劉 迪，周 瑜，李 光，張學聰

（中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015）

0 引言

掃描測量是研究穩(wěn)態(tài)聲源近場特性的重要途徑，是進行聲場重建、可視化顯示、噪聲源識別定位的有效手段[1-2]。依據(jù)聲傳感器動態(tài)掃描測量結(jié)果，通過相應(yīng)算法將噪聲源的空間聲場強度以不同顏色標注，從而直觀地對噪聲源進行定位、量化并找出噪聲的傳播路徑，在軍事和現(xiàn)代化工業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。特別是在如艙室等狹小、復雜的空間內(nèi)，掃描測量的方式顯得游刃有余。

聲場具有聲壓和質(zhì)點振速兩個基本量。質(zhì)點振速是矢量，具有方向性，在聲場測量中更有優(yōu)勢[3]。傳統(tǒng)的聲場掃描測量主要采用P-P 聲強探頭測量聲壓，利用聲壓梯度間接獲得質(zhì)點振速，通過計算聲強得到聲源表面附近的聲場云圖[4]。但是受限于傳聲器之間的相位一致性、物理間距、聲強指向性等條件，該方法在低頻聲源、高背景噪聲及混響等條件下并不適用。矢量傳聲器是基于微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System，MEMS）質(zhì)點振速測量技術(shù)的新型空氣聲學傳感器，由共點的質(zhì)點振速敏感元件及聲壓敏感元件高度集成形成。與P-P 聲強探頭相比，矢量傳聲器可以直接測量質(zhì)點振速，且具有與頻率無關(guān)的極性“8”字指向性、不受尺寸限制，易于小型化。同時，利用聲壓和質(zhì)點振速之間的關(guān)系，矢量傳聲器可以形成多種與頻率無關(guān)的超指向性[5]，進而可以抑制無關(guān)方向的噪聲。因此，矢量傳聲器非常適合于噪聲掃描測量，特別是混響環(huán)境下的噪聲測量。

基于微絲熱流的質(zhì)點振速測量技術(shù)最先于20世紀90 年代，由DEBREE H E 博士等人提出[6]，之后開發(fā)了一系列基于質(zhì)點振速傳感器的產(chǎn)品。在國內(nèi)，中國電子科技集團公司第三研究所率先完成了適用于空氣聲場的質(zhì)點振速傳感器的研制，目前已經(jīng)研發(fā)了聯(lián)合聲壓與質(zhì)點振速測量的多種型號矢量傳聲器產(chǎn)品，在靈敏度、幅相頻特性、指向性等多方面的性能均達到國際先進水平[7-8]。本文正是基于中國電子科技集團公司第三研究所研制的一維矢量傳聲器，開發(fā)了集音視頻采集、分析、實時顯示于一體的掃描測量噪聲可視化系統(tǒng)，通過聲壓與質(zhì)點振速的組合形成單邊指向性，利用該指向性特性對聲場進行掃描測量，有效抑制主軸方向之外其他方向的噪聲，實現(xiàn)混響、反射或其他干擾源環(huán)境下的聲場可視化及噪聲源辨識重構(gòu)。該系統(tǒng)對于促進矢量傳聲器的進一步發(fā)展、推動矢量傳聲器在工業(yè)噪聲測量、故障診斷、振動噪聲分析等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

1 聲場可視化原理

一維矢量傳聲器由共點放置的1 個聲壓敏感元件、1 個質(zhì)點振速敏感元件及相應(yīng)電路組成，可以實現(xiàn)同步共點測量聲場的聲壓p與法向質(zhì)點振速u，其中聲壓是全向性的，質(zhì)點振速具備極性“8”字指向性。因此，將聲壓p與法向質(zhì)點振速u信號進行不同組合，可以形成多種銳化的空間指向性[5]。利用銳化后的指向性對聲場進行掃描測量，可以從源頭上抑制測試環(huán)境背景噪聲的干擾。

本文通過對比分析（如圖1 所示）發(fā)現(xiàn)，采用(p+u)u組合形式的指向性具有好的銳化效果和更高的組合增益。利用該組合形成的單邊指向超心形指向性對聲場進行掃描測量，可以有效抑制其他方向雜波的干擾，提高聲場測量的準確性。

圖1 矢量傳聲器不同組合形式的指向性

在測試中，只需將主軸方向（指向性極大方向）對準被測物體，沿著既定路線進行掃描測量，即可有效抑制主軸方向之外其他方向的噪聲，實現(xiàn)響、反射或其他干擾源環(huán)境下的噪聲抑制。

使用一維矢量傳聲器對目標進行掃描測量時，可得到沿掃描路徑的一系列離散點Ti(xi,yi)，對于每個路徑點Ti，利用時間τ內(nèi)的聲壓p(τ)和法向質(zhì)點振速u(τ)測量數(shù)據(jù)作為該點處聲場評估量：

利用平面網(wǎng)格對掃描測量區(qū)域進行離散，將各離散點處的Ji值在網(wǎng)格內(nèi)進行插值，并以不同顏色標注，即可得到掃描區(qū)域的直觀聲場云圖，如圖2 所示，對于非規(guī)則掃描路徑選擇三角形網(wǎng)格進行離散。

圖2 基于矢量傳聲器指向性的聲場重建及可視化

2 掃描可視化系統(tǒng)

基于矢量傳聲器指向性測量原理，集成音視頻采集，本文設(shè)計了掃描測量噪聲可視化系統(tǒng)。該系統(tǒng)由矢量傳聲器、多通道數(shù)據(jù)采集模塊、攝像頭、上位機及上位機軟件5 部分組成，將聲場重建結(jié)果與實際圖像相結(jié)合，實現(xiàn)噪聲源可視化。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和數(shù)據(jù)流向框圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)組成以及數(shù)據(jù)流向

（1）矢量傳聲器。掃描測量噪聲可視化系統(tǒng)采用中國電子科技集團公司第三研究所研制的一維聲矢量傳聲器，可以同時測量聲場聲壓及法向質(zhì)點振速信號。

（2）多通道數(shù)據(jù)采集模塊。采集模塊有4 個通道，每通道24 位，數(shù)據(jù)采樣率最高可達100 kHz，通過USB 接口與上位機通信，可與上位機進行集成設(shè)計。

（3）攝像頭。本系統(tǒng)設(shè)計中，攝像頭的作用有兩個：獲取掃描測量空間路徑，與測量數(shù)據(jù)進行時空匹配；獲取測量面圖片，與聲場云圖進行匹配，從而實現(xiàn)噪聲源可視化。攝像頭采用可變調(diào)焦廣角攝像頭，幀率可調(diào)。

（4）上位機軟件。如圖4 所示，上位機軟件主要包括掃描路徑尋蹤、信號采集、數(shù)據(jù)分析處理、聲場重建及可視化顯示等模塊。軟件采用GUI 界面設(shè)計，如圖5 所示，支持人機交互，可以方便地觀察掃描測量軌跡及聲場重建云圖，實現(xiàn)聲場可視化。

圖4 上位機軟件流程圖

圖5 系統(tǒng)軟件界面

系統(tǒng)工作時，使用一維矢量傳聲器在測量面上進行掃描測量；攝像機記錄測量過程，用于提取傳聲器的相對空間位置；計算各掃描點聲場量Ji并與空間位置匹配；使用離散網(wǎng)格插值計算整個測量面上聲場量并以RGB 色彩空間圖表示；將聲場云圖與測量背景圖片組合疊加，實現(xiàn)噪聲可視化，從而可以“看到”聲源分布。

3 艙室噪聲源測試

為驗證系統(tǒng)的可行性，本文開展了一系列驗證試驗，在狹小的車輛艙室環(huán)境中對模擬雙聲源進行了測試。測試時，車輛處于靜止狀態(tài)，發(fā)動機啟動后怠速。艙內(nèi)為聲學混響環(huán)境，艙內(nèi)環(huán)境噪音聲壓級81 dBA，試驗布置如圖6 所示。試驗時，采用兩個音箱作為模擬聲源，模擬聲源間距為9 cm，聲壓級（聲源5 cm 處）均為84 dBA。試驗分兩組進行：第一組，兩聲源為1 kHz 相干單頻源；第二組，兩聲源為非相干白噪聲源。測試結(jié)果如圖7 所示。

圖6 艙內(nèi)噪聲測試場景圖

圖7 艙內(nèi)噪聲聲場成像結(jié)果

可以看出，采用(p+u)u組合形式的指向性可以實現(xiàn)聲場掃描重建及噪聲源識別。從聲場云圖中可以有效分辨出模擬聲源的位置與個數(shù)，重合度較好，說明系統(tǒng)能在測試環(huán)境下實現(xiàn)2 個獨立聲源的外部聲場重建，有效分辨出噪聲源位置。研制的噪聲掃描可視化系統(tǒng)可在狹小艙室內(nèi)完成聲場可視化及噪聲源識別，驗證了其實用性，進一步推動了矢量傳聲器及基于矢量傳聲器的聲學可視化系統(tǒng)在工業(yè)噪聲測量、故障診斷、振動噪聲分析等領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用。

4 結(jié)語

本文基于中國電子科技集團公司第三研究所研制的一維矢量傳聲器，利用矢量傳聲器聲壓與質(zhì)點振速信號組合的指向性進行噪聲測量，通過掃描測量方式實現(xiàn)聲場可視化，從而完成基于矢量傳聲器的掃描測量噪聲可視化系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)在艙室環(huán)境下進行了模擬聲源掃描成像試驗。主要得出以下結(jié)論：

（1）通過對聲壓與質(zhì)點振速的組合可實現(xiàn)單邊指向的超心形指向性，進一步加強對噪聲的抑制能力，實現(xiàn)聲場重建；

（2）開發(fā)的噪聲掃描可視化系統(tǒng)可在狹小艙室內(nèi)完成聲場重建及可視化顯示，同時能實現(xiàn)多個噪聲源辨識及定位。