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王博聊聲學(xué) | 閑聊HBK噪聲源識(shí)別系統(tǒng)的發(fā)展史

2021-10-13 12:50:30·  來源：BK聲學(xué)與振動(dòng)  
　
王 博 說對于工業(yè)界的振動(dòng)噪聲問題，往往最困擾工程師的問題是噪聲是從哪兒來的？這一難題不僅激勵(lì)著科研人員在技術(shù)方法上不斷地深入探索，也催生了各種各樣的商
王 博 說

對于工業(yè)界的振動(dòng)噪聲問題，往往最困擾工程師的問題是——噪聲是從哪兒來的？

這一難題不僅激勵(lì)著科研人員在技術(shù)方法上不斷地深入探索，也催生了各種各樣的商業(yè)化系統(tǒng)試圖解決這一實(shí)際工程問題。

今天，我們簡要回顧HBK在這一領(lǐng)域的發(fā)展歷程，向各位看官展示我們引以為傲的技術(shù)與產(chǎn)品，并與大家探討未來的發(fā)展方向。

王博聊聲學(xué)

01、上世紀(jì)80年代

上世紀(jì)80年代，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的E. G. Williams、J. D. Maynard和E. Skudrzyk等建立了近場聲全息理論（Nearfield Acoustic Holography, NAH），這是一種有效識(shí)別低頻噪聲源的方法。它基于空間Fourier變換原理（Spatial Transformation of SoundField, STSF），通過采集規(guī)則面上均勻網(wǎng)格點(diǎn)的聲場信息，變換到波數(shù)域進(jìn)行聲場遞推，再反變換得到聲源面的聲壓、聲強(qiáng)或質(zhì)點(diǎn)振速分布。

我們在80年代后期，推出了基于STSF的噪聲源識(shí)別系統(tǒng)，這是世界上第一套商業(yè)化聲全息系統(tǒng)。這套系統(tǒng)的秘籍在于多參考的互譜測量，即在聲源附近設(shè)置多個(gè)參考傳感器，其數(shù)目大于等于潛在的聲源數(shù)目，通過掃描測量獲得測量點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的互譜，提取代表聲場信息的主成分，再進(jìn)行NAH空間變換，如圖1。這非常適用于實(shí)際中存在的多個(gè)不相干的聲源情況，但同時(shí)局限于穩(wěn)態(tài)工況。
圖1
那么對非穩(wěn)態(tài)的聲源如何進(jìn)行聲全息成像呢？例如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的升降速，越來越嚴(yán)格的法規(guī)驅(qū)使汽車制造商努力減少外部輻射噪聲。在1993-1996年，歐洲Brite-Euram研究性項(xiàng)目PIANO提出利用新方法對重型汽車的通過噪聲進(jìn)行更快、更廉價(jià)且更準(zhǔn)確地測試。在此背景下，我們開發(fā)了一套基于全新時(shí)域聲全息（Time Domain Holography, TDH）的系統(tǒng)，成功應(yīng)用于此項(xiàng)目的聲場評估。該系統(tǒng)能夠告訴我們噪聲是從哪里輻射的，什么時(shí)候輻射的，但它要求所有測點(diǎn)必須同時(shí)測量，如圖2，這意味著需要大通道系統(tǒng)，這在當(dāng)時(shí)對硬件性能和成本都提出了巨大挑戰(zhàn)。
圖2
可見，早期的系統(tǒng)對硬件的要求很高，測試也非常麻煩。STSF方法雖然能夠有效識(shí)別聲源位置，但要求陣列面是規(guī)則的平面、圓柱面或球面，傳聲器必須是均勻等間隔分布。聲源的面積越大，陣列的尺寸則要求越大，通常陣列面不僅要覆蓋整個(gè)聲源面，還要外延45°張角，如圖3(a)。如果聲源的頻率越高，傳聲器的間距則要求越小，通常要小于最高頻率的半個(gè)波長，如圖3(b)，如果,那么最高頻率約為1500Hz。可以想象，做一次試驗(yàn)需要至少上百個(gè)測量點(diǎn)。這在當(dāng)時(shí)，也只有土豪才能買得起這樣的系統(tǒng)。
圖3
 
02、進(jìn)入2000年

一眨眼千禧年到來了，我們的噪聲源識(shí)別系統(tǒng)也進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。為了拓展上限頻率，我們引入波束形成（Beamforming）方法。這是一種針對中高頻聲源、中遠(yuǎn)距離測量的方法，通過估計(jì)陣列前方來自不同入射方向平面波（或球面波）的幅值，來估計(jì)聲源的方位。與STSF方法相比，波束形成不要求聲陣列的尺寸大于聲源面，另外傳聲器的分布是隨機(jī)的，這樣使用較少的傳聲器也能在很高的頻率下獲得可接受的空間混疊效應(yīng)，直白地說，就是使用較少的傳聲器就能獲得很高頻率的聲源分布。

波束形成的成像效果很大程度上由聲陣列的設(shè)計(jì)決定。為了更大程度地降低最大旁瓣級(jí)（即聲源云圖上出現(xiàn)的虛假鬼影），我們優(yōu)化了陣列設(shè)計(jì)算法，使得在給定的頻率范圍內(nèi)能夠有效降低最大旁瓣級(jí)。2002年我們推出的輪形陣列就是依據(jù)此算法設(shè)計(jì)的。圖4是用于高鐵移動(dòng)聲源波束形成的輪形陣列，直徑為4m，共78個(gè)通道。每一條輪輻上安裝6個(gè)傳聲器，用一根線纜連接到采集模塊陣列面板的一個(gè)LEMO接頭上，這一個(gè)LEMO接頭就代表6個(gè)輸入通道，這樣極大簡化了線纜布置，有利于通道檢測和傳感器校準(zhǔn)。
圖4
 
03、2005年的必殺技

到這里不知各位看官發(fā)現(xiàn)沒有，STSF和波束形成就是一對矛盾體，一個(gè)針對低頻聲源，一個(gè)針對中高頻聲源；一個(gè)要求傳聲器均勻布置，一個(gè)要求隨機(jī)布置；一個(gè)要求近場測量，一個(gè)要求遠(yuǎn)場測量；一個(gè)要求聲陣列大于聲源面，一個(gè)則可以小于聲源面。對于實(shí)際工程問題怎么破？難道要背著兩套陣列去查找聲源？能否讓這兩個(gè)矛盾體化干戈為玉帛？

為了同時(shí)滿足全頻段的聲源識(shí)別，B&K于2005年使出了必殺技——統(tǒng)計(jì)最優(yōu)近場聲全息（Statistically Optimal NAH, SONAH）。這是一種完全在空間域進(jìn)行計(jì)算的方法，將空間聲場看作是平面波的疊加，利用傳聲器陣列數(shù)據(jù)的線性組合估計(jì)聲源分布。SONAH避免了STSF空間Fourier變換帶來的誤差（卷繞誤差和窗效應(yīng)）和對陣列的嚴(yán)格要求，不僅可以利用傳聲器隨機(jī)分布的陣列，也可以使用小尺寸的陣列，即低頻時(shí)陣列的尺寸可以顯著小于一個(gè)波長，成像精度和空間分辨率也明顯提高。

SONAH方法完美規(guī)避了STSF方法的限制，用同一個(gè)陣列，低頻時(shí)采用SONAH方法而對于中高頻聲源采用波束形成方法，這樣的組合我們稱為Combo陣列，如圖5。這樣，我們使用一套陣列系統(tǒng)，就可以實(shí)現(xiàn)全頻段的噪聲源識(shí)別。這在當(dāng)時(shí)屬于重大突破和創(chuàng)新，其理論思想至今都發(fā)揮著重要的影響。
圖5
 
04、2005年以后

Combo陣列推出后，市場反映熱烈，成為我們賣的最火的陣列產(chǎn)品。與此同時(shí)，我們也繼續(xù)發(fā)力，2006年手持式陣列進(jìn)行局部聲全息成像，2008年球形陣列用于封閉空間的360°成像，2009年汽車通過噪聲波束形成，2010年保形成像和聲品質(zhì)參數(shù)成像，2011年精細(xì)化波束形成和新的陣列設(shè)計(jì)，2012年高鐵移動(dòng)聲源波束形成和手持式陣列高級(jí)算法，2015年飛機(jī)飛越噪聲源識(shí)別，2019年風(fēng)洞測量的麥克風(fēng)互譜矩陣降噪方法等。

圖6
圖7
 
05、2015年再次祭出必殺技

最近10年是噪聲源識(shí)別技術(shù)最火的時(shí)期，標(biāo)志性的事件是壓縮感知（Compressive Sensing, CS）技術(shù)在這個(gè)領(lǐng)域的成功應(yīng)用。如果聲源在空間分布是稀疏的，或者空間聲場在某個(gè)基函數(shù)上的表達(dá)是稀疏的，那么我們就有可能通過較少的隨機(jī)測量點(diǎn)求解其空間分布。什么意思？就是今后我們可以用較少的傳聲器獲得比以前更高精度和更高頻率范圍的結(jié)果啦。還是沒明白？請查閱我們總部專家Jorgen Hald的文章Fastwideband acoustical holography，發(fā)表于J.Acoust. Soc. Am. 139 (4), April 2016。

我們于2015年提出了寬帶聲全息技術(shù)（Wideband Holography, WBH），就是基于壓縮感知理論。WBH將聲源模型建模為一系列離散的單極子點(diǎn)聲源，間距小于半個(gè)波長，并認(rèn)為真實(shí)聲源分布是稀疏的。不同于用L1范數(shù)最小化來約束稀疏性，WBH提出了用迭代方法不斷地移除與真實(shí)聲源相關(guān)的鬼影。其計(jì)算效率更高，計(jì)算時(shí)間縮短了約30倍。并且，支持大動(dòng)態(tài)范圍的聲源重建，即存在強(qiáng)聲源時(shí)也能夠準(zhǔn)確識(shí)別弱聲源，而不會(huì)出現(xiàn)計(jì)算數(shù)值不穩(wěn)定情況。

在此之前，我們使用圖5的Combo陣列進(jìn)行聲源識(shí)別時(shí)，需要近場測量一次，測量距離約為傳聲器的間距，進(jìn)行低頻SONAH計(jì)算；再遠(yuǎn)場測量一次，測量距離≤陣列直徑的0.7倍，進(jìn)行波束形成計(jì)算。有了這項(xiàng)技術(shù)，我們僅測量一次，測量距離一般大于傳聲器間距的2倍，小于陣列直徑的一半，就可實(shí)現(xiàn)全頻段的噪聲源識(shí)別，如圖8。這對于非穩(wěn)態(tài)工況、不易復(fù)現(xiàn)的工況或者做一次實(shí)驗(yàn)太燒錢的情況，具有重要的意義。
圖8
除了一次測量和一次計(jì)算就完成整個(gè)頻率范圍的聲成像外，WBH還有很多優(yōu)勢，例如：
  • 與延遲求和波束形成相比，能夠顯著降低旁瓣鬼影的影響
  • 與精細(xì)化波束形成相比，能夠很好地應(yīng)用于相干聲源
  • 在整個(gè)頻段都有很好的空間分辨率，低頻時(shí)類似于SONAH，高頻時(shí)類似精細(xì)化波束形成
  • 存在強(qiáng)噪聲源的情況下也可以很好地識(shí)別弱噪聲源
  • 在整個(gè)頻段都有很好的聲功率估計(jì)
近年來，方便攜帶、快速成像、實(shí)時(shí)顯示成為客戶的首要要求。為此，我們同年推出了聲學(xué)攝像機(jī)Acoustic Camera（圖9），它基于最新的BK Connect軟件平臺(tái)，滿足客戶所有的期待，成功吸引眾多用戶的興趣。
圖9
展望未來，隨著智能傳感、5G傳輸、大數(shù)據(jù)、人工智能等成功落地，今后的噪聲源識(shí)別系統(tǒng)會(huì)是怎樣的？歡迎小伙伴們積極留言，與我們共同探討未來發(fā)展之路。
參 考 文 獻(xiàn)

1. B&K Technical Review 1 – 1989, STSF — A Unique Technique for scan based Near-FieldAcoustic Holography without restrictions on coherence
2. B&K Technical Review 1 – 2000, Non-stationary STSF
3. B&K Technical Review 1 – 2005, Combined NAH and Beamforming Using the Same Array
4. B&K Technical Review 1 – 2015, Fast Wideband Acoustical Holography

您還可以通過如下方式聯(lián)系我們，了解更多產(chǎn)品與應(yīng)用詳情：
郵箱：cn.info@bksv.com
網(wǎng)址：www.bksv.cn
電話：400-900-3165（周一至周五9:00-18:00）
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