴嘴參數(shù)和轎廂尺寸。 從這個角度來看，風洞更容易設(shè)置，因為它沒有太多不同的測試參數(shù)。
此外，PLC為聲學(xué)子系統(tǒng)提供所有必要的信息，以便根據(jù)汽車ID選擇正確的觸發(fā)設(shè)置。它為已達到子系統(tǒng)測量條件的狀態(tài)而相應(yīng)設(shè)置，即噴嘴閥處于正確位置或風洞達到最高速度時。 通常，PLC在自動模式下運行，但也可以在手動模式下使用它，以調(diào)整測量位置，對故障狀態(tài)做出反應(yīng)或使用測試臺進行故障調(diào)查。
測試與分析工作由SAMURAI軟件完成。它讀取Apollo-PCIe卡接收到的聲學(xué)數(shù)據(jù)，并對每個通道執(zhí)行實時1/3倍頻程、1/48倍頻程或FFT分析。隨后，將這些頻譜與參考頻譜進行比較，并據(jù)此生成觸發(fā)事件（例如，測量的頻譜是否在公差范圍內(nèi)）。通常，對于噴嘴閥方法，不同的參考頻譜數(shù)是噴嘴閥位置數(shù)乘以麥克風數(shù)。由于風洞中只有一個位置，因此在這種情況下，每個麥克風只有一個參考頻譜，這在設(shè)置整個測試臺時也有很大的不同。
圖6：左-分別在前門左側(cè)（綠色）和右側(cè)（藍色）測得的“OK”和“notOK”頻譜的典型A加權(quán)1 /24n倍頻程頻譜。紅色和黑色顯示了兩個類似的手動生成的參考頻譜，但具有不同的偏移量。在此案例中，紅色圓圈標記了測量頻譜與參考頻譜交叉的區(qū)域。它將產(chǎn)生一個觸發(fā)事件，表明已超過上限，因此右前門的測試將失敗。右-典型的SAMURAI顯示屏顯示包括參考頻譜在內(nèi)的8個通道。
風洞和噴閥之間的另一個區(qū)別是將汽車帶入測量室所需的工作量。與風洞相比，噴嘴閥更容易操作：要測試的車輛從一側(cè)進入測試臺，在另一側(cè)退出，這為這種方法在過渡階段節(jié)省了時間，并且整個安裝可以更容易地集成到組裝/最終測試線中。但是，對于每次測量而言，噴嘴閥需要在一定的時間內(nèi)在不同的位置移動和停止，這就意味著該時間的好處將減少。在兩種情況下，安裝麥克風的時間是相同的：這可以在幾秒鐘內(nèi)完成。
因此，這兩種方法都有其優(yōu)點和缺點，很難評價哪一種更好。兩者都易于自動化，并且可以集成到對時間要求嚴格的生產(chǎn)過程中。
故障定位
如果聲學(xué)最終測試沒有成功通過，則可能意味著工廠在生產(chǎn)中或供應(yīng)商的供應(yīng)零件方面存在一些問題。如果不迅速發(fā)現(xiàn)，這將花費數(shù)百萬歐元。因此，至關(guān)重要的是迅速而準確地定位故障，以便能夠消除其根本原因。如果聲學(xué)相機滿足某些要求，它可能是完成此任務(wù)的理想工具：它必須輕巧且具有足夠小的尺寸，以便可以在汽車中輕松操作，但是可能的頻率范圍（通常由陣列尺寸決定）必須足夠?qū)挘院w所有敏感和所關(guān)注的噪聲類型。另外，它需要使用在整個頻率范圍內(nèi)具有合理動態(tài)范圍和高分辨率的魯棒算法。
AC100完全滿足了這些要求（圖7）。典型的測量程序是在車內(nèi)將攝像機重新啟動噴閥或風洞測量。通過自動分析故障測試的頻譜，操作員可以知道故障的大致位置，并可以專注于車輛的那一部分。
圖7：AC100和連接的平板電腦用作手持式聲學(xué)相機-汽車的外部（左側(cè)）和內(nèi)部（右側(cè)）。
整個過程也可以在車外進行。在這里，穩(wěn)健的自適應(yīng)波束形成算法的非常有效的噪聲抑制可以顯示出其與其他算法相比的優(yōu)越性，并使相機也可以在非常響亮和回蕩的環(huán)境中使用。
泄漏檢測的第二種方法是使用放置在車內(nèi)的全向聲源（圖8）。攝像機記錄是從外部進行的，因此對于我們的系統(tǒng)而言，不需要專用的環(huán)境。除了自適應(yīng)波束形成具有最高的分辨率這一事實外，還可以通過使用超聲波來提高此測量的分辨率：這還具有另一個優(yōu)勢，即整個測量過程不會受到常見聲源或它們的反射的干擾，該聲源可能接近于測量，反之亦然，汽車中產(chǎn)生的聲音不會干擾周圍環(huán)境。
圖8：照片顯示了在測試過程中使用的全向聲源及其放置位置。
應(yīng)用-泄漏檢測
圖9：車外測量結(jié)果。聲源（圖8）位于內(nèi)部。左上方：在車外記錄的頻譜-激活源，有無泄漏。右上方：副駕駛員側(cè)車門上的Audi A4，門密封處的少量人為泄漏。左下：AC100記錄無泄漏。右下：AC100記錄有泄漏。有趣的是，在這兩種情況下，視鏡都會發(fā)出超聲波，這清楚地表明了汽車內(nèi)部的泄漏路徑。
在所示的案例中，我們使用了寬帶白噪聲超聲源（20k–25kHz，圖8），并從外部記錄了有無故障的情況，同時激活了聲源。我們準備了一些故障，例如門密封件泄漏（圖9），車窗密封件泄漏（圖10-左）和門松動關(guān)閉，從而保持細縫打開（圖10-右）。所有圖像均顯示泄漏的精確位置，而不管泄漏是直線還是多個點源。
圖10：記錄的AC100圖像（在車內(nèi)激活了噪聲源），左圖：在車窗玻璃和其頂部密封之間準備好的泄漏處的噪聲源分布，右圖：由于副駕駛室門未關(guān)緊，噪聲通過縫隙泄漏。
結(jié)果和討論
我們已經(jīng)安裝并實施了一個聲學(xué)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)已完全集成到風洞和噴閥測試臺、工廠過程控制和IT基礎(chǔ)架構(gòu)中。它可以滿足所有具有挑戰(zhàn)性的要求，例如使整個測試過程保持盡可能短的時間，現(xiàn)在已成為保時捷和本特利工廠生產(chǎn)過程中最終質(zhì)量保證和測試過程的重要組成部分。此外，對于最終測試故障的情況，利用AC100聲學(xué)攝像機的小尺寸、高分辨率和強大算法，提出了一種快速可靠的程序來調(diào)查故障的根本原因，使用放置在車內(nèi)的全向聲源并從外面用AC100進行錄音可以有效的來檢定泄漏。
本案例提出的工作流程將有助于保持生產(chǎn)的汽車的高音質(zhì)，并支持對發(fā)生的問題進行檢定，而無需進行任何復(fù)雜的設(shè)置。
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