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声相仪——让声音显形

发布时间：2010-06-13 作者：噪声与振动实验室杨亦春

引言

声音是从哪里来的，这是声学测量的一个难题。

虽然每一个人都知道人和大部分动物发出的声音是从嘴里出来的，可是对于机器设备噪声的声音来源就不容易找到，往往一个设备中存大着很多个声源，而每一个声源都是对总声音的一个贡献，要解决机器设备的噪声问题，精确地测量出发声位置是非常重要的。

基于传声器阵列声成像测量技术的声相仪，通过测量声音传播的空间信息来准确地捕捉声音，是一个有效地发现复杂多声源混合条件下的每一个声源的有效方法，它不仅能给人们直观的声场图像，精准测量出每一个声源的各项指标，而且具有直观便捷的分析手段。既适用于掌握一定声学知识的专业技术人员用于研究声学问题，又适用于非声学专业人员用于测量汽车、家电等设备的噪声，观察应该存在的声源，发现不该出现的异常声源，实现对设备的故障诊断。

一、原理与功能

声相（像）仪，又名声学照相机，是利用传声器阵列，测量一定范围内的声场分布的专用设备，可用于测量物体发出的声音的位置和声音辐射的状态，并用云图方式显示出直观的图像，即声成像测量。

InSYS2010型声相仪是中国科学院声学研究所新研制成功的一种高科技产品。它基于传声器阵列声成像技术的原理，通过阵列上多个传声器测量出声源的空间信息，进而重现出声场，并与视频图像叠加显示。给人们一个直观的声学形象。

声相仪的测量精度，首先与传声器阵列上的阵元分布形式密切相关，经过优化的阵型具有虚像效应低，即不会出现假声源的现象。测量精度还与声成像算法优劣相关，优化的算法可以得出精确的声场云图，并具有良好的人机交互功能。InSYS2010型声相仪就是具有最优的阵元分布，和最优的声成像计算软件，因而能得到被测目标的精确声像。

InSYS2010型声相仪（直径1m）指标：

螺旋分布传声器阵列；

频率下限：220Hz；

不出现虚像的频率上限：6000Hz；

空间分辨率：1°；

阵元数：64；

传声器动态范围：34dB～140dB；

阵列测量动态范围：34dB～124dB；

阵列增益（信噪比提高）：18dB；

信号增强：36dB；

声束角：70o；

视场角：±28 o；

探测距离：0.5m～200m。

二、软件功能

1.信号增强与分析功能

面阵列用于信号增强，即抑制背景干扰。采用波束形成技术增强目标信号，可以实现对空间声场的成像。

针对多模型多声源，可以采用多种算法精确定位，也能采用多模型分别聚焦检测成像。

根据成像结果，可以有区别地定位检测单点声音，也可以跟踪检测某一声源。以及无失真地播放特定位置增强后的声音。

2.声成像功能

在计算机机屏上显示阵列检测的前方一定区域的声压分布，图像在屏幕上的宽度可以用鼠标调节，既可以拉边框调节大小，又可以滚轮来调节“镜头”面大小。

程序可以锁定瞬间声音，用于捕捉冲击声音。也可以快速地切换，用于检测瞬变声场。

3.多声源自动聚焦检测功能

程序根据所测声源点的亮度和斑纹大小，自动搜索式地调点对该点附近的聚焦，达到使聚焦点声音幅值最高，该点中心亮度最高。可对多个声源分别调节。

可以回放观察过去的声场图像，回翻的时间间隔可以在按住CTRL键后用鼠标的滚轮调节。

4.逐点聚焦检测功能

当鼠标选定（左击）声像中的某点时，可以滚轮来调节“聚焦”的前后位置，达到精确聚焦检测的目的。右击取消选定功能。

5.逐点信号提取功能

在屏幕右边设置多个信号观察窗，用鼠标左键拖拉到某个窗口可以将单点的声音信号拖出来分析。可以同时观察多个信号。

即可以对实时声像图提取信号，又可以对静态观察的声像图提取信号。

6.逐点声音信号分析功能

对于逐点信号提取的声音信号，可以采用多种方法分析，包括频谱分析，声压分析，波形分析，小波分析，稀尔波特变换分析等。

可以对信号进行识别，根据识别数据库和一定的算法来识别该声音是哪一类声音。

7.逐点声音播放功能

对于逐点信号提取的声音信号，可以通过扬声器播放，用地监听。

8.定点检测功能

可以确定某几个单点，对这些位置进行定位检测，可以提高检测的分辨率，并减少对其他位置的检测计算量。

9.轨迹跟踪检测功能

对于某幅声像图，程序自动跟踪声源点轨迹，把某些点的检测结果输出，用于检测移动声源，如歌手演唱。

10.后处理功能

对于快速移动物体的声成像检测，可以采用后处理方法，即先对目标声音和视频连续记录保存在缓存区，然后对声音进行逐帧计算声相，再根据时间匹配将所计算出的声相与视频图像重叠显示，形成连续的声相图。然后再重放。

11.连续滑动显示功能

在波形显示和时频图显示功能中，可以调节图下的时间窗口长度，最短为1/10帧的时间，最长为100帧的时间，当窗口时间大于1帧时，为整数倍，此时采用移位递推方式显示，即在最右边补充一帧新的波形，而去除最左边的一帧波形。时频图的移位递推方式相同。

12. 声像图与视频图校准功能

声像图与视频图经常会发生偏差。其原因主要有摄像头存在差异，搬运阵列会造成摄像头偏向。

校验的方法是，用一个会同时发出1kHz单频正弦波声音和点光源的校准器，在与阵列平行的平面内，任意选取多个随机空间点，对每一个点取一次声相，计算出声像的中心坐标和视频的中心坐标。重复进行多次，并且保持校准点基本覆盖探测区域，即得到一系列的声像点和视频点。

13. 定点声源分析、监听

对声像图所测出的点声源进行定点提取信号，进行频谱分析，时频分析，监听。

14. 快速移动目标后处理

对火车、飞机、汽车一类目标的行驶声音，可以先录音和录像，然后逐帖计算声像后形成连续声像。

三、应用领域：

家电行业的噪声控制：通地声相仪检测空调、冰箱、洗衣机等给出的家电产品发声的部位，帮助设计者改进结构，消除噪声源或者减小噪声强度。

电厂、车间等环境噪声监测：通过声相仪给出的电厂、或者类其他企业的噪声分布，标示噪声产生的位置和强度，帮助找到消除噪声的方法。

公路噪声分析：利用声相仪测量汽车行驶的噪声分布。

火车、高铁的噪声监测：利用声相仪测量火车、高铁行驶噪声，分析噪声的分布，有利于设计声屏障和采取降噪措施。

汽车噪声分析：用声相仪测量汽车发动机、轮胎、车窗、驾驶室等部位噪声，有利于改进汽车结构设计，降低噪声等级。

轮船噪声分析：利用声相仪测量船舶内各部位噪声分布，有利于设计安静型船舶。

飞机噪声监测分析：利用声相仪测量飞机起飞和降落时的噪声，以利于形成环保规范和取得降低飞行噪声的有效方法。

冲击声源定位：利用多台声相仪测量冲类声波，可以精确测定声源点的位置。

定点、定向拾取声音

应用于舞台，可以将阵列置于特定位置，如演播厅的顶、后台、前台池等，以彩屏（平面阵）、横向灯杆（线阵）、灯笼（球形阵）、绣球（球形阵）的形式，定点定向拾取走动人员的说话或者演唱声音，适用于舞台演唱、节目主持、采访等应用，可使主持人、歌唱空不需要手持话筒，使被采访者远离话筒以避免不必要的危险（恐怖）。一个实施方案是在舞台中央挂一个球形阵列，装饰成灯笼形式，可以对舞台每一个区域定位拾取声音。或者在舞台的中央的顶棚悬挂不面螺旋形阵列，可以对舞台中央区域有很好的目标声音增强能力。

应用于会场，可以将阵列置于特定位置，如房间的角落、会场的天花板、会场的中心等，定点定向拾取特定人物的说话声音，可以消除周围声音的干扰，得到清晰的主讲者话音，主讲者不再需要配载话筒。针对空音某一小区域定位拾取声音，可以抑制旁边声音的干扰，或者消除背景噪声的干扰，增强主要声音的信混比，达到提高主要声音的清晰度的功能。

点声源定位

利用传声器阵列实现对狙击手定位，炸点一类冲击声源定位。依据一个或者多个阵列，测定声源的空间坐标，可以快速无丢失地确定声源位置和移动目标的轨迹。

利用单个声相仪可以通过图像观测目标的位置和轨迹。测定声源的方位角，利用多个阵列可以精确测定声源位置的大地坐标。

每个阵列在自带GPS，有确定的方位。多个阵列同时测量出弹着点相对于自身的方位角，就可以计算出弹着点坐标。

故障诊断

针对设备研制调试的故障诊断，在开阔空间，或者低干扰的环境下，传声器阵列更能发挥精确测量和定位功能。

针对正在运行的机器设备的故障诊断，这是针对工业设施的机器故障诊断的新一代高性能声学状态监测技术，即适用于开阔空间自由场，或者封闭空间混响环境中的多声源检测与识别问题。声学检测具有信息量大、非接触安装、可使用多项最新分析技术的特点。

工业设施内采用空气声学监测多个机器运转声音，对各机器声音定位分离检测后，可以从声音的变化来反映机器运行性能的变化。阵列可以实现定位分离检测的关键是要抑制房间混响和增强目标声信号，能够有效地在复杂的多声源环境中定位每个声源，并实现逐个分离检测。

混响抑制依据：在设施内远离机器一定的安全距离之外，安装一系列传声器阵列，这里要求各传声器的一致性好。各传声器所测声音信号中的直达声的相关性强，而反射声音的相关性弱。利用传感器信号的相关性作为权函数，可以很好地去除混响。而且房间越大，声阵列的布局范围越大，阵间信号中的混响的相关性越弱，抑制混响的效果越好。

声音识别依据：机器声音是一种长时间的平稳声音，其声音信号的特征明显而稳定。采用频谱分析、小波分析、过零率分析、MFCC分析等算法可以提取反映机器状态的特征量。能过建库得到机器各种状态的特征量数据库后，就可以对机器状态进行实时监测。在实时监测时，可以采用BP人工神经网络、学习矢量量化（ＬＶＱ）方法、隐马尔柯夫模型法等方法实现快速搜索识别声源的变化，达到监测机器的目的。