1前言

針對復雜的機械產品（例如汽車、飛機、重工和家電產品等），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術界最受歡迎的手段之一。雖然當前的聲源定位系統發展迅速，并且得到了較為廣泛的應用，但是仍然存在著一些不足之處。在數據采集方面，當前的聲源定位系統多采用測量傳聲器構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據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，專用的數據采集儀更是體積龐大，這使得整個聲源定位系統的便攜性大打折扣。與此同時，測量傳聲器與數據采集儀高昂的價格也進一步限制了聲源定位系統的發展與普及。在數據后處理方面，當前的聲源定位系統多采用計算機或工控機作為聲源定位算法的運行平臺。這樣的系統硬件平臺雖然可以實現較為復雜和高級的聲源定位算法，但是由于算法在計算機上是基于軟件邏輯運行的，其運行速度很難與純硬件邏輯相比，這使得整個系統的實時性較差。

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

本次主要介紹基于MEMS的手持便攜式聲學相機漢航NTS.LAB ACP系統。

圖1 精密陣列式聲學相機軟件模塊NTS.LAB ACM

圖2 手持式MEMS聲學相機軟件模塊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。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。延時求和算法是最經典穩定的波束形成算法，其基本原理如圖3所示，以參考傳聲器為基準，對陣列中其他傳聲器接收到的信號進行延時操作，補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過延時后相位相同，接著對所有信號進行加權、求和運算。經過算法處理后，期望位置上的聲信號會得到增強，進而產生一個空間響應極大值，而其他位置上的信號則被減弱，信號得到增強出現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

傳統的波束形成技術是基于平面波假設發展起來的。理想條件下，聲源位于傳聲器陣列無窮遠處時，其輻射出的聲波為平面波。實際測量時，當聲源與傳聲器陣列之間的距離，其中為D陣列孔徑，為聲波波長，此時聲源即被認為是遠場聲源，傳聲器接收到的聲波可視為平面波，如圖4所示。然而，當前可視化聲源定位的一個發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境對機器設備進行故障診斷或降噪處理時，在一定條件下應該盡量減小測量距離，才能獲得比較高的信噪比，更準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場條件，若繼續沿用遠場平面波模型，會造成嚴重的波束性能損失，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 遠場-近場模型轉換示意圖

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。當聲源的直徑遠遠小于其所輻射聲波的波長時即可近似視為點聲源，點聲源輻射產生的波為球面波，球面波的聲壓表達式考慮了聲波的傳播距離與幅值的關系。在近場條件下，使用更為精確的球面波模型能夠更準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所示的條件進行遠近場模型轉換，近場球面波模型和遠場平面波模型的主要區別是聲波到達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聲學相機模塊的波束形成算法兼顧遠場和近場兩種測量情況，軟件可根據所設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、質點振速等聲學信息，從而形成直觀的聲學圖像；由于近場測量數據中包含了豐富的倏逝波成分，聲全息成像分辨率可達到所分析聲波波長的幾十分之一，從而可以準確地實現噪聲源位置定位和強度量化。自聲全息技術提出以來，國內外學者發展出了空間Fourier變換法、逆邊界元法、Helmholtz方程最小二乘（HELS）法、統計最優法、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用。

等效源法的主要思想是：振動體產生的聲場可以由置于該振動體內部的一系列等效源產生的聲場疊加代替，而這些等效源的源強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

將放置在聲源內部的各等效源的待求源強放置成一個列向量

根據等效源法思想，可知全息面聲壓與等效源強之間的關系為

其中，為傳遞函數，具體表達式為

基于關系式(5)，可建立全息面聲壓列向量與等效源強列向量之間的傳遞關系

其中，G為傳遞函數組成的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，可求得等效源強為

其中，為G的共軛轉置矩陣，為正則化參數。

(3) 利用求得的等效源強，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)求逆是個病態問題，即輸入量中的噪聲會在求逆過程中被急劇放大，嚴重影響重建結果的精度，而Tikhonov正則化方法的應用可有效抑制噪聲被放大，其中Tikhonov正則化方法中的參數建議通過L曲線法自動化選取。

NTS.LAB聲學相機模塊采用基于等效源法的近場聲全息技術，可對任意形狀的聲源進行成像，同時具備物理原理清晰簡明、計算準確高效的優勢。

3 便攜式聲源定位系統設計

3.1系統總體設計方案

本公司以FPGA開發板為中心，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的硬件結構，通過FPGA開發實現系統的各項功能。系統的總體架構如圖6所示，在規劃時分為兩大部分，即聲源定位算法的實現和聲源定位結果可視化圖像處理的實現。

圖6 便攜式聲源定位系統總體架構圖

第一部分為聲源定位算法的實現，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、以太網數據傳輸。首先通過數值仿真選取合適的陣列布局，然后實現MEMS傳聲器與FPGA的通信，進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模塊，對傳聲器陣列采集到的聲信號進行波束形成算法處理；最后編寫以太網傳輸模塊，該模塊可以與聲信號采集模塊、延時求和算法實現模塊進行交互，將采集到的聲信號和波束形成計算結果傳輸到外部設備，方便后續處理和使用。

第二部分為聲源定位結果可視化圖像處理的實現，該部分可以分為聲學圖像處理、可見光圖像采集與緩存、聲光圖像融合與顯示。首先將第一部分處理得到的波束形成計算結果進行灰度量化、偽彩圖變換和圖像縮放處理，形成分辨率合適的聲學云圖，完成聲學圖像的處理；與此同時，對攝像頭進行初始化配置并接收其發送的圖像數據，然后將接收到的圖像輸入SDRAM進行緩存；最后將SDRAM中存儲的可見光圖像讀出，與處理好的聲學圖像進行疊加融合，在顯示屏上展示出聲光融合圖像。

3.2系統各模塊設計方案

（1）傳聲器陣列陣型設計

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構的影響。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、網格陣列、環形陣列、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行延時求和波束形成算法的數值仿真。陣列形式如圖7所示。為了便于對比分析，統一設置測量距離為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。在這些條件的設置下，布置十字陣列需要17個傳聲器，網格陣列需要81個，環形陣列需要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，當聲源位置遠離軸線時，旁瓣干擾更加嚴重；網格陣列的定位效果最好，主瓣寬度小，旁瓣級低，分辨率和抗干擾性優秀；環形陣列的定位效果優于十字陣列，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格陣列相當，并且其所需要的傳聲器數量遠低于網格陣列，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

算法后處理是聲源定位的關鍵過程，下面以波束形成算法為例來描述算法實現過程。延時求和波束形成算法的思想是以參考傳聲器為基準，對陣列中其他傳聲器接收到的信號進行延時操作，使得各通道的信號相位一致，再對所有信號進行求和運算。根據FPGA的設計思想對延時求和算法進行數字邏輯轉換和RTL(Register Transfer Level)實現，可以將算法實現模塊進一步劃分為三個子模塊，即坐標存儲模塊、延時參數生成模塊以及延時求和計算模塊，模塊的結構如圖9所示。

圖9 延時求和波束形成算法實現模塊結構

（3）可視化實現

下面詳細闡述在單獨的FPGA平臺上實現聲源定位結果可視化處理的完整過程，主要內容包括：設計聲學圖像處理模塊，將定位結果轉化為聲學云圖；編寫可見光圖像采集與緩存模塊，獲取測試目標的可見光圖像；設計圖像融合模塊，將聲學圖像與可見光圖像進行疊加融合；編寫顯示驅動模塊，驅動顯示屏展示出聲光融合圖像。

聲學圖像的處理過程是將定位算法計算得到的聲音強度數值量化為灰度值，接著進行偽彩色處理和圖像縮放，得到以色彩表征聲音強度的偽彩色聲學云圖。聲學圖像處理模塊可以進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，模塊的結構如圖10所示。

圖10 聲學圖像處理模塊

4便攜式聲源定位系統的實驗定位效果

為了檢驗所開發系統進行可視化處理的效果以及系統的整體功能，開展了實驗驗證。

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

圖11 單音箱定位結果

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

圖12 雙音箱定位結果

隨后進一步進行生活化場景的測試，控制音箱播放音樂，測試結果如圖13所示，圖13(a)為右側音箱發聲的定位結果，圖13(b)為兩個音箱同時發聲的定位結果，從顯示屏中可以明顯看出音箱是否發出聲音。

圖13 音箱播放音樂時的定位結果

接下來將工作中的小風扇和播放音樂的手機作為目標聲源。如圖14(a)所示，系統準確定位出小風扇的葉片位置處為聲源。如圖14(b)所示，手機尾部的揚聲器位置處出現明顯彩色云圖，直接指示出聲源的位置。

圖14 實際聲源定位結果

5結論

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

（1） NTS.LAB聲學相機模塊的波束形成算法兼顧遠場和近場兩種測量情況，軟件可根據所設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果。

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

（3） 采用數字式MEMS傳聲器作為數據采集設備的漢航手持式聲學相機NTS.LAB ACP，以FPGA作為數據計算處理平臺的便攜式聲源定位系統，該系統具有精度高、體積小、成本低、實時性好等優點，具有較高的實際意義和應用價值。

6部分工業應用

1)  飛機的飛越、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或機艙等封閉空間內異響（BSR）。

3)  適用于各種產業的研發、質保和排障，例如：車輛、家電NVH性能優化，汽車、家電、機床、注塑機、發電機組、風電等設備噪聲源定位。

4)  位置或軌跡跟蹤定位：如低空無人機預警、炮彈落點定位、爆炸定位、子彈軌跡跟蹤定位、水下目標定位、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、酸堿排的負壓泄漏檢測。

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

8)  電力行業：架空輸電線路：使用聲學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：通過使用聲學相機，可以檢測變壓器內外部是否存在油氣、油紙、瓷套等絕緣材料的老化或損壞導致的局部放電。這對于保障變壓器的正常運行非常重要，可預防潛在的故障。開關柜：聲學相機可以檢測開關柜內外部是否存在灰塵、潮濕、裂紋等因素引起的局部放電。這些因素都可能導致開關柜的運行故障，因此及時的檢測和預防是十分必要的。電抗器：通過聲學相機可以檢測電抗器內外部是否存在異響或振動導致的機械故障或絕緣缺陷。

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