ProBiot Acoustics丨基于全尺度模型的飞机舱内噪音复现与验证研究

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万物有声，笃行致远。比翱声学的DNA以其人类价值为特征，这些价值体现在我们所有的行为和项目中。这些价值观是我们的特质，是我们内部和外部活动不可或缺的一部分。

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交通运载工具（汽车、轨道车辆、船舶与海工平台、固定翼和旋转翼航空器、载人航天、工程机械等）声场复现或重构属于声辐射逆控制技术，能够通过扬声（传声）器阵列或ANVC主动声振工程控制装置在局部区域或模型内真实地重现内部声场环境，以便于有效开展车内和舱室内的噪声控制和声品质研究。商用客机舱内噪声水平是评价驾乘舒适度的一项重要指标，良好的舱内声环境有助于提高产品竞争力、树立企业品牌和型号产品的竞争力、开拓全球市场。因此，飞机舱内声学设计、噪声控制和声品质研究已经全面渗透到飞机设计、生产、运营及持续优化的过程中。飞机声场复现技术能够为以上设计和研究提供可靠的试验和评估环境和验证体系，有效的解决试验飞行验证衍生的经济成本高、时间和空间局限性大等问题。

普信®声学创新研究院和比翱实验室全球合作方希尔布鲁克大学声学研究所（Groupe d’Acoustique de l’Université de Sherbrooke，简称GAUS）在声场重构技术研究与创新设计领域正走在世界前列，主要合作方包括空中客车、波音、庞巴迪宇航、欧洲航天局、贝尔直升机、达索航空等。本篇以CRJ某型飞机为原型，基于机舱的大尺寸模型开展舱内噪音复现系统的设计与研究，进行客观和主观声品质评估。本期内容来源于GAUS的Alain Berry教授和Philippe-Aubert Gauthier教授的研究报告Spatial reproduction of aircraft cabin noise in a full-scale mock-up。

Highlights
全尺寸机舱多通道声场重构（再现）技术；航空器机舱、驾驶舱虚拟声学研究；舱内声品质测试、分析与控制；具有音频质量的多通道配置；综合压力场（DAF、TBL等）；适航验证&飞行测试等。

摘要  ABSTRACT

飞机座舱噪声使用全尺度模型进行各种飞行条件下的再现模拟是对飞机内部声品质预测、优化、演示和评估的一个有效手段。为了提供真实再现的声环境，应保留实际声场的时间、频率和空间特性。本文介绍了CRJ 某型飞机座舱的全尺寸模型中的座舱声音复现系统。参考声场基于使用多传声器阵列在各种飞行条件下对CRJ客舱声音的空间捕捉。本文提出的复现方法是基于正则化最小均方法的多通道均衡。该系统包括安装在模型装饰板上的惯性作动器，以及低音激振器和超低音扬声器。本篇讨论了整个系统的设计以及客观和主观评价。

概述  INTRODUCTION

飞机舱内声音的声品质和噪音困扰通常被用声压级或更复杂的心理声学指标来评价，这种描述太过简单了，因为这些指标仍然只是数字，只有对专家才有意义。没有什么能取代研究暴露在声场中获得的实际经验。以前大多数关于声品质和噪音烦恼的研究都致力于飞行器声音的再现或合成，而没有考虑声音的空间特征。然而，大家知道，声源的空间分布影响听觉掩蔽，因而影响整体声品质。本文主要研究飞机座舱声场的精确频谱和空间再现。目的是通过使用安装在内部装饰板上的结构作动器，在全尺寸飞机舱室模型内再现飞行中的声场。 同时，飞行器制造商对其产品的声品质和声音环境越来越关注音频技术，音频界在声场再现、多通道均衡和面板作动器方面的应用已经提前了数年。在此背景下，本文介绍了音频技术在一个新兴的研究和开发领域中的应用，这对音频界来说是一个有希望的扩展。 本文基于希尔布鲁克大学（Université de Sherbrooke）关于飞机座舱噪声空间声场复现的研究。以下各节介绍了使用传声器天线的飞行声场捕捉、安装在实验室的全尺寸客舱模型、用于空间声音复现的多通道均衡方法以及模型内空间声音重建的客观和主观结果。（注：本篇各章节均摘录了Alain Berry教授团队研究报告的部分内容，如需要请联系普信声学团队了解相关详细内容和方案）

飞行状态声场捕捉  SOUND FIELD CAPTURE IN FLIGHT

客舱声场是在庞巴迪CRJ某型飞机上，记录了2小时飞行中的各种飞行条件（滑行、起飞、巡航、着陆、机动和各种系统开/关）。为此，在座舱内座椅头枕上方位置安装了一个由6毫米驻极体胶囊制成的多传声器阵列（图1）。传声器间距大约为12.5厘米，这样可以避免在1.4千赫以上避免空间声音混淆。传声器阵列由两层矩形网格构成，可以检测水平和垂直方向的传入的声波。传声器信号的采样频率为48kHz。飞行数据还包括双耳录音（人工头录音）和多通道球形传声器的声场捕获。在后处理过程中，2小时的记录被划分为已知飞行工况和飞机状态的短场景。在对录音进行编辑之后，总共提取了25个场景。本文的实验是基于巡航状态下的秒提取。图1：带多通道传声器阵列（后）、双耳假人（右前）、多声道球形传声器阵列（右中）的飞行状态记录场景。

声场复现系统  SOUND FIELD REPRODUCTION SYSTEM

由庞巴迪航空公司提供的机舱模型如图2所示。它如实的再现了庞巴迪CRJ的内部，它有8个座位（2排，每排4个座位）和6个窗户。在两个端部安装了吸声端盖，以尽可能防止驻波影响。在初步实验和听力测试中，使用图 2右侧的外部扬声器在模型中创建一个参考声场，可将再现声场与之进行比较。该模型装有传感器，以重建在飞行中测量的声场，或由外部扬声器创建的声场。在这方面，重要的是，再现用的作动器在视觉上是离散的，甚至对模型内的听众是不可见的。主要的再现用传感器是多个32毫米惯性作动器，分布在内饰板（侧壁和天花板）的后侧。除了这些惯性作动器，一个强力的超低音扬声器被安装在模型舱的后面，以正确地再现机舱噪音的低频成分。最后，在座椅下方放置了多个低音激振器，以诱发地板振动。虽然没有尝试重现在飞行中测量的准确的地板振动水平，但发现地板振动增强了模型中的声音体验。作动器由多个放大板驱动。在声场再现实验中，将用于飞行记录的多个传声器阵列安装在模型的同一位置，以识别从再现作动器到传声器的传递路径，并监测再现声场。作动器的安装和在模型中的位置如图3所示。

图2  CRJ机舱模型安装在实验室；外部扬声器用于听力测试。图3  多个惯性作动器在装饰板上的安装位置，地板上数个低音激振器和超低音扬声器（右）；装饰板作动器安装的详细视图（左）。

声场复现方法学

SOUND FIELD REPRODUCTION METHODOLOGY

包含系统识别、交叉滤波和低音管理、均衡滤波器设计等详细方法的介绍。声场再现系统框图。信号和系统用频域表示。细虚线块表示均衡系统。每个信号的通道计数由带斜杠的箭头线表示。

实验结果

EXPERIMENTAL RESULTS

实验过程如下：当多通道再现系统被试验确认后，并将目标声场以波形文件存储，计算了所有试验工况下的均衡滤波器和作动器信号。然后再现信号反馈到试验模型，利用传声器阵列对再现声场进行测量。然后在后处理阶段对每个测试工况进行物理评估。

为了实现报告中测试用例的相互比较，引入了三种不同的评估度量。评价指标在离散频域k中定义，其中信号谱由使用Welch方法获得的单侧修正周期图和被测目标、再现和误差声场的Hanning窗。

 关于Tikhonov正则化和归一化Tikhonov正则化的再现结果Reproduction results with Tikhonov and normalized Tikhonov regularization

采用Tikhonov正则化的多通道均衡作为第一个测试用例。最佳正则化参数l在低频系统为0.01，高频系统为0.1。最佳交叉频率为140 Hz。图4也用于随后的比较，显示了作为频率函数的相应性能指标ELS、MLS和SLS。一般来说，在最低频率时ELS较高，在高频范围内，ELS会再次增加。MLS结果表明，在该频率范围内，再现声场与目标声场的平均差在1dB以内。为了说明结果，我们还依赖于所选监听麦克风记录再现声音的韦尔奇周期图。图5的左侧显示了在传声器#14处的目标声音和再现声音之间的比较。很明显，再现功率谱密度（PSD）接近目标PSD，但并不完全一致。要提醒的是，使用比作动器更多的传声器是不可能获得完美的声场再现（在物理意义上）。此外，由于从1khz到10khz的典型目标PSD下降了近40db，目标声压级随频率的增加而降低可能解释了相对再现误差ELS的增加。

图 4   (a)E_LS，(b)M_LS和(c)S_LS在使用Tikhonov正则化的参考测试用例和具有最佳正则化参数的归一化Tikhonov正则化的多通道均衡中的性能比较。140赫兹的交叉频率用垂直虚线标记。
图 5   在同时采用最优正则化参数下Tikhonov正则化（左）和归一化Tikhonov正则化（右）在传声器#14处目标和再现声音的Welch功率谱密度。140赫兹的交叉频率用垂直虚线标记。
就归一化Tikhonov正则化而言，最佳正则化参数发现在低频范围（低于140hz的交叉频率）为0:004，在高频范围为0:04。再现结果在此最佳选择的正则化参数按ELS、MLS和SLS的方式与标准Tikhonov解进行比较图4。归一化正则化的结果显示了较低的再现误差ELS和较低的再现源2-范数（SLS）。因此，引入归一化正则化参数是有益的，因为可以用低得多的振幅再现源信号来实现更好的声场再现，从而降低产生吱吱声、嘎嘎声和装饰板非线性响应的风险。归一化Tikhonov正则化也自动引入了频率相关正则化。图5的右侧显示了在传声器#14处的目标声音和再现声音之间的比较。对于该传声器位置，再现的声级在1kHz范围内略低于目标，但如图4所示，归一化正则化在所有传声器位置仍优于标准正则化。 

听力测试

LISTENING TESTS

协议为了从主观评价的角度评估空间再现方法的有效性，我们对坐在机舱模型中的受试者进行了听力测试，并对不同参数选择产生的再现声音进行了测试。再现场景的数量受到听力测试持续时间的限制。 听力测试结果所有参与者的平均得分和平均回放次数如图 7所示。7分对应的是听众的反应非常相似，而1分对应的是非常不同。注意到，控制工况（声音6）获得了最高的相似度得分，尽管不是在最大的相似度尺度上。声音3获得了最好的分数，这也提供了一些客观表现方面的最佳结果。最差的分数是声音2，在客观评价中表现出过度规整。还注意到，当相似性被判断为更强时，回放的数量也会增加。 值得注意的是，在控制采样范围内，最佳再现情况（声音3）没有达到相似性。因此，从平均意义上，参与者能够区分外部目标声音和模型作动器再现的声音。然而，根据听力测试后收集的非正式信息，一些参与者解释说，模型中吱吱声和嘎嘎声的类型和空间位置是区分这两种声音的主要线索。显然，这种非线性响应的控制远远超出了测试再现方法的可能性。基于这些观察，从这些感知评估中获得的结果是令人满意的，并且获得了令人信服的声场再现，特别是在工况3中。图6  听力测试中6种声音的(a)E_LS，(b)M_LS和(c)S_LS比较（见表1）。在再现工况1，2，3，4中使用的多个传声器上计算了E_LS和M_LS图 7   听力测试结果：6个测试声音的相似度评分和回放次数的平均和标准差。声音6是控制工况

总结  CONCLUSIONS
结果表明，利用安装在装饰板上的监测传声器天线和振动作动器作为声源，采用基于最小均方法的多通道均衡技术，可以在全尺寸客舱模型中实现真实飞行记录的精确声场再现。这种多通道再现系统的设计和实现应考虑以下几个方面： 1）使用超定问题（传声器多于再现源）和源输入正则化可以防止大的再现信号可能导致声音失真、吱吱声和嘎嘎声；2）要求模型中更大的声音再现区域。在这方面，使用较小的传声器阵列可以在传声器阵列位置处提供非常低的再现误差，而代价是在传声器阵列之外有更大的再现误差。值得注意的是，电声区长时间变化是产生误差的另一个来源。在声场再现实验中，系统识别是在模型内再现声场的实际测量是数小时甚至数天前进行的。物理评估还辅之以听力测试，以比较不同再现场景与模型外部扬声器创建的目标声场的相似性。这些测试证实，最佳再现场景与目标声场具有极好的相似性，并且与物理评估的结果一致。

参考文献  REFERENCES

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GAUS声场重构案例（选）
用于声场再现的工业声环境的麦克风阵列：利用96扬声器阵列和波场合成技术，对所记录的声场进行物理再现。物理评估是在比较目标记录声场和实验室再现声场的同时进行的。
用于声场再现的工业声环境的麦克风阵列
用于声场再现的工业声环境的麦克风阵列：正面-50通道球形阵列。右-GAUS制作的圆形85声道麦克风阵列。背面-带32个传声器的Eigenmike麦克风阵列。

双耳和个性化音频
三维环境声学与球面声学

●普信®声学院：P+M，成就材料声学研究领域的工程与科技产业化“独角兽”
●普信®声学院：GAUS为航空声振工程及材料声学研究的可持续发展提供动力
●『鐘鼓樓』⑦普信「航空航天声振环境工程开发与测试验证」

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