基于“柔性測(cè)試”技術(shù)的噪聲源定位分析系統(tǒng)

1.引言：

“柔性測(cè)試”技術(shù)是以相關(guān)技術(shù)為依托，滿(mǎn)足測(cè)試測(cè)量需求的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。它以虛擬儀器技術(shù)、測(cè)試測(cè)量技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、軟件技術(shù)、通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心，是現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的代表之一，它的特點(diǎn)有： (1)適用性：滿(mǎn)足多種測(cè)試環(huán)境要求，提供多種測(cè)試性能，融合多種信號(hào)測(cè)試能力；(2)靈活性：發(fā)揮模塊化、插件化、分布式設(shè)計(jì)的靈活性，根據(jù)客戶(hù)需求改變測(cè)試系統(tǒng)的功能及性能；(3)可擴(kuò)展性：跟進(jìn)相關(guān)技術(shù)進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)測(cè)試能力的不斷提高。噪聲源定位分析系統(tǒng)（Sound Source LocalizationSystem，簡(jiǎn)稱(chēng)SSLS）正是基于“柔性測(cè)試”技術(shù)開(kāi)發(fā)的，具有靈活性、適應(yīng)性、拓展性等特點(diǎn)的現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)，其在設(shè)計(jì)伊始便將“柔性測(cè)試”技術(shù)貫穿于系統(tǒng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

SSLS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

基于“柔性測(cè)試”技術(shù)設(shè)計(jì)的SSLS由麥克風(fēng)陣裝置、傳輸線纜和主機(jī)組成：

麥克風(fēng)陣裝置擁有獨(dú)特的設(shè)計(jì)（標(biāo)準(zhǔn)陣列）：共有8根橫梁，每根橫梁上放置8支內(nèi)置麥克風(fēng)。每根橫梁通過(guò)SMB接口使每支麥克風(fēng)與主體支架相聯(lián)，在主體支架中心安置的攝像頭，用于拍攝實(shí)景。整個(gè)裝置的特點(diǎn)是：靈活、小巧、輕便、易于安裝——當(dāng)其中一支麥克風(fēng)出現(xiàn)問(wèn)題，只需更換相應(yīng)橫梁，無(wú)需作其他改變；當(dāng)需要增加或減少麥克風(fēng)時(shí)，只需安裝或拆卸相應(yīng)橫梁。整個(gè)麥克風(fēng)陣裝置充分體現(xiàn)了“柔性測(cè)試”技術(shù)的靈活性和拓展性。

傳輸線纜用于將陣列裝置轉(zhuǎn)換的電信號(hào)同步傳輸至系統(tǒng)主機(jī)，它具有長(zhǎng)度一致、通道之間隔離與屏蔽等特點(diǎn)。

主機(jī)是SSLS的核心，硬件部分包括PXI機(jī)箱、控制器以及多通道動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡。8塊動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)的同步采集，尤其帶有抗混疊濾波功能，具有精度高、動(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn)，專(zhuān)為動(dòng)態(tài)信號(hào)采集而設(shè)計(jì)。PXI機(jī)箱背板總線為信號(hào)采集提供可靠保證：跨板卡的兩個(gè)通道同步采集1kHz信號(hào)，相位差保證在0.1度內(nèi)；控制器為實(shí)時(shí)測(cè)試和控制應(yīng)用程序提供了高性能平臺(tái)。SSLS采用LabVIEW環(huán)境開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)軟件，該軟件能夠控制系統(tǒng)硬件進(jìn)行多通道聲音信號(hào)的同步采集與分析；采用波束形成技術(shù)計(jì)算聲場(chǎng)分布，然后將聲場(chǎng)分布圖疊加在實(shí)景圖片上，直觀地反映出噪聲源的位置。系統(tǒng)軟件還具備陣形效果仿真功能，用戶(hù)可以對(duì)根據(jù)環(huán)境、信號(hào)特性等因素配置的多種麥克風(fēng)陣型進(jìn)行效果仿真，獲取所配陣型的測(cè)量效果，為選擇合適的陣型提供依據(jù)，具備很強(qiáng)的適應(yīng)性和拓展性。

3.柔性技術(shù)的完美體現(xiàn)

作為“柔性測(cè)試”技術(shù)的創(chuàng)始者和堅(jiān)定的實(shí)踐者，我們將“柔性測(cè)試”技術(shù)滲透到SSLS設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，具體表現(xiàn)在：

定位算法的選擇：考慮到聲場(chǎng)狀況、噪聲設(shè)備的多樣性等問(wèn)題，系統(tǒng)采用了波束形成算法。這樣陣列裝置就不僅能夠采用規(guī)則陣列，同時(shí)也能夠采用許多不規(guī)則的陣列，如螺旋陣，隨機(jī)陣等，使得定位的應(yīng)用面更加廣泛，能夠應(yīng)對(duì)多種不同狀況；

軟硬件平臺(tái)的選擇：利用虛擬儀器技術(shù)，選擇PXI硬件平臺(tái)。因?yàn)镻XI總線具有很大的數(shù)據(jù)吞吐能力，能夠滿(mǎn)足多通道動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的同步采集需求，同時(shí)方便以后增加或刪除通道，使得系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性和靈活性；

軟件技術(shù)：考慮到使用時(shí)可以方便快速的更換各種陣列裝置，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用模塊化設(shè)計(jì)思路，當(dāng)采用不同陣型的陣列裝置時(shí)，操作者只需導(dǎo)入相應(yīng)陣型配置文件即可；

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還結(jié)合了其它設(shè)計(jì)技術(shù)，比如陣列裝置的設(shè)計(jì)，采用了模塊化接口技術(shù)，使得陣列裝置的擴(kuò)展、組裝與拆卸都方便快捷。

4.系統(tǒng)功能

SSLS可以使得聲音“可視化”，能夠幫助聲學(xué)工程師“看出”被測(cè)噪聲對(duì)象的聲場(chǎng)分布、找出各主要聲源點(diǎn)的位置，是從復(fù)雜的聲音信號(hào)中提取有用信息的利器，其具備的功能有：

聲源定位：顯示分析平面內(nèi)各處的聲場(chǎng)相對(duì)能量之大小，根據(jù)該能量分布圖可找出各個(gè)主要聲源的位置；

識(shí)別不同聲源： 顯示指定頻帶上的聲場(chǎng)分布情況，從而在嘈雜的聲音環(huán)境中識(shí)別出不同頻帶上的主要聲源；

聲源信號(hào)分離與分析：從復(fù)雜的聲音信號(hào)中分離出指定位置的聲源信號(hào)，然后對(duì)該聲源信號(hào)進(jìn)行聲音回放與頻譜分析，用戶(hù)也可以對(duì)分離出來(lái)的信號(hào)進(jìn)行自定義分析；

頻譜分析：根據(jù)用戶(hù)設(shè)置，可對(duì)特定時(shí)間段的聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析；

聯(lián)合時(shí)頻分析：以時(shí)間、頻率為坐標(biāo)軸，顯示聲音信號(hào)能量譜信息。

5.系統(tǒng)特點(diǎn)：

SSLS充分融合了“柔性測(cè)試”技術(shù)和聲音處理技術(shù)，具有如下特點(diǎn)：

多聲源定位：在允許的分辨率范圍內(nèi)，系統(tǒng)能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)聲源進(jìn)行定位。

方便的陣列放置：系統(tǒng)區(qū)別于一般的近場(chǎng)聲全息方法，無(wú)須將麥克風(fēng)陣列貼近被測(cè)對(duì)象表面（dλ），在增大了系統(tǒng)的“視野”的同時(shí)，還避免了近場(chǎng)聲全息方法對(duì)陣列位置的局限性。

靈活的陣形配置： 系統(tǒng)的陣形能夠根據(jù)不同的聲場(chǎng)情況進(jìn)行靈活配置，從而獲得理想的分析效果，因此系統(tǒng)能夠應(yīng)用于多種不同的聲場(chǎng)狀況。

直觀的顯示方式：系統(tǒng)在被測(cè)對(duì)象圖片上顯示聲場(chǎng)能量分布，通過(guò)觀察圖片就可以直觀的看出被測(cè)對(duì)象上聲源所在的位置。

6.小結(jié)：

“ 柔性測(cè)試” 技術(shù)是在復(fù)雜、多變的市場(chǎng)壓力下產(chǎn)生的新興測(cè)試技術(shù)，該技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于它可滿(mǎn)足不同制造行業(yè)的復(fù)雜、多變的測(cè)試測(cè)量需求。“柔性測(cè)試”技術(shù)整合了虛擬儀器、測(cè)試測(cè)量、機(jī)電一體化、網(wǎng)絡(luò)通信及軟件等多種技術(shù)，是泛華測(cè)控在測(cè)試測(cè)量行業(yè)多年技術(shù)沉淀的一種提煉。SSLS秉承了“柔性測(cè)試”這一理念，將及時(shí)、有效的滿(mǎn)足客戶(hù)需求視為終極追求，充分考慮需求多變性、復(fù)雜性以及成本可行性等因素，具有很強(qiáng)的靈活性、適應(yīng)性、拓展性，能夠滿(mǎn)足客戶(hù)多種聲場(chǎng)狀況分析的需要，易安裝，易維護(hù)，充分順應(yīng)現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展方向，是“柔性測(cè)試”技術(shù)的完美體現(xiàn)。