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近场声全息法的声场状态表示(直观化)技术
近场声全息法的声场状态表示(直观化)技术
近年来，声场的状态表示(直观化)技术的发展非常迅速。过去，一般用声压级测量制作等高线图，或用声强法制作矢量图。最近，随着麦克风的降价及多通道输入仪器的开发成功，以及随着处理设备的发展，而且利用麦克风阵列装置，进行声全息或Beam forming测量处理，使得过去很难的声场状态表示(直观化)，可以高精度，快速地实现。
本文所介绍的系统，是利用麦克风阵列的近场声全息法，一个应用例是摩托车发动机声源探测解析，另一个应用例是汽车行驶时轮胎噪声分析。对于以前仅凭人的听觉评判声音。现在可用三维方法捕捉发声的能量流向，使发声的大小及其流向有效地进行声学状态表示(直观化)，就可对声源进行定量的测量分析。同时，在电脑上与CCD画像重叠或与三维数据重叠，更能方便地分析被测对象的声学状态。
用10×10个麦克风阵列设置在摩托车的发动机附近。在室外测量时，各个麦克风应配置防风球。因为临近声场，所以各个麦克风的间隔为10cm，麦克风与摩托车的距离，在最接近部分，应为8cm。发动机的转速固定为3000转/分，测量10秒的噪声数据。
声全息法的测量原理
- 声全息法有两种，一种是远距离法，另一种为近场声全息法。
一般，我们所听到的声音都远离声源，是从声源传过来的声波声。利用这种传送声波，确定声源位置的方法为远距离全息法。但是，声源的振动，辐射，散射等声源附近的信息非常重要，因此用远距离声全息法很难把握。因此，近场声全息法，由于能取得邻近声场的声音(声源附近振动发出的噪声)的信息，能测出在声音传布初期在辐射面附近互相抵消的声音之信息。所以，在空间上具有较高的分辨率。本例，就是利用这种邻近声场的信息，对声源面及辐射方向的声音进行测量分析。
仪器构成
测量数据例「摩托车噪声的测量」
- 摩托车噪声的测量
麦克风阵列中央的麦克风所测得的音压级频率特性
- 左图为500Hz的分析结果
一般声源分辨率决定于波长，但近场全息法，因为麦克风非常接近声源，所以麦克风的间隔具有分离声源的特点。
由这个分析结果，可掌握 500Hz声源在发动机曲轴部分，以及在发动机下面油底壳等处。另外，由于发动机的振动，油箱发生共振，从发动机油箱部也向外辐射噪声。
- 左图为1kHz的分析结果
1kHz的噪声，除了在发动机中央部外，排气管的噪声也很大。
这样，全息法的计算结果，与CCD摄象机重合，声源的位置就一目了然。
测量数据例２「轮胎噪声的测量」
- 轮胎噪声的测量
轿车在稳定行驶时，轮胎发出的声音的比重要比发动机的噪声的比重大一些。所以，要降低汽车产生的环境噪声，必须把握轮胎发出噪声的位置及大小。近年来，普及的排水性路面对汽车行驶噪声的降低，起着很大的作用，但其降低噪声的机理尚未完全解明。为了分析这一现象，用近场声响全息法，测量汽车在实际路面上行驶时道路与轮胎间发生的噪声。左图上表示实验状态，麦克风阵列设置时，离轮胎为10cm的距离。
- 左下图表示具有代表的点上，轮胎噪声的频率特殊，在500Hz及600Hz处出现峰值，以及在1 kHz带域中发生噪声。
一般，为了使轮胎行驶时不产生特定频率噪声，轮胎表面都带有随机切割形成的沟槽。1 kHz带域处的声音分布，是上述对策的结果。
- 左图分别显示500Hz及600Hz的声压图
如图所示，500Hz的噪声，是在轮胎前方踩踏时的噪声频率，而600Hz的噪声是在轮胎起步时的频率
由上述实验结果，就可知道用近场声全息法，可以将轮胎周围的声源进行分离是有效可行的。
大家知道，轮胎的形状不同，发生的噪声也不一样。除了本实验中所用的轮胎外，为了降低行驶噪声，对静音轮胎及实心轮胎等用近场声全息法，确认每个轮胎的噪声发生部位与频率的差异。
要点
声场的状态表示技术方法有很多种，应根据测量分析的对象与目的的不同，采用较合适的方法。作为参考，下表对各种测量方法作一粗略对比。
| 测量法 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 三维声强法 | 能得到测量点的声强 频率范围取决于麦克风间隔(50Hz ～5kHz) |
不能测量非稳态噪声(只能测量稳态噪声) 测量时间长 |
| 波束合成法 (Beamforming) |
可以远距离检测 测量范围取决于距离 可能分析非稳态噪声 |
分辨率取决于频率 基于声压测量结果为2维数据 存有虚像 |
| 近场声全息法 | 分辨率的频率依存性较低(取决于麦克风间隔) 除声压外，可测出声强值 可以分析非稳态噪声 |
需临近声源 测量范围取决于传声器列阵的尺寸 |
三维声强法应用例
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● 冰箱压缩机的噪声分析
近距离声场全息法的用例
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