基于聲學全息術的先進噪聲測量系統(tǒng)

1、基于聲學全息術的先進噪聲測量系統(tǒng)聲學全息術是一種將噪聲映射為聲強分布并定位噪聲源的技術。它使用麥克風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要求。       汽車制造商們正想方設法減少噪聲以提高用戶能感知的汽車質量。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。同樣的原理也應用于地震檢測和水下戰(zhàn)爭所需的水下聲學陣列。 目前的典型系統(tǒng)能夠使用

2、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)。采用陣列中麥克風之間的相位關系就可以定位較強的噪聲源。 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波束成形技術測量和區(qū)分引擎與機身噪聲源。如果

3、有更多的通道，就可以獲得更高的分辨率以更好地區(qū)分這兩個噪聲源。該信息可以用于設計或操作更改。 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?；谏鲜鲈颍箫w機制造廠在飛機通過噪聲測試中選用了采用VME技術的MKII，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轉換器取樣速率高達204.8kS/s，在高達95kHz帶寬范圍內可以提供將近130dB的動態(tài)范圍，從而確保開

4、展精確聲音測量的工程師獲得很高的測量精度。 每個MKII機箱可最多容納128個通道，可以將多達10套機箱串聯(lián)同步使用，以滿足更高通道書的要求。通過噪聲測試一般要求使用低靈敏度的麥克風(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。MKII還包含了用于麥克風和加速計的反折疊保護和集成電子壓電(IEPE)調節(jié)功能，可降低所需的信號調節(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)過麥克風陣列，記錄時間為16秒，如圖2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MKII平臺的另外

5、一個例子中，飛機制造商同時對320個通道進行取樣。他們使用帶多個機箱的系統(tǒng)，每個基座之間的距離可以超過200m。VME可以保證所有模塊之間的嚴格同步。 在這個特定應用中，MKII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。 高強度聲學測試設備的控制和測量      在航空測試應用中的另外一個使用VME的例子中，高強度聲學

6、測試設備最近在某國航空研究院正式開放。MKII數(shù)據(jù)捕獲模塊用于控制聲學室，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、俄國和歐洲在內的各種運載火箭的高強度聲學環(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頻率范圍內提供152dB的聲學環(huán)境。該裝置由一個大型回響室、聲能產(chǎn)生系統(tǒng)、氣態(tài)

7、氮供應系統(tǒng)、聲學控制系統(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)生器的聲學調制器(基本上是大型號角)。 該系統(tǒng)由一個用于數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)程序構成，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調制器，而這二個聲學調制器會控制流進聲學室的氣體。同樣這塊卡還將連續(xù)監(jiān)視聲學室本身。這里使用了八個麥克風測量聲學室中噪聲的空間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16個通道的每1/3倍頻段上顯示SPL。高亮藍線代表頻段內

8、SPL上限和下限的告警電平。如圖6所示。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驅動軟件中內置雙緩沖技術。為了執(zhí)行多個任務并確保相互間不受影響，在沒有復雜操作系統(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，獲得145dB的總

9、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。 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2/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

10、場聲全息是通過測量離聲源較遠(d>>)的聲壓場來重建表面聲壓及振速場，由此預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<<)記錄全息數(shù)據(jù)，然后通過變換技術重建三維空間聲壓場、振速場、聲強矢量場，并能預報遠場指向性。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，NAH實用面最廣，分辨率最高，可操作性最強，所以近些年來，國內外對NAH研究相當活躍