聲學(xué)全息術(shù)是一種將噪聲映射為聲強(qiáng)分布并定位噪聲源的技術(shù)，它使用麥克風(fēng)或天線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(shuō)明靈活的模塊化儀器設(shè)備將繼續(xù)憑借強(qiáng)大的PC功能實(shí)現(xiàn)高精度的噪聲測(cè)量，并通過(guò)更小的封裝滿足更高取樣速率、更多通道數(shù)量、更寬動(dòng)態(tài)范圍以及分布式架構(gòu)要求。 

   汽車制造商們正想方設(shè)法減少噪聲以提高用戶能感知的汽車質(zhì)量。通過(guò)使用多通道數(shù)量的噪聲映射系統(tǒng)，他們能夠檢測(cè)到超強(qiáng)噪聲的來(lái)源點(diǎn)，進(jìn)而加以校正。同樣的原理也應(yīng)用于地震檢測(cè)和水下戰(zhàn)爭(zhēng)所需的水下聲學(xué)陣列。 

   聲學(xué)全息術(shù)是一種將噪聲映射為聲強(qiáng)分布并定位噪聲源的技術(shù)，它使用麥克風(fēng)或天線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。目前的典型系統(tǒng)能夠使用64到128個(gè)通道甚至更多。汽車制造商想要價(jià)格更低的400通道以上的系統(tǒng)。采用陣列中麥克風(fēng)之間的相位關(guān)系就可以定位較強(qiáng)的噪聲源。 

   MTS聲學(xué)照相機(jī)是一種基于聲束成形技術(shù)的噪聲映射系統(tǒng)。這種技術(shù)需要聲學(xué)天線，并輔之于測(cè)量硬件和分析軟件。在本例的風(fēng)洞測(cè)試中使用了帶MTS聲學(xué)照相機(jī)并基于NI PXI-4472數(shù)據(jù)捕獲模塊的64-96通道測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果將決定可減少客車上噪聲來(lái)源的最優(yōu)后視鏡。利用這種方法可以很容易獲得從輪胎和兩側(cè)后視鏡發(fā)出的噪聲圖像。 

飛機(jī)通過(guò)噪聲測(cè)量 

   對(duì)于新型飛機(jī)來(lái)說(shuō)，環(huán)境問(wèn)題非常重要，航空公司希望避免支付由于超過(guò)機(jī)場(chǎng)規(guī)定的噪聲極限而發(fā)生的費(fèi)用。許多機(jī)場(chǎng)愿意為消音飛機(jī)留出更多或最佳的停機(jī)位置。  

   過(guò)去數(shù)年間，飛機(jī)引擎噪聲利用各種技術(shù)一直在不斷降低。在某些新的飛機(jī)上，由機(jī)身發(fā)出的噪聲量已基本相當(dāng)于一些前置引擎所發(fā)出的噪聲。在接近機(jī)場(chǎng)和降落過(guò)程中機(jī)身已經(jīng)成為主要的噪聲源。在飛機(jī)通過(guò)噪聲測(cè)試中可以使用聲束成形技術(shù)測(cè)量和區(qū)分引擎與機(jī)身噪聲源。如果有更多的通道，就可以獲得更高的分辨率以更好地區(qū)分這二個(gè)噪聲源。該信息可以用于設(shè)計(jì)或操作更改。 

   客機(jī)的機(jī)身噪聲最高可達(dá)6kHz。在物理測(cè)試中，不同尺寸的比例模型被用于建模的驗(yàn)證，有時(shí)比例可達(dá)1：20。機(jī)身尺寸與頻率成反比關(guān)系，也就意味著高達(dá)100kHz的頻率范圍將要求ADC的取樣速度超過(guò)200kS/s。 

   基于上述原因，二大飛機(jī)制造廠在飛機(jī)通過(guò)噪聲測(cè)試中選用了NI的PXI-4462，因?yàn)樵搩x器具有很大的靈活性和可升級(jí)性，并且通道數(shù)量多。該模塊有4個(gè)輸入通道，其中24位的delta-sigma轉(zhuǎn)換器取樣速率高達(dá)204.8kS/s，在高達(dá)95kHz帶寬范圍內(nèi)可以提供將近120dB的動(dòng)態(tài)范圍，從而確保開展精確聲音測(cè)量的工程師獲得很高的測(cè)量精度。 

   PXI-4462還可以配置多達(dá)8個(gè)通道的模塊，每個(gè)PXI基座可最多容納112個(gè)通道。通過(guò)噪聲測(cè)試一般要求使用低靈敏度的麥克風(fēng)(4mV/Pa)，測(cè)量聲壓范圍大約是50dB到170dB，因此24位ADC的動(dòng)態(tài)范圍非常重要。PXI-4462還包含了用于麥克風(fēng)和加速計(jì)的反折疊保護(hù)和集成電子壓電(IEPE)調(diào)節(jié)功能，可降低所需的信號(hào)調(diào)節(jié)成本。 

   在通過(guò)性測(cè)試中所有通道要求嚴(yán)格同步。在典型的飛機(jī)測(cè)試中，每隔幾分鐘就有一架飛機(jī)經(jīng)過(guò)麥克風(fēng)陣列，記錄時(shí)間為16秒，如圖1所示。在下一架飛機(jī)通過(guò)之前必須要捕捉完所有數(shù)據(jù)，并送往中央電腦進(jìn)行分析。在采用PXI平臺(tái)的另外一個(gè)例子中，飛機(jī)制造商同時(shí)對(duì)320個(gè)通道進(jìn)行取樣。他們將使用帶多個(gè)控制器的多個(gè)基座。由于每個(gè)基座中都使用了時(shí)序和觸發(fā)器模塊(PXI-665X)，因此每個(gè)基座之間的距離可以超過(guò)30m。PXI-665X可以保證同一基座中不同模塊之間的嚴(yán)格同步。它還能將時(shí)序和同步技術(shù)擴(kuò)展應(yīng)用到多個(gè)基座。NI PXX-665X時(shí)序和同步控制模塊利用觸發(fā)器總線、星型觸發(fā)器和PXI的系統(tǒng)參考時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)高級(jí)的多器件或多基座同步。  

   在典型的飛機(jī)測(cè)試中，每隔幾分鐘就有一架飛機(jī)經(jīng)過(guò)麥克風(fēng)陣列，記錄時(shí)間為16秒。
在這個(gè)特定應(yīng)用中，PXX-665X可以將以前較低分辨率、價(jià)格較高系統(tǒng)中50多公里的麥克風(fēng)線纜長(zhǎng)度縮短到5公里。今后還將把通道數(shù)量從320個(gè)增加到1000個(gè)。 

   在該架構(gòu)中，由主基座控制時(shí)序和觸發(fā)，從基座分配時(shí)鐘、控制本地?cái)?shù)據(jù)捕獲并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到磁盤。中央CPU用作主要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(在以太網(wǎng)上移動(dòng)數(shù)據(jù))和分析引擎。 

高強(qiáng)度聲學(xué)測(cè)試設(shè)備的控制和測(cè)量 

   在航空測(cè)試應(yīng)用中的另外一個(gè)使用PXI的例子中，高強(qiáng)度聲學(xué)測(cè)試設(shè)備最近在韓國(guó)航空研究院(KARI)正式開放。PXI數(shù)據(jù)捕獲模塊用于控制聲學(xué)室，并接收來(lái)自被測(cè)衛(wèi)星的192通道動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。 

   在這種裝置中對(duì)太空船進(jìn)行測(cè)試以驗(yàn)證它們?cè)诎�括美�?guó)、中國(guó)、印度、俄國(guó)和歐洲在內(nèi)的各種運(yùn)載火箭的高強(qiáng)度聲學(xué)環(huán)境中的可靠性。來(lái)自引擎排氣裝置的很大噪聲可能會(huì)造成負(fù)載和運(yùn)載火箭的疲勞性損壞。例如，在聲學(xué)環(huán)境測(cè)試中用于KOMPSAT2的太陽(yáng)能電池會(huì)被145dB的聲音毀壞。因此需要對(duì)聲學(xué)室的聲音頻譜加以控制以保持與所用運(yùn)載火箭的一致性。 

   用于衛(wèi)星測(cè)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(nèi)提供152dB的聲學(xué)環(huán)境。該裝置由一個(gè)大型回響室、聲能產(chǎn)生系統(tǒng)、氣態(tài)氮供應(yīng)系統(tǒng)、聲學(xué)控制系統(tǒng)、震動(dòng)控制系統(tǒng)和多通道數(shù)量動(dòng)態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。為了在聲學(xué)室產(chǎn)生高強(qiáng)度聲音，一般采用帶氣態(tài)氮發(fā)生器的聲學(xué)調(diào)制器(基本上是大型號(hào)角)。 

   該系統(tǒng)由一個(gè)用于數(shù)據(jù)收集和信號(hào)產(chǎn)生的NI6052E多功能數(shù)據(jù)捕捉卡控制，而這個(gè)捕捉卡是由多線程LabWindows程序控制的，該程序主要用來(lái)產(chǎn)生被測(cè)衛(wèi)星所在的運(yùn)載火箭的聲音特性。二個(gè)模擬輸出通道控制二個(gè)聲學(xué)調(diào)制器，而這二個(gè)聲學(xué)調(diào)制器會(huì)控制流進(jìn)聲學(xué)室的氣體。同樣這塊卡還將連續(xù)監(jiān)視聲學(xué)室本身。這里使用了八個(gè)麥克風(fēng)測(cè)量聲學(xué)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(guò)自動(dòng)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(shí)時(shí)監(jiān)視的八個(gè)通道的每1/3倍頻段上顯示SPL。高亮藍(lán)線代表頻段內(nèi)SPL上限和下限的告警電平。 
 
程序的GUI可以在被實(shí)時(shí)監(jiān)視的八個(gè)通道的每1/3倍頻段上 
顯示SPL。高亮藍(lán)線代表頻段內(nèi)SPL上限和下限的告警電平。
   由于測(cè)試運(yùn)行費(fèi)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(gè)可靠的測(cè)試系統(tǒng)非常重要。為了連續(xù)地進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和信號(hào)發(fā)生，可以在NI-DAQ驅(qū)動(dòng)軟件中內(nèi)置雙緩沖技術(shù)。為了執(zhí)行多個(gè)任務(wù)并確保相互間不受影響，在沒(méi)有復(fù)雜操作系統(tǒng)條件下可以使用NI公司的LabWindows CVI提供的四個(gè)不同線程和線程安全排隊(duì)(TSQ)功能來(lái)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(guò)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，KARI獲得145dB的總SPL就可以認(rèn)定被則多用途衛(wèi)星合格。第二階段的升級(jí)程序可以發(fā)揮152dB的全部性能。 

本文小結(jié) 

   在所有這些案例中，許多用戶借用低成本和高度靈活的基于PC的儀器增加了通道數(shù)量和動(dòng)態(tài)分辨率，進(jìn)而提高了測(cè)量精度。靈活的模塊化儀器設(shè)備將繼續(xù)憑借強(qiáng)大的PC功能實(shí)現(xiàn)高精度的噪聲測(cè)量，并通過(guò)更小的封裝滿足更高取樣速率、更多通道數(shù)量、更寬動(dòng)態(tài)范圍以及分布式架構(gòu)要求。 

聲全息常用算法 

1) 常規(guī)聲全息 
   在常規(guī)聲全息中，因?yàn)槭艿阶陨韺?shí)用條件的限制，根據(jù)全息測(cè)量面重建的圖像受制于聲波的波長(zhǎng)。它只能記錄空間波數(shù)小于等于2π/λ的傳播波成分，而且其全息測(cè)量面只能正對(duì)從聲源出來(lái)的一個(gè)小立體角。因此，當(dāng)聲源輻射場(chǎng)具有方向性時(shí)，可能丟失聲源的重要信息。并且通過(guò)聲壓記錄得到的全息圖，只能用于重建聲壓場(chǎng)，而不能得到振速、聲強(qiáng)等物理量。 

2) 遠(yuǎn)場(chǎng)聲全息 
   遠(yuǎn)場(chǎng)聲全息是通過(guò)測(cè)量離聲源較遠(yuǎn)(d>>λ)的聲壓場(chǎng)來(lái)重建表面聲壓及振速場(chǎng)，由此預(yù)報(bào)輻射源外任意一點(diǎn)的聲壓場(chǎng)、振速場(chǎng)和聲強(qiáng)矢量場(chǎng)，由于觀測(cè)點(diǎn)離聲源較遠(yuǎn)，記錄不到倏逝波成份，因此分辨率受波長(zhǎng)的限制，不適合于高分辨率的場(chǎng)合，但可以對(duì)火車或汽車等尺寸較大的物體進(jìn)行噪聲識(shí)別，楊殿閣等[13，14]利用遠(yuǎn)場(chǎng)聲全息方法對(duì)汽車噪聲的聲源識(shí)別進(jìn)行了較詳細(xì)地研究，全息面采用平面，本質(zhì)上仍是基于空間采樣進(jìn)行重建，傳感器的布置受精度要求限制，且通過(guò)掃描方式獲得全息數(shù)據(jù)，測(cè)量工作比較費(fèi)時(shí)，效率較低。 

3) 近場(chǎng)聲全息(NAH) 
   近場(chǎng)聲全息是在緊靠被測(cè)聲源物理表面的測(cè)量面(d<<λ)記錄全息數(shù)據(jù)，然后通過(guò)變換技術(shù)重建三維空間聲壓場(chǎng)、振速場(chǎng)、聲強(qiáng)矢量場(chǎng)，并能預(yù)報(bào)遠(yuǎn)場(chǎng)指向性。由于是近場(chǎng)測(cè)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(dòng)體細(xì)節(jié)信息，所以理論上可獲得不受波長(zhǎng)限制的高分辨率圖像，測(cè)量覆蓋了從聲源出來(lái)的一個(gè)大的方位角，有指向性的聲源能夠被不失信息地檢測(cè)出來(lái)。 

   比較上面三種聲全息技術(shù)，NAH實(shí)用面最廣，分辨率最高，可操作性最強(qiáng)，所以近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)NAH研究相當(dāng)活躍。下面介紹一下NAH的原理及常用算法。 

作者：Kurt Veggeberg 
聲學(xué)和振動(dòng)部業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理 
國(guó)家儀器(NI)公司 
Email: kurt.veggeberg@ni.com