基于聲學(xué)全息術(shù)的先進噪聲測量系統(tǒng)

聲學(xué)全息術(shù)是一種將噪聲映射為聲強分布并定位噪聲源的技術(shù)，它使用麥克風(fēng)或天線陣列生成噪聲源的聲音圖像。系統(tǒng)中的通道越多，圖像的分辨率就越高。本文說明靈活的模塊化儀器設(shè)備將繼續(xù)憑借強大的PC功能實現(xiàn)高精度的噪聲測量，并通過更小的封裝滿足更高取樣速率、更多通道數(shù)量、更寬動態(tài)范圍以及分布式架構(gòu)要求。 

   汽車制造商們正想方設(shè)法減少噪聲以提高用戶能感知的汽車質(zhì)量。通過使用多通道數(shù)量的噪聲映射系統(tǒng)，他們能夠檢測到超強噪聲的來源點，進而加以校正。同樣的原理也應(yīng)用于地震檢測和水下戰(zhàn)爭所需的水下聲學(xué)陣列。 

   聲學(xué)全息術(shù)是一種將噪聲映射為聲強分布并定位噪聲源的技術(shù)，它使用麥克風(fēng)或天線陣列生成噪聲源的聲音圖像。系統(tǒng)中的通道越多，圖像的分辨率就越高。目前的典型系統(tǒng)能夠使用64到128個通道甚至更多。汽車制造商想要價格更低的400通道以上的系統(tǒng)。采用陣列中麥克風(fēng)之間的相位關(guān)系就可以定位較強的噪聲源。 

   MTS聲學(xué)照相機是一種基于聲束成形技術(shù)的噪聲映射系統(tǒng)。這種技術(shù)需要聲學(xué)天線，并輔之于測量硬件和分析軟件。在本例的風(fēng)洞測試中使用了帶MTS聲學(xué)照相機并基于NI PXI-4472數(shù)據(jù)捕獲模塊的64-96通道測量系統(tǒng)，測試結(jié)果將決定可減少客車上噪聲來源的最優(yōu)后視鏡。利用這種方法可以很容易獲得從輪胎和兩側(cè)后視鏡發(fā)出的噪聲圖像。 

飛機通過噪聲測量 

   對于新型飛機來說，環(huán)境問題非常重要，航空公司希望避免支付由于超過機場規(guī)定的噪聲極限而發(fā)生的費用。許多機場愿意為消音飛機留出更多或最佳的停機位置。  

   過去數(shù)年間，飛機引擎噪聲利用各種技術(shù)一直在不斷降低。在某些新的飛機上，由機身發(fā)出的噪聲量已基本相當于一些前置引擎所發(fā)出的噪聲。在接近機場和降落過程中機身已經(jīng)成為主要的噪聲源。在飛機通過噪聲測試中可以使用聲束成形技術(shù)測量和區(qū)分引擎與機身噪聲源。如果有更多的通道，就可以獲得更高的分辨率以更好地區(qū)分這二個噪聲源。該信息可以用于設(shè)計或操作更改。 

   客機的機身噪聲最高可達6kHz。在物理測試中，不同尺寸的比例模型被用于建模的驗證，有時比例可達1：20。機身尺寸與頻率成反比關(guān)系，也就意味著高達100kHz的頻率范圍將要求ADC的取樣速度超過200kS/s。 

   基于上述原因，二大飛機制造廠在飛機通過噪聲測試中選用了NI的PXI-4462，因為該儀器具有很大的靈活性和可升級性，并且通道數(shù)量多。該模塊有4個輸入通道，其中24位的delta-sigma轉(zhuǎn)換器取樣速率高達204.8kS/s，在高達95kHz帶寬范圍內(nèi)可以提供將近120dB的動態(tài)范圍，從而確保開展精確聲音測量的工程師獲得很高的測量精度。 

   PXI-4462還可以配置多達8個通道的模塊，每個PXI基座可最多容納112個通道。通過噪聲測試一般要求使用低靈敏度的麥克風(fēng)(4mV/Pa)，測量聲壓范圍大約是50dB到170dB，因此24位ADC的動態(tài)范圍非常重要。PXI-4462還包含了用于麥克風(fēng)和加速計的反折疊保護和集成電子壓電(IEPE)調(diào)節(jié)功能，可降低所需的信號調(diào)節(jié)成本。 

   在通過性測試中所有通道要求嚴格同步。在典型的飛機測試中，每隔幾分鐘就有一架飛機經(jīng)過麥克風(fēng)陣列，記錄時間為16秒，如圖1所示。在下一架飛機通過之前必須要捕捉完所有數(shù)據(jù)，并送往中央電腦進行分析。在采用PXI平臺的另外一個例子中，飛機制造商同時對320個通道進行取樣。他們將使用帶多個控制器的多個基座。由于每個基座中都使用了時序和觸發(fā)器模塊(PXI-665X)，因此每個基座之間的距離可以超過30m。PXI-665X可以保證同一基座中不同模塊之間的嚴格同步。它還能將時序和同步技術(shù)擴展應(yīng)用到多個基座。NI PXX-665X時序和同步控制模塊利用觸發(fā)器總線、星型觸發(fā)器和PXI的系統(tǒng)參考時鐘實現(xiàn)高級的多器件或多基座同步。  

   在典型的飛機測試中，每隔幾分鐘就有一架飛機經(jīng)過麥克風(fēng)陣列，記錄時間為16秒。
在這個特定應(yīng)用中，PXX-665X可以將以前較低分辨率、價格較高系統(tǒng)中50多公里的麥克風(fēng)線纜長度縮短到5公里。今后還將把通道數(shù)量從320個增加到1000個。 

   在該架構(gòu)中，由主基座控制時序和觸發(fā)，從基座分配時鐘、控制本地數(shù)據(jù)捕獲并將數(shù)據(jù)存儲到磁盤。中央CPU用作主要的數(shù)據(jù)存儲(在以太網(wǎng)上移動數(shù)據(jù))和分析引擎。 

高強度聲學(xué)測試設(shè)備的控制和測量 

   在航空測試應(yīng)用中的另外一個使用PXI的例子中，高強度聲學(xué)測試設(shè)備最近在韓國航空研究院(KARI)正式開放。PXI數(shù)據(jù)捕獲模塊用于控制聲學(xué)室，并接收來自被測衛(wèi)星的192通道動態(tài)數(shù)據(jù)。 

   在這種裝置中對太空船進行測試以驗證它們在包括美國、中國、印度、俄國和歐洲在內(nèi)的各種運載火箭的高強度聲學(xué)環(huán)境中的可靠性。來自引擎排氣裝置的很大噪聲可能會造成負載和運載火箭的疲勞性損壞。例如，在聲學(xué)環(huán)境測試中用于KOMPSAT2的太陽能電池會被145dB的聲音毀壞。因此需要對聲學(xué)室的聲音頻譜加以控制以保持與所用運載火箭的一致性。 

   用于衛(wèi)星測試的回響室裝置體積是1228立方米，能夠在25Hz到10,000Hz頻率范圍內(nèi)提供152dB的聲學(xué)環(huán)境。該裝置由一個大型回響室、聲能產(chǎn)生系統(tǒng)、氣態(tài)氮供應(yīng)系統(tǒng)、聲學(xué)控制系統(tǒng)、震動控制系統(tǒng)和多通道數(shù)量動態(tài)信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。為了在聲學(xué)室產(chǎn)生高強度聲音，一般采用帶氣態(tài)氮發(fā)生器的聲學(xué)調(diào)制器(基本上是大型號角)。 

   該系統(tǒng)由一個用于數(shù)據(jù)收集和信號產(chǎn)生的NI6052E多功能數(shù)據(jù)捕捉卡控制，而這個捕捉卡是由多線程LabWindows程序控制的，該程序主要用來產(chǎn)生被測衛(wèi)星所在的運載火箭的聲音特性。二個模擬輸出通道控制二個聲學(xué)調(diào)制器，而這二個聲學(xué)調(diào)制器會控制流進聲學(xué)室的氣體。同樣這塊卡還將連續(xù)監(jiān)視聲學(xué)室本身。這里使用了八個麥克風(fēng)測量聲學(xué)室中噪聲的空間SPL(聲能水平)分布情況，該信息再被送回程序，并通過自動或人工的方式加以控制而產(chǎn)生所需的聲音頻譜。  

   程序的GUI可以在被實時監(jiān)視的八個通道的每1/3倍頻段上顯示SPL。高亮藍線代表頻段內(nèi)SPL上限和下限的告警電平。 
 
程序的GUI可以在被實時監(jiān)視的八個通道的每1/3倍頻段上 
顯示SPL。高亮藍線代表頻段內(nèi)SPL上限和下限的告警電平。
   由于測試運行費用比較高，液態(tài)氮的可用數(shù)量又比較有限，因此建立一個可靠的測試系統(tǒng)非常重要。為了連續(xù)地進行數(shù)據(jù)收集和信號發(fā)生，可以在NI-DAQ驅(qū)動軟件中內(nèi)置雙緩沖技術(shù)。為了執(zhí)行多個任務(wù)并確保相互間不受影響，在沒有復(fù)雜操作系統(tǒng)條件下可以使用NI公司的LabWindows CVI提供的四個不同線程和線程安全排隊(TSQ)功能來增加可靠性。這些線程被分成處理GUI和數(shù)據(jù)管理的主線程、處理連續(xù)數(shù)據(jù)收集和1/3倍頻分析的DAQ線程、處理連續(xù)輸出和過濾的Generate線程以及處理1/3倍頻系數(shù)的Generate Feedback線程。 

   在第一階段，KARI獲得145dB的總SPL就可以認定被則多用途衛(wèi)星合格。第二階段的升級程序可以發(fā)揮152dB的全部性能。 

本文小結(jié) 

   在所有這些案例中，許多用戶借用低成本和高度靈活的基于PC的儀器增加了通道數(shù)量和動態(tài)分辨率，進而提高了測量精度。靈活的模塊化儀器設(shè)備將繼續(xù)憑借強大的PC功能實現(xiàn)高精度的噪聲測量，并通過更小的封裝滿足更高取樣速率、更多通道數(shù)量、更寬動態(tài)范圍以及分布式架構(gòu)要求。 

聲全息常用算法 

1) 常規(guī)聲全息 
   在常規(guī)聲全息中，因為受到自身實用條件的限制，根據(jù)全息測量面重建的圖像受制于聲波的波長。它只能記錄空間波數(shù)小于等于2π/λ的傳播波成分，而且其全息測量面只能正對從聲源出來的一個小立體角。因此，當聲源輻射場具有方向性時，可能丟失聲源的重要信息。并且通過聲壓記錄得到的全息圖，只能用于重建聲壓場，而不能得到振速、聲強等物理量。 

2) 遠場聲全息 
   遠場聲全息是通過測量離聲源較遠(d>>λ)的聲壓場來重建表面聲壓及振速場，由此預(yù)報輻射源外任意一點的聲壓場、振速場和聲強矢量場，由于觀測點離聲源較遠，記錄不到倏逝波成份，因此分辨率受波長的限制，不適合于高分辨率的場合，但可以對火車或汽車等尺寸較大的物體進行噪聲識別，楊殿閣等[13，14]利用遠場聲全息方法對汽車噪聲的聲源識別進行了較詳細地研究，全息面采用平面，本質(zhì)上仍是基于空間采樣進行重建，傳感器的布置受精度要求限制，且通過掃描方式獲得全息數(shù)據(jù)，測量工作比較費時，效率較低。 

3) 近場聲全息(NAH) 
   近場聲全息是在緊靠被測聲源物理表面的測量面(d<<λ)記錄全息數(shù)據(jù)，然后通過變換技術(shù)重建三維空間聲壓場、振速場、聲強矢量場，并能預(yù)報遠場指向性。由于是近場測量，所以除了記錄傳播波成分外，還能記錄空間頻率高于 

   且隨傳播距離按指數(shù)規(guī)律衰減的倏逝波成分。由于它含有振動體細節(jié)信息，所以理論上可獲得不受波長限制的高分辨率圖像，測量覆蓋了從聲源出來的一個大的方位角，有指向性的聲源能夠被不失信息地檢測出來。 

   比較上面三種聲全息技術(shù)，NAH實用面最廣，分辨率最高，可操作性最強，所以近些年來，國內(nèi)外對NAH研究相當活躍。下面介紹一下NAH的原理及常用算法。 

作者：Kurt Veggeberg 
聲學(xué)和振動部業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理 
國家儀器(NI)公司 
Email: kurt.veggeberg@ni.com