摘要：文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于聲源的飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷定位系統(tǒng)，利用麥克風(fēng)陣列和改進(jìn)的定位算法，實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷的實(shí)時(shí)檢測和精確定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在90度和270度測試角度下，定位精度和穩(wěn)定性顯著提高。

關(guān)鍵詞：聲源定位；飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷；麥克風(fēng)陣列；卡爾曼濾波；損傷檢測

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044（2025）06-0117-03"開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

0 引言

在飛機(jī)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)損傷定位是確保飛行安全和結(jié)構(gòu)可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。飛機(jī)在服役期間受振動(dòng)、沖擊和疲勞等復(fù)雜載荷作用，容易產(chǎn)生裂紋、老化或松動(dòng)等結(jié)構(gòu)損傷。如果無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位這些損傷，不僅可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，還可能引發(fā)嚴(yán)重的飛行事故。通過損傷定位技術(shù)，不僅能早期識別和修復(fù)受損部位，避免隱患擴(kuò)大，還能通過監(jiān)測損傷位置與演化規(guī)律驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性，為材料選型、構(gòu)件優(yōu)化及剩余壽命評估提供科學(xué)依據(jù)，從而兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性[1-2]。然而，傳統(tǒng)檢測方法如超聲、X射線和紅外熱成像技術(shù)存在效率低、設(shè)備復(fù)雜、成本高昂等問題，尤其在面對復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)或早期微小損傷時(shí)表現(xiàn)不足，無法滿足現(xiàn)代飛機(jī)對實(shí)時(shí)監(jiān)測和高效檢測的需求。

聲源定位技術(shù)通過陣列麥克風(fēng)采集損傷產(chǎn)生的聲波信號，結(jié)合時(shí)間差估計(jì)和信號處理算法，可精準(zhǔn)定位聲源位置[3-4]。例如，將該技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料板聲源定位與損傷識別[5]。其非接觸式特點(diǎn)使其特別適合復(fù)雜的飛機(jī)結(jié)構(gòu)環(huán)境，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測并快速響應(yīng)，有效提高檢測靈敏度和覆蓋范圍。相比傳統(tǒng)方法，該技術(shù)顯著降低維護(hù)成本，優(yōu)化維修計(jì)劃，并為飛機(jī)運(yùn)行中的早期損傷發(fā)現(xiàn)提供可靠保障，展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。

本研究提出了一種基于聲源定位的飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷檢測方法，開發(fā)了信號處理算法以增強(qiáng)檢測靈敏度，并驗(yàn)證了技術(shù)在環(huán)境中的實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性。研究成果不僅提升了損傷定位的精度和效率，還為維修計(jì)劃優(yōu)化和成本降低提供了技術(shù)支持，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷檢測提供了一條高效、經(jīng)濟(jì)的新途徑。

1 基于聲源的結(jié)構(gòu)損傷定位

飛機(jī)結(jié)構(gòu)在發(fā)生損傷時(shí)，例如裂紋擴(kuò)展或疲勞失效，往往會釋放出一種特殊的高頻聲波信號。該信號被稱為聲發(fā)射，是材料內(nèi)部應(yīng)力集中引發(fā)的能量釋放現(xiàn)象。通過捕捉和分析這些高頻聲發(fā)射信號，可以識別損傷發(fā)生的位置和發(fā)展程度，從而實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)健康狀況的監(jiān)測。

采用Sipeed K210平臺和麥克風(fēng)陣列構(gòu)建的結(jié)構(gòu)損傷聲源信息獲取系統(tǒng)，具備高性能處理能力和實(shí)時(shí)性，能夠精準(zhǔn)捕捉飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷過程中產(chǎn)生的高頻聲波，并通過先進(jìn)的定位算法確定聲源的空間位置。K210平臺內(nèi)置雙核64位RISC-V處理器，主頻高達(dá)400 MHz，具備高達(dá)0.5 TOPS的算力，特別適合邊緣計(jì)算和低功耗應(yīng)用場景。內(nèi)置的I2S接口為麥克風(fēng)陣列提供了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸通道。該平臺還支持多種開發(fā)工具，便于快速開發(fā)和部署聲源定位系統(tǒng)。

麥克風(fēng)陣列的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。陣列由七個(gè)麥克風(fēng)以環(huán)形或?qū)ΨQ分布的幾何結(jié)構(gòu)布置，陣列間距與高頻聲波波長相匹配，優(yōu)化了方向性和空間分辨能力。環(huán)形幾何布局能夠有效減少聲波衍射引起的誤差，提高聲源定位的準(zhǔn)確性。此外，麥克風(fēng)陣列還具備高信噪比和寬頻帶特性，能夠清晰捕捉高頻損傷聲波信號，降低環(huán)境噪聲的干擾。I2S接口將麥克風(fēng)采集的多通道信號傳輸至K210平臺，利用其強(qiáng)大的信號處理能力實(shí)時(shí)完成濾波、特征提取和聲源定位算法的計(jì)算。

整體系統(tǒng)通過K210平臺的高效處理能力與麥克風(fēng)陣列的精準(zhǔn)信號采集相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)性與高精度的統(tǒng)一。其穩(wěn)定的硬件接口和優(yōu)化的幾何布局，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷的實(shí)時(shí)監(jiān)測提供了可靠、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。這種設(shè)計(jì)不僅滿足了復(fù)雜結(jié)構(gòu)環(huán)境下的應(yīng)用需求，還具有低功耗和高集成度的優(yōu)勢，為后續(xù)擴(kuò)展開發(fā)提供了廣闊空間。

結(jié)構(gòu)損傷聲源信息獲取以及位置角度計(jì)算方法如下。

def get_structural_damage_direction（）：

X=0 #初始化X軸角度

Y=0 #初始化Y軸角度

Angle=0 #初始化定位角度

AngleCorrect=0 #初始化角度修正參數(shù)

imga = mic.get_map（） # 采集聲音源數(shù)據(jù)

2 結(jié)構(gòu)損傷定位優(yōu)化

由于單次結(jié)構(gòu)聲源定位的聲音數(shù)據(jù)采樣容易受到環(huán)境噪聲和設(shè)備精度的限制，導(dǎo)致聲源定位結(jié)果存在一定誤差，因此設(shè)計(jì)并引入濾波算法是提高定位精度的關(guān)鍵。本文提出了一種簡單而有效的均值濾波算法，通過剔除異常值并計(jì)算剩余數(shù)據(jù)的平均值來提升測量的可靠性和精度。該算法的主要原理是首先基于多次測量值（如20次）構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)數(shù)組，然后剔除數(shù)組中的最大值和最小值，減少由環(huán)境噪聲和極端值引起的偏差。最后，對剩余的測量值進(jìn)行算術(shù)平均計(jì)算，得出當(dāng)前測量的最終角度值。這一過程有效過濾了數(shù)據(jù)中的噪聲干擾，增強(qiáng)了定位結(jié)果的穩(wěn)定性。

在參數(shù)選擇方面，算法使用20次測量作為數(shù)組長度，主要基于對噪聲分布的統(tǒng)計(jì)分析，這個(gè)值既能覆蓋正常波動(dòng)，又能保證計(jì)算的實(shí)時(shí)性。同時(shí)，僅剔除1個(gè)最大值和1個(gè)最小值，避免了過多剔除可能導(dǎo)致有用信息的損失。此外，剩余測量值直接取算術(shù)平均的方式簡單高效，避免了復(fù)雜權(quán)重模型帶來的計(jì)算開銷，從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)性與可靠性的平衡。

為進(jìn)一步提高測量的平滑性和動(dòng)態(tài)精度，針對均值濾波算法的輸出數(shù)據(jù)，采用卡爾曼濾波算法對角度進(jìn)行優(yōu)化處理。卡爾曼濾波能夠有效處理包含噪聲的測量數(shù)據(jù)，通過遞歸估計(jì)最優(yōu)的系統(tǒng)狀態(tài)，進(jìn)而提供結(jié)構(gòu)損傷定位的精度。其核心包括預(yù)測和更新兩個(gè)階段：在預(yù)測階段，通過上一時(shí)刻的后驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)值和協(xié)方差，計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的先驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)值和協(xié)方差；在更新階段，通過計(jì)算卡爾曼增益，將測量值與預(yù)測值加權(quán)融合，得到后驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)值，并更新協(xié)方差以反映估計(jì)不確定性。參數(shù)設(shè)置對濾波性能至關(guān)重要，其中過程噪聲Q表示系統(tǒng)模型的不確定性，測量噪聲R反映傳感器測量誤差，通過實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)進(jìn)行選擇。初始協(xié)方差P 通常設(shè)為小正值以提供魯棒性。本系統(tǒng)中，設(shè)置Q=0.001、R=0.01、P=0.1以確保平滑性與精度兼?zhèn)?，具體實(shí)現(xiàn)方式如下所示。

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測中，卡爾曼濾波用于對麥克風(fēng)陣列采集的高頻聲波信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，有效消除環(huán)境噪聲干擾，并結(jié)合麥克風(fēng)陣列的空間定位能力，實(shí)現(xiàn)聲源位置的高精度估計(jì)。該算法通過合理參數(shù)優(yōu)化，兼顧了實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，增強(qiáng)了復(fù)雜環(huán)境下的噪聲處理能力，為損傷聲源的快速定位提供了技術(shù)支持。這一方法顯著提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷的早期檢測和安全性保障奠定了基礎(chǔ)。

3實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，實(shí)驗(yàn)搭建了基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位測試環(huán)境。首先，選用K210開發(fā)板與環(huán)形麥克風(fēng)陣列搭建硬件平臺，陣列按既定幾何結(jié)構(gòu)布置以提高空間分辨率。實(shí)驗(yàn)在相對安靜的室內(nèi)進(jìn)行，確保環(huán)境噪聲可控，同時(shí)使用固定的聲源位置模擬飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷聲波信號。在實(shí)驗(yàn)過程中，麥克風(fēng)陣列采集高頻聲波信號并實(shí)時(shí)處理。具體測試選取聲源相對于陣列中心的兩個(gè)角度，即90度和270度。每次測試持續(xù)采集30秒，并記錄單次定位結(jié)果、均值濾波處理結(jié)果，以及結(jié)合均值濾波和卡爾曼濾波后的結(jié)果。通過對測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算均值、方差和標(biāo)準(zhǔn)差，以評估濾波對數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的提升效果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。無論是90度還是270度的測試，均值濾波和卡爾曼濾波的聯(lián)合處理均顯著優(yōu)于單次定位或僅使用均值濾波的結(jié)果。在90度測試中，聯(lián)合濾波后的均值為88.835 04度，標(biāo)準(zhǔn)差降低到0.499 336，數(shù)據(jù)波動(dòng)顯著減少，測量更穩(wěn)定；在270度測試中，聯(lián)合濾波后的標(biāo)準(zhǔn)差也降至1.011 806 度。相比之下，單次定位的方差較大，反映出噪聲干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)分布離散。均值濾波通過對多次采樣結(jié)果的平均計(jì)算平滑數(shù)據(jù)波動(dòng)，但對突發(fā)性噪聲的魯棒性有限；卡爾曼濾波則利用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和先驗(yàn)估計(jì)進(jìn)一步增強(qiáng)了實(shí)時(shí)性與精準(zhǔn)度。兩者的結(jié)合既降低了隨機(jī)噪聲的干擾，又平滑了定位數(shù)據(jù)，使測量結(jié)果更具可靠性和可用性。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了濾波算法的有效性，為后續(xù)實(shí)際應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于聲源定位的飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷檢測系統(tǒng)，結(jié)合麥克風(fēng)陣列與濾波算法，顯著提高了定位精度和實(shí)時(shí)性，能夠高效識別損傷位置并提供結(jié)構(gòu)健康反饋。然而，系統(tǒng)在強(qiáng)噪聲干擾或復(fù)雜多聲源環(huán)境下可能存在一定局限性，且對極端環(huán)境的適應(yīng)性尚需驗(yàn)證。未來可通過引入自適應(yīng)噪聲消除算法、優(yōu)化麥克風(fēng)陣列設(shè)計(jì)、結(jié)合其他傳感技術(shù)以及進(jìn)行大規(guī)模飛行測試，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的抗干擾能力、檢測全面性和穩(wěn)定性，以推動(dòng)其在實(shí)際飛行中的應(yīng)用，降低維護(hù)成本并延長飛機(jī)使用壽命。