基于声学全息术的先进噪声测量系统

汽车制造商们正想方设法减少噪声以提高用户能感知的汽车质量。通过使用多通道数量的噪声映射系统，他们能够检测到超强噪声的来源点，进而加以校正。同样的原理也应用于地震检测和水下战争所需的水下声学阵列。

声学全息术是一种将噪声映射为声强分布并定位噪声源的技术，它使用麦克风或天线阵列生成噪声源的声音图像。系统中的通道越多，图像的分辨率就越高。目前的典型系统能够使用64到128个通道甚至更多。汽车制造商想要价格更低的400通道以上的系统。采用阵列中麦克风之间的相位关系就可以定位较强的噪声源。

MTS声学照相机是一种基于声束成形技术的噪声映射系统。这种技术需要声学天线，并辅之于测量硬件和分析软件。在本例的风洞测试中使用了带MTS声学照相机并基于NI PXI-4472数据捕获模块的64-96通道测量系统，测试结果将决定可减少客车上噪声来源的最优后视镜。利用这种方法可以很容易获得从轮胎和两侧后视镜发出的噪声图像。

飞机通过噪声测量

对于新型飞机来说，环境问题非常重要，航空公司希望避免支付由于超过机场规定的噪声极限而发生的费用。许多机场愿意为消音飞机留出更多或最佳的停机位置。

过去数年间，飞机引擎噪声利用各种技术一直在不断降低。在某些新的飞机上，由机身发出的噪声量已基本相当于一些前置引擎所发出的噪声。在接近机场和降落过程中机身已经成为主要的噪声源。在飞机通过噪声测试中可以使用声束成形技术测量和区分引擎与机身噪声源。如果有更多的通道，就可以获得更高的分辨率以更好地区分这二个噪声源。该信息可以用于设计或操作更改。

客机的机身噪声最高可达6kHz。在物理测试中，不同尺寸的比例模型被用于建模的验证，有时比例可达1：20。机身尺寸与频率成反比关系，也就意味着高达100kHz的频率范围将要求ADC的取样速度超过200kS/s。

基于上述原因，二大飞机制造厂在飞机通过噪声测试中选用了NI的PXI-4462，因为该仪器具有很大的灵活性和可升级性，并且通道数量多。该模块有4个输入通道，其中24位的delta-sigma转换器取样速率高达204.8kS/s，在高达95kHz带宽范围内可以提供将近120dB的动态范围，从而确保开展精确声音测量的工程师获得很高的测量精度。

PXI-4462还可以配置多达8个通道的模块，每个PXI基座可最多容纳112个通道。通过噪声测试一般要求使用低灵敏度的麦克风(4mV/Pa)，测量声压范围大约是50dB到170dB，因此24位ADC的动态范围非常重要。PXI-4462还包含了用于麦克风和加速计的反折叠保护和集成电子压电(IEPE)调节功能，可降低所需的信号调节成本。

在通过性测试中所有通道要求严格同步。在典型的飞机测试中，每隔几分钟就有一架飞机经过麦克风阵列，记录时间为16秒，如图1所示。在下一架飞机通过之前必须要捕捉完所有数据，并送往中央电脑进行分析。在采用PXI平台的另外一个例子中，飞机制造商同时对320个通道进行取样。他们将使用带多个控制器的多个基座。由于每个基座中都使用了时序和触发器模块(PXI-665X)，因此每个基座之间的距离可以超过30m。PXI-665X可以保证同一基座中不同模块之间的严格同步。它还能将时序和同步技术扩展应用到多个基座。NI PXX-665X时序和同步控制模块利用触发器总线、星型触发器和PXI的系统参考时钟实现高级的多器件或多基座同步。

在这个特定应用中，PXX-665X可以将以前较低分辨率、价格较高系统中50多公里的麦克风线缆长度缩短到5公里。今后还将把通道数量从320个增加到1000个。

在该架构中，由主基座控制时序和触发，从基座分配时钟、控制本地数据捕获并将数据存储到磁盘。中央CPU用作主要的数据存储(在以太网上移动数据)和分析引擎。

高强度声学测试设备的控制和测量

在航空测试应用中的另外一个使用PXI的例子中，高强度声学测试设备最近在韩国航空研究院(KARI)正式开放。PXI数据捕获模块用于控制声学室，并接收来自被测卫星的192通道动态数据。

在这种装置中对太空船进行测试以验证它们在包括美国、中国、印度、俄国和欧洲在内的各种运载火箭的高强度声学环境中的可靠性。来自引擎排气装置的很大噪声可能会造成负载和运载火箭的疲劳性损坏。例如，在声学环境测试中用于KOMPSAT2的太阳能电池会被145dB的声音毁坏。因此需要对声学室的声音频谱加以控制以保持与所用运载火箭的一致性。

用于卫星测试的回响室装置体积是1228立方米，能够在25Hz到10,000Hz频率范围内提供152dB的声学环境。该装置由一个大型回响室、声能产生系统、气态氮供应系统、声学控制系统、震动控制系统和多通道数量动态信号数据采集系统组成。为了在声学室产生高强度声音，一般采用带气态氮发生器的声学调制器(基本上是大型号角)。

该系统由一个用于数据收集和信号产生的NI6052E多功能数据捕捉卡控制，而这个捕捉卡是由多线程LabWindows程序控制的，该程序主要用来产生被测卫星所在的运载火箭的声音特性。二个模拟输出通道控制二个声学调制器，而这二个声学调制器会控制流进声学室的气体。同样这块卡还将连续监视声学室本身。这里使用了八个麦克风测量声学室中噪声的空间SPL(声能水平)分布情况，该信息再被送回程序，并通过自动或人工的方式加以控制而产生所需的声音频谱。

程序的GUI可以在被实时监视的八个通道的每1/3倍频段上显示SPL。高亮蓝线代表频段内SPL上限和下限的告警电平。如图2所示。

由于测试运行费用比较高，液态氮的可用数量又比较有限，因此建立一个可靠的测试系统非常重要。为了连续地进行数据收集和信号发生，可以在NI-DAQ驱动软件中内置双缓冲技术。为了执行多个任务并确保相互间不受影响，在没有复杂操作系统条件下可以使用NI公司的LabWindows CVI提供的四个不同线程和线程安全排队(TSQ)功能来增加可靠性。这些线程被分成处理GUI和数据管理的主线程、处理连续数据收集和1/3倍频分析的DAQ线程、处理连续输出和过滤的Generate线程以及处理1/3倍频系数的Generate Feedback线程。

在第一阶段，KARI获得145dB的总SPL就可以认定被则多用途卫星合格。第二阶段的升级程序可以发挥152dB的全部性能。

本文小结

在所有这些案例中，许多用户借用低成本和高度灵活的基于PC的仪器增加了通道数量和动态分辨率，进而提高了测量精度。灵活的模块化仪器设备将继续凭借强大的PC功能实现高精度的噪声测量，并通过更小的封装满足更高取样速率、更多通道数量、更宽动态范围以及分布式架构要求。

声全息常用算法

1) 常规声全息

在常规声全息中，因为受到自身实用条件的限制，根据全息测量面重建的图像受制于声波的波长。它只能记录空间波数小于等于2π/λ的传播波成分，而且其全息测量面只能正对从声源出来的一个小立体角。因此，当声源辐射场具有方向性时，可能丢失声源的重要信息。并且通过声压记录得到的全息图，只能用于重建声压场，而不能得到振速、声强等物理量。

图6：程序的GUI可以在被实时 监视的八个通道的每1/3倍频段上 显示SPL。高亮蓝线代表频段内SPL上 限和下限的告警电平。

2) 远场声全息

远场声全息是通过测量离声源较远(d>>λ)的声压场来重建表面声压及振速场，由此预报辐射源外任意一点的声压场、振速场和声强矢量场，由于观测点离声源较远，记录不到倏逝波成份，因此分辨率受波长的限制，不适合于高分辨率的场合，但可以对火车或汽车等尺寸较大的物体进行噪声识别，杨殿阁等[13，14]利用远场声全息方法对汽车噪声的声源识别进行了较详细地研究，全息面采用平面，本质上仍是基于空间采样进行重建，传感器的布置受精度要求限制，且通过扫描方式获得全息数据，测量工作比较费时，效率较低。

3) 近场声全息(NAH)

近场声全息是在紧靠被测声源物理表面的测量面(d<<λ)记录全息数据，然后通过变换技术重建三维空间声压场、振速场、声强矢量场，并能预报远场指向性。由于是近场测量，所以除了记录传播波成分外，还能记录空间频率高于

且随传播距离按指数规律衰减的倏逝波成分。由于它含有振动体细节信息，所以理论上可获得不受波长限制的高分辨率图像，测量覆盖了从声源出来的一个大的方位角，有指向性的声源能够被不失信息地检测出来。

比较上面三种声全息技术，NAH实用面最广，分辨率最高，可操作性最强，所以近些年来，国内外对NAH研究相当活跃。下面介绍一下NAH的原理及常用算法。

作者：Kurt Veggeberg

声学和振动部业务开发经理

国家仪器(NI)公司

Email: kurt.veggeberg@ni.com