手持便攜式聲學(xué)相機(jī)漢航NTS.LAB ACP系統(tǒng)介紹

1.       前言

針對復(fù)雜的機(jī)械產(chǎn)品（例如汽車、飛機(jī),、重工和家電產(chǎn)品等），清晰地定位出聲源位置是開展噪聲治理的重要前提。目前,，基于傳聲器陣列測量來定位聲源已逐漸成為市場和學(xué)術(shù)界受歡迎的手段之一,。雖然當(dāng)前的聲源定位系統(tǒng)發(fā)展迅速，并且得到了較為廣泛的應(yīng)用,，但是仍然存在著一些不足之處,。在數(shù)據(jù)采集方面，當(dāng)前的聲源定位系統(tǒng)多采用測量傳聲器構(gòu)成傳聲器陣列采集聲信號,。測量傳聲器的輸出為模擬量,，測量精度較高，但需要配合專用的前置放大器和數(shù)據(jù)采集儀才能完成聲信號的采集工作。單個測量傳聲器的大小即與成人手指相當(dāng),，專用的數(shù)據(jù)采集儀更是體積龐大,，這使得整個聲源定位系統(tǒng)的便攜性大打折扣。與此同時,，測量傳聲器與數(shù)據(jù)采集儀高昂的價格也進(jìn)一步限制了聲源定位系統(tǒng)的發(fā)展與普及,。在數(shù)據(jù)后處理方面，當(dāng)前的聲源定位系統(tǒng)多采用計算機(jī)或工控機(jī)作為聲源定位算法的運(yùn)行平臺,。這樣的系統(tǒng)硬件平臺雖然可以實現(xiàn)較為復(fù)雜和高級的聲源定位算法,，但是由于算法在計算機(jī)上是基于軟件邏輯運(yùn)行的，其運(yùn)行速度很難與純硬件邏輯相比,，這使得整個系統(tǒng)的實時性較差,。

基于以上因素，漢航(北京)科技有限公司開發(fā)了兩種類型的聲學(xué)相機(jī),，一種采用漢航自主設(shè)計的數(shù)字式MEMS傳聲器作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備,，以FPGA作為數(shù)據(jù)計算處理平臺的便攜式聲源定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有精度高,、體積小,、成本低、實時性好等優(yōu)點,，具有較高的工程應(yīng)用價值和應(yīng)用范圍,。另一種采用精密式麥克風(fēng)陣列（包括面陣列和球陣列）及漢航高精度Hunter系列數(shù)據(jù)采集硬件。

本次主要介紹基于MEMS的手持便攜式聲學(xué)相機(jī)漢航NTS.LAB ACP系統(tǒng),。

圖1: 精密陣列式聲學(xué)相機(jī)軟件模塊NTS.LAB ACM

圖2：手持式MEMS聲學(xué)相機(jī)軟件模塊NTS.LAB ACP

2.聲源定位算法原理

基于傳聲器陣列測量的聲源定位系統(tǒng)的核心是定位算法,，目前主流的算法包括波束形成和聲全息兩種。波束形成算法在高頻具有較好的定位分辨率,，而聲全息算法在中低頻具有較好的定位分辨率,，因此兩者可以形成很好地互補(bǔ)。下面將闡述兩種算法的具體原理,。

2.1波束形成算法原理

波束形成算法原理是根據(jù)傳聲器陣列中各陣元的位置以及接收到聲波時間的差異,，來確定聲源的位置。延時求和算法是穩(wěn)定的波束形成算法,，其基本原理如圖3所示,，以參考傳聲器為基準(zhǔn)，對陣列中其他傳聲器接收到的信號進(jìn)行延時操作,，補(bǔ)償接收到聲波的傳播延時,，使得所有傳聲器對于某期望位置上接收到的聲波在經(jīng)過延時后相位相同，接著對所有信號進(jìn)行加權(quán),、求和運(yùn)算,。經(jīng)過算法處理后,，期望位置上的聲信號會得到增強(qiáng)，進(jìn)而產(chǎn)生一個空間響應(yīng)極大值,，而其他位置上的信號則被減弱,，信號得到增強(qiáng)出現(xiàn)極大值的位置即為潛在聲源位置。

圖3 延時求和波束形成算法原理圖

傳統(tǒng)的波束形成技術(shù)是基于平面波假設(shè)發(fā)展起來的,。理想條件下,，聲源位于傳聲器陣列無窮遠(yuǎn)處時，其輻射出的聲波為平面波,。實際測量時,，當(dāng)聲源與傳聲器陣列之間的距離

，其中D為陣列孔徑,，λ為聲波波長,，此時聲源即被認(rèn)為是遠(yuǎn)場聲源,，傳聲器接收到的聲波可視為平面波,，如圖4所示。然而,，當(dāng)前可視化聲源定位的一個發(fā)展趨勢是使用大孔徑陣列近距離測量,，這樣可以獲得更多的聲源信息。例如,，在工廠車間等嘈雜環(huán)境對機(jī)器設(shè)備進(jìn)行故障診斷或降噪處理時,，在一定條件下應(yīng)該盡量減小測量距離，才能獲得比較高的信噪比,，更準(zhǔn)確地定位出噪聲源的位置,。這種情況下，聲源與傳聲器陣列之間的距離難以滿足遠(yuǎn)場條件,，若繼續(xù)沿用遠(yuǎn)場平面波模型,，會造成嚴(yán)重的波束性能損失，使得波束主瓣變寬,，旁瓣升高,，難以得到期望的波束輸出，因此有必要研究近場條件下的波束形成,。

圖4遠(yuǎn)場-近場模型轉(zhuǎn)換示意圖

在近場條件下,，聲源的方向及其與傳聲器之間的距離都需要納入模型的考慮范圍。當(dāng)聲源的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其所輻射聲波的波長時即可近似視為點聲源,，點聲源輻射產(chǎn)生的波為球面波,，球面波的聲壓表達(dá)式考慮了聲波的傳播距離與幅值的關(guān)系。在近場條件下,，使用更為精確的球面波模型能夠更準(zhǔn)確地反映聲波傳播的實際情況,。實際測量中,，一般采用如圖4所示的條件進(jìn)行遠(yuǎn)近場模型轉(zhuǎn)換，近場球面波模型和遠(yuǎn)場平面波模型的主要區(qū)別是聲波到達(dá)各傳聲器的時間差的計算方法不同,，而波束形成的原理基本一致,。

NTS.LAB聲學(xué)相機(jī)模塊的波束形成算法兼顧遠(yuǎn)場和近場兩種測量情況，軟件可根據(jù)所設(shè)置的分析類型自動生成波束形成算法模型,，實時高效計算出精確的聲源定位結(jié)果,。

2.2聲全息算法原理

相比波束形成，聲全息在中低頻具有較好的定位分辨率,，它通常在噪聲源近場進(jìn)行測量,，并借助聲場空間變換算法，反演出噪聲源表面和聲場中的聲壓,、質(zhì)點振速等聲學(xué)信息,，從而形成直觀的聲學(xué)圖像；由于近場測量數(shù)據(jù)中包含了豐富的倏逝波成分,，聲全息成像分辨率可達(dá)到所分析聲波波長的幾十分之一,，從而可以準(zhǔn)確地實現(xiàn)噪聲源位置定位和強(qiáng)度量化。自聲全息技術(shù)提出以來,，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)展出了空間Fourier變換法,、逆邊界元法、Helmholtz方程最小二乘（HELS）法,、統(tǒng)計法,、等效源法等多種聲全息算法。其中基于等效源法的聲全息適用于任意形狀聲源,、原理簡明,、算法高效，因此得到了廣泛研究和應(yīng)用,。

等效源法的主要思想是：振動體產(chǎn)生的聲場可以由置于該振動體內(nèi)部的一系列等效源產(chǎn)生的聲場疊加代替,，而這些等效源的源強(qiáng)可以通過匹配振動體表面的法向振速或者聲場中的全息面聲壓得到。

圖5 等效源聲全息方法原理示意圖

如圖5所示,，等效源聲全息方法具體實施步驟如下：

(1) 將全息面（或稱測量面）各點聲壓放置成一個列向量

將放置在聲源內(nèi)部的各等效源的待求源強(qiáng)放置成一個列向量

根據(jù)等效源法思想,，可知全息面聲壓與等效源強(qiáng)之間的關(guān)系為

其中，為傳遞函數(shù),，具體表達(dá)式為

基于關(guān)系式(5),，可建立全息面聲壓列向量與等效源強(qiáng)列向量之間的傳遞關(guān)系

其中，G為傳遞函數(shù)組成的M×N的傳遞矩陣,。

(2) 對公式(5)求逆,，并在求逆過程中采用Tikhonov正則化方法，可求得等效源強(qiáng)為

(3) 利用求得的等效源強(qiáng),，可計算出重建面上的聲壓和法向振速

在此需要說明的是由于對公式(6)求逆是個病態(tài)問題,，即輸入量中的噪聲會在求逆過程中被急劇放大,，嚴(yán)重影響重建結(jié)果的精度，而Tikhonov正則化方法的應(yīng)用可有效抑制噪聲被放大,，其中Tikhonov正則化方法中的參數(shù)建議通過L曲線法自動化選取,。

NTS.LAB聲學(xué)相機(jī)模塊采用基于等效源法的近場聲全息技術(shù)，可對任意形狀的聲源進(jìn)行成像,，同時具備物理原理清晰簡明,、計算準(zhǔn)確高效的優(yōu)勢。

3.便攜式聲源定位系統(tǒng)設(shè)計

3.1系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本公司以FPGA開發(fā)板為中心,，輔以傳聲器陣列,、攝像頭、SDRAM,、顯示屏等外圍器件組成便攜式聲源定位系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),，通過FPGA開發(fā)實現(xiàn)系統(tǒng)的各項功能。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖6所示,，在規(guī)劃時分為兩大部分,，即聲源定位算法的實現(xiàn)和聲源定位結(jié)果可視化圖像處理的實現(xiàn)。

圖6 便攜式聲源定位系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

首先為聲源定位算法的實現(xiàn),，以波束形成算法為例,，該部分可以分為聲陣列信號采集,、延時求和波束形成算法實現(xiàn),、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。首先通過數(shù)值仿真選取合適的陣列布局,，然后實現(xiàn)MEMS傳聲器與FPGA的通信,，進(jìn)而完成傳聲器陣列聲信號采集；接著搭建延時求和算法實現(xiàn)模塊,，對傳聲器陣列采集到的聲信號進(jìn)行波束形成算法處理,；最后編寫以太網(wǎng)傳輸模塊，該模塊可以與聲信號采集模塊,、延時求和算法實現(xiàn)模塊進(jìn)行交互,，將采集到的聲信號和波束形成計算結(jié)果傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備，方便后續(xù)處理和使用,。

第二部分為聲源定位結(jié)果可視化圖像處理的實現(xiàn),，該部分可以分為聲學(xué)圖像處理、可見光圖像采集與緩存,、聲光圖像融合與顯示,。首先將當(dāng)前部分處理得到的波束形成計算結(jié)果進(jìn)行灰度量化、偽彩圖變換和圖像縮放處理,，形成分辨率合適的聲學(xué)云圖,，完成聲學(xué)圖像的處理,；與此同時，對攝像頭進(jìn)行初始化配置并接收其發(fā)送的圖像數(shù)據(jù),，然后將接收到的圖像輸入SDRAM進(jìn)行緩存,；最后將SDRAM中存儲的可見光圖像讀出，與處理好的聲學(xué)圖像進(jìn)行疊加融合,，在顯示屏上展示出聲光融合圖像,。

3.2系統(tǒng)各模塊設(shè)計方案

（1）傳聲器陣列陣型設(shè)計

聲源定位效果除了被后處理算法限制，很大程度也受到傳聲器陣列結(jié)構(gòu)的影響,。按照陣列的幾何分布形式劃分,，常用的傳聲器陣列形式有十字陣列、網(wǎng)格陣列,、環(huán)形陣列,、螺旋形陣列等。為分析不同陣型的傳聲器陣列對聲源定位效果的影響,，對上述幾種常用陣列進(jìn)行延時求和波束形成算法的數(shù)值仿真,。陣列形式如圖7所示。為了便于對比分析,，統(tǒng)一設(shè)置測量距離為0.1m,，陣列孔徑為0.32m，陣元最小間距為0.04m,，聲源分析頻率為3500Hz,。在這些條件的設(shè)置下，布置十字陣列需要17個傳聲器,，網(wǎng)格陣列需要81個,，環(huán)形陣列需要25個，螺旋陣列需要32個,。

圖8展示了各陣列形式下的聲源定位效果,。從聲源定位的效果來看，十字陣列的旁瓣較多,，當(dāng)聲源位置遠(yuǎn)離軸線時,，旁瓣干擾更加嚴(yán)重；網(wǎng)格陣列的定位效果較好,，主瓣寬度小,，旁瓣級低，分辨率和抗干擾性優(yōu)秀,；環(huán)形陣列的定位效果優(yōu)于十字陣列,，但是難以勝任雙聲源的定位工作；螺旋陣列定位效果基本與網(wǎng)格陣列相當(dāng),，并且其所需要的傳聲器數(shù)量遠(yuǎn)低于網(wǎng)格陣列,，更加適合實際測量使用,，因此本公司選用該陣型來布置傳聲器陣列。

圖7 陣列形式

圖8 定位效果,，圖中“+”代表聲源真實位置

（2）聲源定位算法實現(xiàn)

算法后處理是聲源定位的關(guān)鍵過程,，下面以波束形成算法為例來描述算法實現(xiàn)過程。延時求和波束形成算法的思想是以參考傳聲器為基準(zhǔn),，對陣列中其他傳聲器接收到的信號進(jìn)行延時操作,，使得各通道的信號相位一致，再對所有信號進(jìn)行求和運(yùn)算,。根據(jù)FPGA的設(shè)計思想對延時求和算法進(jìn)行數(shù)字邏輯轉(zhuǎn)換和RTL(Register Transfer Level)實現(xiàn),，可以將算法實現(xiàn)模塊進(jìn)一步劃分為三個子模塊，即坐標(biāo)存儲模塊,、延時參數(shù)生成模塊以及延時求和計算模塊,，模塊的結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 延時求和波束形成算法實現(xiàn)模塊結(jié)構(gòu)

（3）可視化實現(xiàn)

下面詳細(xì)闡述在單獨的FPGA平臺上實現(xiàn)聲源定位結(jié)果可視化處理的完整過程,，主要內(nèi)容包括：設(shè)計聲學(xué)圖像處理模塊,，將定位結(jié)果轉(zhuǎn)化為聲學(xué)云圖；編寫可見光圖像采集與緩存模塊,，獲取測試目標(biāo)的可見光圖像,；設(shè)計圖像融合模塊，將聲學(xué)圖像與可見光圖像進(jìn)行疊加融合,；編寫顯示驅(qū)動模塊,，驅(qū)動顯示屏展示出聲光融合圖像。

聲學(xué)圖像的處理過程是將定位算法計算得到的聲音強(qiáng)度數(shù)值量化為灰度值,，接著進(jìn)行偽彩色處理和圖像縮放,，得到以色彩表征聲音強(qiáng)度的偽彩色聲學(xué)云圖。聲學(xué)圖像處理模塊可以進(jìn)一步劃分為灰度量化模塊,、偽彩色處理模塊和圖像縮放模塊，模塊的結(jié)構(gòu)如圖10所示,。

圖10 聲學(xué)圖像處理模塊

4.       便攜式聲源定位系統(tǒng)的實驗定位效果

為了檢驗所開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行可視化處理的效果以及系統(tǒng)的整體功能,，開展了實驗驗證。

首先是基本性能測試,，使用音箱作為目標(biāo)聲源,，控制單個音箱發(fā)出單頻音和白噪聲，測試結(jié)果如圖11所示,，圖11(a)為3000Hz單頻音定位結(jié)果,，圖11(b)為白噪聲定位結(jié)果，可以看到顯示屏中發(fā)聲的音箱上出現(xiàn)了明顯的彩色云圖,。

圖11 單音箱定位結(jié)果

接著控制一對音箱同時發(fā)出單頻音和白噪聲,，測試結(jié)果如圖12所示,，圖12(a)為3000 Hz單頻音定位結(jié)果，圖12(b)為白噪聲定位結(jié)果,，彩色云圖準(zhǔn)確顯示出發(fā)聲位置,。

圖12 雙音箱定位結(jié)果

隨后進(jìn)一步進(jìn)行生活化場景的測試，控制音箱播放音樂,，測試結(jié)果如圖13所示,，圖13(a)為右側(cè)音箱發(fā)聲的定位結(jié)果，圖13(b)為兩個音箱同時發(fā)聲的定位結(jié)果,，從顯示屏中可以明顯看出音箱是否發(fā)出聲音,。

圖13 音箱播放音樂時的定位結(jié)果

接下來將工作中的小風(fēng)扇和播放音樂的手機(jī)作為目標(biāo)聲源。如圖14(a)所示,，系統(tǒng)準(zhǔn)確定位出小風(fēng)扇的葉片位置處為聲源,。如圖14(b)所示，手機(jī)尾部的揚(yáng)聲器位置處出現(xiàn)明顯彩色云圖,，直接指示出聲源的位置,。

圖14 實際聲源定位結(jié)果

5.結(jié)論

針對現(xiàn)有聲源定位系統(tǒng)存在的體積大、成本高,、實時性差的問題,，漢航公司開發(fā)了兩種類型的聲學(xué)成像系統(tǒng)：一款為精密陣列式（平面陣列和球陣列）聲學(xué)相機(jī)NTS.LAB ACM, 一款為MEMS手持式聲學(xué)相機(jī)NTS.LAB ACP，該系統(tǒng)具有以下特點：

（1） NTS.LAB聲學(xué)相機(jī)模塊的波束形成算法兼顧遠(yuǎn)場和近場兩種測量情況,，軟件可根據(jù)所設(shè)置的分析類型自動生成波束形成算法模型,，實時高效計算出精確的聲源定位結(jié)果。

（2） NTS.LAB聲學(xué)相機(jī)模塊采用基于等效源法的近場聲全息技術(shù),，可對任意形狀的聲源進(jìn)行成像,，同時具備物理原理清晰簡明、計算準(zhǔn)確高效的優(yōu)勢,。

（3） 采用數(shù)字式MEMS傳聲器作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備的漢航手持式聲學(xué)相機(jī)NTS.LAB ACP,，以FPGA作為數(shù)據(jù)計算處理平臺的便攜式聲源定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有精度高,、體積小,、成本低、實時性好等優(yōu)點,，具有較高的實際意義和應(yīng)用價值,。

6.部分工業(yè)應(yīng)用：

1)                      飛機(jī)的飛越、汽車通過,、高鐵駛過成像和噪聲源定位,。

2)                      探測并并精確定位記錄車內(nèi)或機(jī)艙等封閉空間內(nèi)異響（BSR）。

3)                      適用于各種產(chǎn)業(yè)的研發(fā)、質(zhì)保和排障,，例如：車輛,、家電NVH性能優(yōu)化，汽車,、家電,、機(jī)床、注塑機(jī),、發(fā)電機(jī)組,、風(fēng)電等設(shè)備噪聲源定位。

4)                      位置或軌跡跟蹤定位：如低空無人機(jī)預(yù)警,、炮彈落點定位,、爆炸定位、軌跡跟蹤定位,、水下目標(biāo)定位,、邊防警戒定位等。

5)                      高頻聲泄漏探測,、石油化工管道漏氣位置定位,。

6)                      光伏制造：用于熱排、酸堿排的負(fù)壓泄漏檢測,。

7)                      風(fēng)力葉片制造：用于葉片真空灌注成型工藝的負(fù)壓泄漏檢測,，避免浸潤不充分導(dǎo)致的葉片斷裂和變形。

8)                      電力行業(yè)：架空輸電線路：使用聲學(xué)成像儀可以檢測輸電線路上的絕緣子,、金具,、接頭等部件是否存在局部放電。變壓器：通過使用聲學(xué)相機(jī),，可以檢測變壓器內(nèi)外部是否存在油氣,、油紙、瓷套等絕緣材料的老化或損壞導(dǎo)致的局部放電,。這對于保障變壓器的正常運(yùn)行非常重要,，可預(yù)防潛在的故障。開關(guān)柜：聲學(xué)相機(jī)可以檢測開關(guān)柜內(nèi)外部是否存在灰塵,、潮濕,、裂紋等因素引起的局部放電。這些因素都可能導(dǎo)致開關(guān)柜的運(yùn)行故障,，因此及時的檢測和預(yù)防是十分必要的。電抗器：通過聲學(xué)相機(jī)可以檢測電抗器內(nèi)外部是否存在異響或振動導(dǎo)致的機(jī)械故障或絕緣缺陷,。