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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



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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