聲學(xué)全息術(shù)是一種將噪聲映射為聲強分布并定位噪聲源的技術(shù)。它使用麥克風(fēng)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。本文說明靈活的模塊化儀器設(shè)備將繼續(xù)憑借強大的PC功能實現(xiàn)高精度的噪聲測量，并通過更小的封裝滿足更高取樣速率、更多通道數(shù)量、更寬動態(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。通過使用多通道數(shù)量的噪聲映射系統(tǒng)，他們能夠檢測到超強噪聲的來源點，進(jìn)而加以校正。同樣的原理也應(yīng)用于地震檢測和水下戰(zhàn)爭所需的水下聲學(xué)陣列。 目前的典型系統(tǒng)能夠使用64到128個通道甚至更多。汽車制造商想要價格更低的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)系就可以定位較強的噪聲源。
飛機(jī)通過噪聲測量
對于新型飛機(jī)來說，環(huán)境問題非常重要，航空公司希望避免支付由于超過機(jī)場規(guī)定的噪聲極限而發(fā)生的費用。許多機(jī)場愿意為消音飛機(jī)留出更多或最佳的停機(jī)位置。 過去數(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)場和降落過程中機(jī)身已經(jīng)成為主要的噪聲源。在飛機(jī)通過噪聲測試中可以使用波束成形技術(shù)測量和區(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)分這兩個噪聲源。該信息可以用于設(shè)計或操作更改。 客機(jī)的機(jī)身噪聲最高可達(dá)6kHz。在物理測試中，不同尺寸的比例模型被用于建模的驗證，有時比例可達(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200kS/s。基于上述原因，二大飛機(jī)制造廠在飛機(jī)通過噪聲測試中選用了采用VME技術(shù)的MKII，因為該儀器具有很大的靈活性和可升級性，并且通道數(shù)量多。該模塊有4個輸入通道，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130dB的動態(tài)范圍，從而確保開展精確聲音測量的工程師獲得很高的測量精度。 每個MKII機(jī)箱可最多容納128個通道，可以將多達(dá)10套機(jī)箱串聯(lián)同步使用，以滿足更高通道書的要求。通過噪聲測試一般要求使用低靈敏度的麥克風(fēng)(4mV/Pa)，測量聲壓范圍大約是50dB到170dB，因此24位ADC的動態(tài)范圍非常重要。MKII還包含了用于麥克風(fēng)和加速計的反折疊保護(hù)和集成電子壓電(IEPE)調(diào)節(jié)功能，可降低所需的信號調(diào)節(jié)成本。 在通過性測試中所有通道要求嚴(yán)格同步。在典型的飛機(jī)測試中，每隔幾分鐘就有一架飛機(jī)經(jīng)過麥克風(fēng)陣列，記錄時間為16秒，如圖2所示。在下一架飛機(jī)通過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MKII平臺的另外一個例子中，飛機(jī)制造商同時對320個通道進(jìn)行取樣。他們使用帶多個機(jī)箱的系統(tǒng)，每個基座之間的距離可以超過200m。VME可以保證所有模塊之間的嚴(yán)格同步。 在這個特定應(yīng)用中，MKII可以將以前較低分辨率、價格較高系統(tǒng)中50多公里的麥克風(fēng)線纜長度縮短到5公里。今后還將把通道數(shù)量從320個增加到1000個。在該架構(gòu)中，由主基座控制時序和觸發(fā)，從基座分配時鐘、控制本地數(shù)據(jù)捕獲并將數(shù)據(jù)存儲到磁盤。中央CPU用作主要的數(shù)據(jù)存儲(在以太網(wǎng)上移動數(shù)據(jù))和分析引擎。
高強度聲學(xué)測試設(shè)備的控制和測量
在航空測試應(yīng)用中的另外一個使用VME的例子中，高強度聲學(xué)測試設(shè)備最近在某國航空研究院正式開放。MKII數(shù)據(jù)捕獲模塊用于控制聲學(xué)室，并接收來自被測衛(wèi)星的192通道動態(tài)數(shù)據(jù)。 在這種裝置中對太空船進(jìn)行測試以驗證它們在包括美國、中國、印度、俄國和歐洲在內(nèi)的各種運載火箭的高強度聲學(xué)環(huán)境中的可靠性。來自引擎排氣裝置的很大噪聲可能會造成負(fù)載和運載火箭的疲勞性損壞。例如，在聲學(xué)環(huán)境測試中用于KOMPSAT2的太陽能電池會被145dB的聲音毀壞。因此需要對聲學(xué)室的聲音頻譜加以控制以保持與所用運載火箭的一致性。 用于衛(wèi)星測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)、震動控制系統(tǒng)和多通道數(shù)量動態(tài)信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。為了在聲學(xué)室產(chǎn)生高強度聲音，一般采用帶氣態(tài)氮發(fā)生器的聲學(xué)調(diào)制器(基本上是大型號角)。 該系統(tǒng)由一個用于數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)程序構(gòu)成，主要用來產(chǎn)生被測衛(wèi)星所在的運載火箭的聲音特性。二個模擬輸出通道控制二個聲學(xué)調(diào)制器，而這二個聲學(xué)調(diào)制器會控制流進(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。這里使用了八個麥克風(fēng)測量聲學(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，并通過自動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可以在被實時監(jiān)視的16個通道的每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。如圖6所示。由于測試運行費用比較高，液態(tài)氮的可用數(shù)量又比較有限，因此建立一個可靠的測試系統(tǒng)非常重要。為了連續(xù)地進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和信號發(fā)生，可以在NI-DAQ驅(qū)動軟件中內(nèi)置雙緩沖技術(shù)。為了執(zhí)行多個任務(wù)并確保相互間不受影響，在沒有復(fù)雜操作系統(tǒng)條件下可以使用NI公司的LabWindows CVI提供的四個不同線程和線程安全排隊(TSQ)功能來增加可靠性。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，獲得145dB的總SPL就可以認(rèn)定被則多用途衛(wèi)星合格。第二階段的升級程序可以發(fā)揮152dB的全部性能。
聲全息常用算法
1) 常規(guī)聲全息
在常規(guī)聲全息中，因為受到自身實用條件的限制，根據(jù)全息測量面重建的圖像受制于聲波的波長。它只能記錄空間波數(shù)小于等于2π/λ的傳播波成分，而且其全息測量面只能正對從聲源出來的一個小立體角。因此，當(dāng)聲源輻射場具有方向性時，可能丟失聲源的重要信息。并且通過聲壓記錄得到的全息圖，只能用于重建聲壓場，而不能得到振速、聲強等物理量。
2) 遠(yuǎn)場聲全息
遠(yuǎn)場聲全息是通過測量離聲源較遠(yuǎn)(d>>λ)的聲壓場來重建表面聲壓及振速場，由此預(yù)報輻射源外任意一點的聲壓場、振速場和聲強矢量場，由于觀測點離聲源較遠(yuǎn)，記錄不到倏逝波成份，因此分辨率受波長的限制，不適合于高分辨率的場合，但可以對火車或汽車等尺寸較大的物體進(jìn)行噪聲識別，楊殿閣等[13，14]利用遠(yuǎn)場聲全息方法對汽車噪聲的聲源識別進(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，且通過掃描方式獲得全息數(shù)據(jù)，測量工作比較費時，效率較低。
3) 近場聲全息(NAH)
近場聲全息是在緊靠被測聲源物理表面的測量面(d<<λ)記錄全息數(shù)據(jù)，然后通過變換技術(shù)重建三維空間聲壓場、振速場、聲強矢量場，并能預(yù)報遠(yuǎn)場指向性。由于是近場測量，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。由于它含有振動體細(xì)節(jié)信息，所以理論上可獲得不受波長限制的高分辨率圖像，測量覆蓋了從聲源出來的一個大的方位角，有指向性的聲源能夠被不失信息地檢測出來。 比較上面三種聲全息技術(shù)，NAH實用面最廣，分辨率最高，可操作性最強，所以近些年來，國內(nèi)外對NAH研究相當(dāng)活躍。下面介紹一下NAH的原理及常用算法。
圖3：在典型的飛機(jī)測試中，<BR>每隔幾分鐘就有一架飛機(jī)經(jīng)過<BR>麥克風(fēng)陣列，記錄時間為16秒。
圖6：程序的GUI可以在被實時監(jiān)視的八個通道的每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。