基于矢量传声器的扫描测量噪声可视化系统

刘 迪，周 瑜，李 光，张学聪

（中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015）

0 引言

扫描测量是研究稳态声源近场特性的重要途径，是进行声场重建、可视化显示、噪声源识别定位的有效手段[1-2]。依据声传感器动态扫描测量结果，通过相应算法将噪声源的空间声场强度以不同颜色标注，从而直观地对噪声源进行定位、量化并找出噪声的传播路径，在军事和现代化工业中发挥着重要的作用。特别是在如舱室等狭小、复杂的空间内，扫描测量的方式显得游刃有余。

声场具有声压和质点振速两个基本量。质点振速是矢量，具有方向性，在声场测量中更有优势[3]。传统的声场扫描测量主要采用P-P 声强探头测量声压，利用声压梯度间接获得质点振速，通过计算声强得到声源表面附近的声场云图[4]。但是受限于传声器之间的相位一致性、物理间距、声强指向性等条件，该方法在低频声源、高背景噪声及混响等条件下并不适用。矢量传声器是基于微机电系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS）质点振速测量技术的新型空气声学传感器，由共点的质点振速敏感元件及声压敏感元件高度集成形成。与P-P 声强探头相比，矢量传声器可以直接测量质点振速，且具有与频率无关的极性“8”字指向性、不受尺寸限制，易于小型化。同时，利用声压和质点振速之间的关系，矢量传声器可以形成多种与频率无关的超指向性[5]，进而可以抑制无关方向的噪声。因此，矢量传声器非常适合于噪声扫描测量，特别是混响环境下的噪声测量。

基于微丝热流的质点振速测量技术最先于20世纪90 年代，由DEBREE H E 博士等人提出[6]，之后开发了一系列基于质点振速传感器的产品。在国内，中国电子科技集团公司第三研究所率先完成了适用于空气声场的质点振速传感器的研制，目前已经研发了联合声压与质点振速测量的多种型号矢量传声器产品，在灵敏度、幅相频特性、指向性等多方面的性能均达到国际先进水平[7-8]。本文正是基于中国电子科技集团公司第三研究所研制的一维矢量传声器，开发了集音视频采集、分析、实时显示于一体的扫描测量噪声可视化系统，通过声压与质点振速的组合形成单边指向性，利用该指向性特性对声场进行扫描测量，有效抑制主轴方向之外其他方向的噪声，实现混响、反射或其他干扰源环境下的声场可视化及噪声源辨识重构。该系统对于促进矢量传声器的进一步发展、推动矢量传声器在工业噪声测量、故障诊断、振动噪声分析等领域的应用具有重要意义。

1 声场可视化原理

一维矢量传声器由共点放置的1 个声压敏感元件、1 个质点振速敏感元件及相应电路组成，可以实现同步共点测量声场的声压p与法向质点振速u，其中声压是全向性的，质点振速具备极性“8”字指向性。因此，将声压p与法向质点振速u信号进行不同组合，可以形成多种锐化的空间指向性[5]。利用锐化后的指向性对声场进行扫描测量，可以从源头上抑制测试环境背景噪声的干扰。

本文通过对比分析（如图1 所示）发现，采用(p+u)u组合形式的指向性具有好的锐化效果和更高的组合增益。利用该组合形成的单边指向超心形指向性对声场进行扫描测量，可以有效抑制其他方向杂波的干扰，提高声场测量的准确性。

图1 矢量传声器不同组合形式的指向性

在测试中，只需将主轴方向（指向性极大方向）对准被测物体，沿着既定路线进行扫描测量，即可有效抑制主轴方向之外其他方向的噪声，实现响、反射或其他干扰源环境下的噪声抑制。

使用一维矢量传声器对目标进行扫描测量时，可得到沿扫描路径的一系列离散点Ti(xi,yi)，对于每个路径点Ti，利用时间τ内的声压p(τ)和法向质点振速u(τ)测量数据作为该点处声场评估量：

利用平面网格对扫描测量区域进行离散，将各离散点处的Ji值在网格内进行插值，并以不同颜色标注，即可得到扫描区域的直观声场云图，如图2 所示，对于非规则扫描路径选择三角形网格进行离散。

图2 基于矢量传声器指向性的声场重建及可视化

2 扫描可视化系统

基于矢量传声器指向性测量原理，集成音视频采集，本文设计了扫描测量噪声可视化系统。该系统由矢量传声器、多通道数据采集模块、摄像头、上位机及上位机软件5 部分组成，将声场重建结果与实际图像相结合，实现噪声源可视化。系统结构组成和数据流向框图如图3 所示。

图3 系统组成以及数据流向

（1）矢量传声器。扫描测量噪声可视化系统采用中国电子科技集团公司第三研究所研制的一维声矢量传声器，可以同时测量声场声压及法向质点振速信号。

（2）多通道数据采集模块。采集模块有4 个通道，每通道24 位，数据采样率最高可达100 kHz，通过USB 接口与上位机通信，可与上位机进行集成设计。

（3）摄像头。本系统设计中，摄像头的作用有两个：获取扫描测量空间路径，与测量数据进行时空匹配；获取测量面图片，与声场云图进行匹配，从而实现噪声源可视化。摄像头采用可变调焦广角摄像头，帧率可调。

（4）上位机软件。如图4 所示，上位机软件主要包括扫描路径寻踪、信号采集、数据分析处理、声场重建及可视化显示等模块。软件采用GUI 界面设计，如图5 所示，支持人机交互，可以方便地观察扫描测量轨迹及声场重建云图，实现声场可视化。

图4 上位机软件流程图

图5 系统软件界面

系统工作时，使用一维矢量传声器在测量面上进行扫描测量；摄像机记录测量过程，用于提取传声器的相对空间位置；计算各扫描点声场量Ji并与空间位置匹配；使用离散网格插值计算整个测量面上声场量并以RGB 色彩空间图表示；将声场云图与测量背景图片组合叠加，实现噪声可视化，从而可以“看到”声源分布。

3 舱室噪声源测试

为验证系统的可行性，本文开展了一系列验证试验，在狭小的车辆舱室环境中对模拟双声源进行了测试。测试时，车辆处于静止状态，发动机启动后怠速。舱内为声学混响环境，舱内环境噪音声压级81 dBA，试验布置如图6 所示。试验时，采用两个音箱作为模拟声源，模拟声源间距为9 cm，声压级（声源5 cm 处）均为84 dBA。试验分两组进行：第一组，两声源为1 kHz 相干单频源；第二组，两声源为非相干白噪声源。测试结果如图7 所示。

图6 舱内噪声测试场景图

图7 舱内噪声声场成像结果

可以看出，采用(p+u)u组合形式的指向性可以实现声场扫描重建及噪声源识别。从声场云图中可以有效分辨出模拟声源的位置与个数，重合度较好，说明系统能在测试环境下实现2 个独立声源的外部声场重建，有效分辨出噪声源位置。研制的噪声扫描可视化系统可在狭小舱室内完成声场可视化及噪声源识别，验证了其实用性，进一步推动了矢量传声器及基于矢量传声器的声学可视化系统在工业噪声测量、故障诊断、振动噪声分析等领域的发展与应用。

4 结语

本文基于中国电子科技集团公司第三研究所研制的一维矢量传声器，利用矢量传声器声压与质点振速信号组合的指向性进行噪声测量，通过扫描测量方式实现声场可视化，从而完成基于矢量传声器的扫描测量噪声可视化系统，并利用该系统在舱室环境下进行了模拟声源扫描成像试验。主要得出以下结论：

（1）通过对声压与质点振速的组合可实现单边指向的超心形指向性，进一步加强对噪声的抑制能力，实现声场重建；

（2）开发的噪声扫描可视化系统可在狭小舱室内完成声场重建及可视化显示，同时能实现多个噪声源辨识及定位。