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(duì)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(cè)量來(lái)定位聲源已逐漸成為市場(chǎng)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(cè)量傳聲器構(gòu)成傳聲器陣列采集聲信號(hào)。測(cè)量傳聲器的輸出為模擬量，測(cè)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(hào)的采集工作。單個(gè)測(cè)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(gè)聲源定位系統(tǒng)的便攜性大打折扣。與此同時(shí)，測(cè)量傳聲器與數(shù)據(jù)采集儀高昂的價(jià)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(jì)算機(jī)或工控機(jī)作為聲源定位算法的運(yùn)行平臺(tái)。這樣的系統(tǒng)硬件平臺(tái)雖然可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜和高級(jí)的聲源定位算法，但是由于算法在計(jì)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(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(jì)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(jì)算處理平臺(tái)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(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)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(cè)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(shí)間的差異，來(lái)確定聲源的位置。延時(shí)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(duì)陣列中其他傳聲器接收到的信號(hào)進(jìn)行延時(shí)操作，補(bǔ)償接收到聲波的傳播延時(shí)，使得所有傳聲器對(duì)于某期望位置上接收到的聲波在經(jīng)過(guò)延時(shí)后相位相同，接著對(duì)所有信號(hào)進(jìn)行加權(quán)、求和運(yùn)算。經(jīng)過(guò)算法處理后，期望位置上的聲信號(hào)會(huì)得到增強(qiáng)，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)空間響應(yīng)極大值，而其他位置上的信號(hào)則被減弱，信號(hào)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(shí)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(lái)的。理想條件下，聲源位于傳聲器陣列無(wú)窮遠(yuǎn)處時(shí)，其輻射出的聲波為平面波。實(shí)際測(cè)量時(shí)，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(zhǎng)，此時(shí)聲源即被認(rèn)為是遠(yuǎn)場(chǎng)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(gè)發(fā)展趨勢(shì)是使用大孔徑陣列近距離測(cè)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(duì)機(jī)器設(shè)備進(jìn)行故障診斷或降噪處理時(shí)，在一定條件下應(yīng)該盡量減小測(cè)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(chǎng)條件，若繼續(xù)沿用遠(yuǎn)場(chǎng)平面波模型，會(huì)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(chǎng)條件下的波束形成。

圖4遠(yuǎn)場(chǎng)-近場(chǎng)模型轉(zhuǎn)換示意圖

在近場(chǎng)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(zhǎng)時(shí)即可近似視為點(diǎn)聲源，點(diǎn)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(chǎng)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(shí)際情況。實(shí)際測(cè)量中，一般采用如圖4所示的條件進(jìn)行遠(yuǎn)近場(chǎng)模型轉(zhuǎn)換，近場(chǎng)球面波模型和遠(yuǎn)場(chǎng)平面波模型的主要區(qū)別是聲波到達(dá)各傳聲器的時(shí)間差的計(jì)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(chǎng)和近場(chǎng)兩種測(cè)量情況，軟件可根據(jù)所設(shè)置的分析類型自動(dòng)生成波束形成算法模型，實(shí)時(shí)高效計(jì)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(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，并借助聲場(chǎng)空間變換算法，反演出噪聲源表面和聲場(chǎng)中的聲壓、質(zhì)點(diǎn)振速等聲學(xué)信息，從而形成直觀的聲學(xué)圖像；由于近場(chǎng)測(cè)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(zhǎng)的幾十分之一，從而可以準(zhǔn)確地實(shí)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(lái)，國(guó)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(jì)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(jiǎn)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(dòng)體產(chǎn)生的聲場(chǎng)可以由置于該振動(dòng)體內(nèi)部的一系列等效源產(chǎn)生的聲場(chǎng)疊加代替，而這些等效源的源強(qiáng)可以通過(guò)匹配振動(dòng)體表面的法向振速或者聲場(chǎng)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(shí)施步驟如下：

(1) 將全息面（或稱測(cè)量面）各點(diǎn)聲壓放置成一個(gè)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(gè)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(duì)公式(5)求逆，并在求逆過(guò)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(jì)算出重建面上的聲壓和法向振速

在此需要說(shuō)明的是由于對(duì)公式(6)求逆是個(gè)病態(tài)問(wèn)題，即輸入量中的噪聲會(huì)在求逆過(guò)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(guò)L曲線法自動(dòng)化選取。

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

3.便攜式聲源定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(guò)FPGA開發(fā)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖6所示，在規(guī)劃時(shí)分為兩大部分，即聲源定位算法的實(shí)現(xiàn)和聲源定位結(jié)果可視化圖像處理的實(shí)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(shí)現(xiàn)，以波束形成算法為例，該部分可以分為聲陣列信號(hào)采集、延時(shí)求和波束形成算法實(shí)現(xiàn)、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。首先通過(guò)數(shù)值仿真選取合適的陣列布局，然后實(shí)現(xiàn)MEMS傳聲器與FPGA的通信，進(jìn)而完成傳聲器陣列聲信號(hào)采集；接著搭建延時(shí)求和算法實(shí)現(xiàn)模塊，對(duì)傳聲器陣列采集到的聲信號(hào)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(hào)采集模塊、延時(shí)求和算法實(shí)現(xiàn)模塊進(jìn)行交互，將采集到的聲信號(hào)和波束形成計(jì)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(shí)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(jì)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(shí)，對(duì)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(chǔ)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(jì)方案

（1）傳聲器陣列陣型設(shè)計(jì)

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(duì)聲源定位效果的影響，對(duì)上述幾種常用陣列進(jìn)行延時(shí)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(duì)比分析，統(tǒng)一設(shè)置測(cè)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(gè)傳聲器，網(wǎng)格陣列需要81個(gè)，環(huán)形陣列需要25個(gè)，螺旋陣列需要32個(gè)。

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(lái)看，十字陣列的旁瓣較多，當(dāng)聲源位置遠(yuǎn)離軸線時(shí)，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(jí)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(shí)際測(cè)量使用，因此本公司選用該陣型來(lái)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(shí)位置

（2）聲源定位算法實(shí)現(xiàn)

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

圖9 延時(shí)求和波束形成算法實(shí)現(xiàn)模塊結(jié)構(gòu)

（3）可視化實(shí)現(xiàn)

下面詳細(xì)闡述在單獨(dú)的FPGA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)聲源定位結(jié)果可視化處理的完整過(guò)程，主要內(nèi)容包括：設(shè)計(jì)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(cè)試目標(biāo)的可見光圖像；設(shè)計(jì)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(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)顯示屏展示出聲光融合圖像。

聲學(xué)圖像的處理過(guò)程是將定位算法計(jì)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(shí)驗(yàn)定位效果

為了檢驗(yàn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

首先是基本性能測(cè)試，使用音箱作為目標(biāo)聲源，控制單個(gè)音箱發(fā)出單頻音和白噪聲，測(cè)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(duì)音箱同時(shí)發(fā)出單頻音和白噪聲，測(cè)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(chǎng)景的測(cè)試，控制音箱播放音樂(lè)，測(cè)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(gè)音箱同時(shí)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(lè)時(shí)的定位結(jié)果

接下來(lái)將工作中的小風(fēng)扇和播放音樂(lè)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(shí)際聲源定位結(jié)果

5.結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有聲源定位系統(tǒng)存在的體積大、成本高、實(shí)時(shí)性差的問(wèn)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(diǎn)：

（1） NTS.LAB聲學(xué)相機(jī)模塊的波束形成算法兼顧遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)兩種測(cè)量情況，軟件可根據(jù)所設(shè)置的分析類型自動(dòng)生成波束形成算法模型，實(shí)時(shí)高效計(jì)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(chǎng)聲全息技術(shù)，可對(duì)任意形狀的聲源進(jìn)行成像，同時(shí)具備物理原理清晰簡(jiǎn)明、計(jì)算準(zhǔn)確高效的優(yōu)勢(shì)。

（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(jì)算處理平臺(tái)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(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

6.部分工業(yè)應(yīng)用：

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

2)                      探測(cè)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(wú)人機(jī)預(yù)警、炮彈落點(diǎn)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(cè)、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(cè)。

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(cè)，避免浸潤(rùn)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(cè)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(guò)使用聲學(xué)相機(jī)，可以檢測(cè)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(duì)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(cè)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(shí)的檢測(cè)和預(yù)防是十分必要的。電抗器：通過(guò)聲學(xué)相機(jī)可以檢測(cè)電抗器內(nèi)外部是否存在異響或振動(dòng)導(dǎo)致的機(jī)械故障或絕緣缺陷。