手持便携式声学相机汉航NTS.LAB ACP系统介绍
1.前言
针对复杂的机械产品（例如汽车、飞机、重工和家电产品等），清晰地定位出声源位置是开展噪声治理的重要前提。目前，基于传声器阵列测量来定位声源已逐渐成为市场和学术界最受欢迎的手段之一。虽然当前的声源定位系统发展迅速，并且得到了较为广泛的应用，但是仍然存在着一些不足之处。在数据采集方面，当前的声源定位系统多采用测量传声器构成传声器阵列采集声信号。测量传声器的输出为模拟量，测量精度较高，但需要配合专用的前置放大器和数据采集仪才能完成声信号的采集工作。单个测量传声器的大小即与成人手指相当，专用的数据采集仪更是体积庞大，这使得整个声源定位系统的便携性大打折扣。与此同时，测量传声器与数据采集仪高昂的价格也进一步限制了声源定位系统的发展与普及。在数据后处理方面，当前的声源定位系统多采用计算机或工控机作为声源定位算法的运行平台。这样的系统硬件平台虽然可以实现较为复杂和高级的声源定位算法，但是由于算法在计算机上是基于软件逻辑运行的，其运行速度很难与纯硬件逻辑相比，这使得整个系统的实时性较差。
基于以上因素，汉航(北京)科技有限公司开发了两种类型的声学相机，一种采用汉航自主设计的数字式MEMS传声器作为数据采集设备，以FPGA作为数据计算处理平台的便携式声源定位系统，该系统具有精度高、体积小、成本低、实时性好等优点，具有较高的工程应用价值和应用范围。另一种采用精密式麦克风阵列（包括面阵列和球阵列）及汉航高精度Hunter系列数据采集硬件。
本次主要介绍基于MEMS的手持便携式声学相机汉航NTS.LAB ACP系统。
图1 精密阵列式声学相机软件模块NTS.LAB ACM
图2 手持式MEMS声学相机软件模块NTS.LAB ACP
2.声源定位算法原理
基于传声器阵列测量的声源定位系统的核心是定位算法，目前主流的算法包括波束形成和声全息两种。波束形成算法在高频具有较好的定位分辨率，而声全息算法在中低频具有较好的定位分辨率，因此两者可以形成很好地互补。下面将阐述两种算法的具体原理。
波束形成算法原理是根据传声器阵列中各阵元的位置以及接收到声波时间的差异，来确定声源的位置。延时求和算法是最经典稳定的波束形成算法，其基本原理如图3所示，以参考传声器为基准，对阵列中其他传声器接收到的信号进行延时操作，补偿接收到声波的传播延时，使得所有传声器对于某期望位置上接收到的声波在经过延时后相位相同，接着对所有信号进行加权、求和运算。经过算法处理后，期望位置上的声信号会得到增强，进而产生一个空间响应极大值，而其他位置上的信号则被减弱，信号得到增强出现极大值的位置即为潜在声源位置。
传统的波束形成技术是基于平面波假设发展起来的。理想条件下，声源位于传声器阵列无穷远处时，其辐射出的声波为平面波。实际测量时，当声源与传声器阵列之间的距离
，其中D为阵列孔径，
为声波波长，此时声源即被认为是远场声源，传声器接收到的声波可视为平面波，如图4所示。然而，当前可视化声源定位的一个发展趋势是使用大孔径阵列近距离测量，这样可以获得更多的声源信息。例如，在工厂车间等嘈杂环境对机器设备进行故障诊断或降噪处理时，在一定条件下应该尽量减小测量距离，才能获得比较高的信噪比，更准确地定位出噪声源的位置。这种情况下，声源与传声器阵列之间的距离难以满足远场条件，若继续沿用远场平面波模型，会造成严重的波束性能损失，使得波束主瓣变宽，旁瓣升高，难以得到期望的波束输出，因此有必要研究近场条件下的波束形成。
在近场条件下，声源的方向及其与传声器之间的距离都需要纳入模型的考虑范围。当声源的直径远远小于其所辐射声波的波长时即可近似视为点声源，点声源辐射产生的波为球面波，球面波的声压表达式考虑了声波的传播距离与幅值的关系。在近场条件下，使用更为精确的球面波模型能够更准确地反映声波传播的实际情况。实际测量中，一般采用如图4所示的条件进行远近场模型转换，近场球面波模型和远场平面波模型的主要区别是声波到达各传声器的时间差的计算方法不同，而波束形成的原理基本一致。
NTS.LAB声学相机模块的波束形成算法兼顾远场和近场两种测量情况，软件可根据所设置的分析类型自动生成波束形成算法模型，实时高效计算出精确的声源定位结果。
2.2声全息算法原理
相比波束形成，声全息在中低频具有较好的定位分辨率，它通常在噪声源近场进行测量，并借助声场空间变换算法，反演出噪声源表面和声场中的声压、质点振速等声学信息，从而形成直观的声学图像；由于近场测量数据中包含了丰富的倏逝波成分，声全息成像分辨率可达到所分析声波波长的几十分之一，从而可以准确地实现噪声源位置定位和强度量化。自声全息技术提出以来，国内外学者发展出了空间Fourier变换法、逆边界元法、Helmholtz方程最小二乘（HELS）法、统计最优法、等效源法等多种声全息算法。其中基于等效源法的声全息适用于任意形状声源、原理简明、算法高效，因此得到了广泛研究和应用。
等效源法的主要思想是：振动体产生的声场可以由置于该振动体内部的一系列等效源产生的声场叠加代替，而这些等效源的源强可以通过匹配振动体表面的法向振速或者声场中的全息面声压得到。
图5 等效源声全息方法原理示意图
如图5所示，等效源声全息方法具体实施步骤如下：
(1) 将全息面（或称测量面）各点声压放置成一个列向量
将放置在声源内部的各等效源的待求源强放置成一个列向量
根据等效源法思想，可知全息面声压与等效源强之间的关系为
其中，
为传递函数，具体表达式为
基于关系式(5)，可建立全息面声压列向量与等效源强列向量之间的传递关系
其中，
为传递函数组成的M×N的传递矩阵。
(2) 对公式(5)求逆，并在求逆过程中采用Tikhonov正则化方法，可求得等效源强为
其中，
为
的共轭转置矩阵，
为正则化参数。
(3) 利用求得的等效源强，可计算出重建面上的声压和法向振速
在此需要说明的是由于对公式(6)求逆是个病态问题，即输入量中的噪声会在求逆过程中被急剧放大，严重影响重建结果的精度，而Tikhonov正则化方法的应用可有效抑制噪声被放大，其中Tikhonov正则化方法中的参数建议通过L曲线法自动化选取。
NTS.LAB声学相机模块采用基于等效源法的近场声全息技术，可对任意形状的声源进行成像，同时具备物理原理清晰简明、计算准确高效的优势。
3.便携式声源定位系统设计
本公司以FPGA开发板为中心，辅以传声器阵列、摄像头、SDRAM、显示屏等外围器件组成便携式声源定位系统的硬件结构，通过FPGA开发实现系统的各项功能。系统的总体架构如图6所示，在规划时分为两大部分，即声源定位算法的实现和声源定位结果可视化图像处理的实现。
第一部分为声源定位算法的实现，以波束形成算法为例，该部分可以分为声阵列信号采集、延时求和波束形成算法实现、以太网数据传输。首先通过数值仿真选取合适的阵列布局，然后实现MEMS传声器与FPGA的通信，进而完成传声器阵列声信号采集；接着搭建延时求和算法实现模块，对传声器阵列采集到的声信号进行波束形成算法处理；最后编写以太网传输模块，该模块可以与声信号采集模块、延时求和算法实现模块进行交互，将采集到的声信号和波束形成计算结果传输到外部设备，方便后续处理和使用。
第二部分为声源定位结果可视化图像处理的实现，该部分可以分为声学图像处理、可见光图像采集与缓存、声光图像融合与显示。首先将第一部分处理得到的波束形成计算结果进行灰度量化、伪彩图变换和图像缩放处理，形成分辨率合适的声学云图，完成声学图像的处理；与此同时，对摄像头进行初始化配置并接收其发送的图像数据，然后将接收到的图像输入SDRAM进行缓存；最后将SDRAM中存储的可见光图像读出，与处理好的声学图像进行叠加融合，在显示屏上展示出声光融合图像。
3.2系统各模块设计方案
（1）传声器阵列阵型设计
声源定位效果除了被后处理算法限制，很大程度也受到传声器阵列结构的影响。按照阵列的几何分布形式划分，常用的传声器阵列形式有十字阵列、网格阵列、环形阵列、螺旋形阵列等。为分析不同阵型的传声器阵列对声源定位效果的影响，对上述几种常用阵列进行延时求和波束形成算法的数值仿真。阵列形式如图7所示。为了便于对比分析，统一设置测量距离为0.1m，阵列孔径为0.32m，阵元最小间距为0.04m，声源分析频率为3500Hz。在这些条件的设置下，布置十字阵列需要17个传声器，网格阵列需要81个，环形阵列需要25个，螺旋阵列需要32个。
图8展示了各阵列形式下的声源定位效果。从声源定位的效果来看，十字阵列的旁瓣较多，当声源位置远离轴线时，旁瓣干扰更加严重；网格阵列的定位效果最好，主瓣宽度小，旁瓣级低，分辨率和抗干扰性优秀；环形阵列的定位效果优于十字阵列，但是难以胜任双声源的定位工作；螺旋阵列定位效果基本与网格阵列相当，并且其所需要的传声器数量远低于网格阵列，更加适合实际测量使用，因此本公司选用该阵型来布置传声器阵列。
图7 阵列形式
图8 定位效果，图中“+”代表声源真实位置
（2）声源定位算法实现
算法后处理是声源定位的关键过程，下面以波束形成算法为例来描述算法实现过程。延时求和波束形成算法的思想是以参考传声器为基准，对阵列中其他传声器接收到的信号进行延时操作，使得各通道的信号相位一致，再对所有信号进行求和运算。根据FPGA的设计思想对延时求和算法进行数字逻辑转换和RTL(Register Transfer Level)实现，可以将算法实现模块进一步划分为三个子模块，即坐标存储模块、延时参数生成模块以及延时求和计算模块，模块的结构如图9所示。
（3）可视化实现
下面详细阐述在单独的FPGA平台上实现声源定位结果可视化处理的完整过程，主要内容包括：设计声学图像处理模块，将定位结果转化为声学云图；编写可见光图像采集与缓存模块，获取测试目标的可见光图像；设计图像融合模块，将声学图像与可见光图像进行叠加融合；编写显示驱动模块，驱动显示屏展示出声光融合图像。
声学图像的处理过程是将定位算法计算得到的声音强度数值量化为灰度值，接着进行伪彩色处理和图像缩放，得到以色彩表征声音强度的伪彩色声学云图。声学图像处理模块可以进一步划分为灰度量化模块、伪彩色处理模块和图像缩放模块，模块的结构如图10所示。
4. 便携式声源定位系统的实验定位效果
为了检验所开发系统进行可视化处理的效果以及系统的整体功能，开展了实验验证。
首先进行基本性能测试，使用音箱作为目标声源，控制单个音箱发出单频音和白噪声，测试结果如图11所示，图11(a)为3000Hz单频音定位结果，图11(b)为白噪声定位结果，可以看到显示屏中发声的音箱上出现了明显的彩色云图。
图11 单音箱定位结果
接着控制一对音箱同时发出单频音和白噪声，测试结果如图12所示，图12(a)为3000 Hz单频音定位结果，图12(b)为白噪声定位结果，彩色云图准确显示出发声位置。
图12 双音箱定位结果
随后进一步进行生活化场景的测试，控制音箱播放音乐，测试结果如图13所示，图13(a)为右侧音箱发声的定位结果，图13(b)为两个音箱同时发声的定位结果，从显示屏中可以明显看出音箱是否发出声音。
图13 音箱播放音乐时的定位结果
接下来将工作中的小风扇和播放音乐的手机作为目标声源。如图14(a)所示，系统准确定位出小风扇的叶片位置处为声源。如图14(b)所示，手机尾部的扬声器位置处出现明显彩色云图，直接指示出声源的位置。
图14 实际声源定位结果
5.结论
针对现有声源定位系统存在的体积大、成本高、实时性差的问题，汉航公司开发了两种类型的声学成像系统：一款为精密阵列式（平面阵列和球阵列）声学相机NTS.LAB ACM, 一款为MEMS手持式声学相机NTS.LAB ACP，该系统具有以下特点：
（1） NTS.LAB声学相机模块的波束形成算法兼顾远场和近场两种测量情况，软件可根据所设置的分析类型自动生成波束形成算法模型，实时高效计算出精确的声源定位结果。
（2） NTS.LAB声学相机模块采用基于等效源法的近场声全息技术，可对任意形状的声源进行成像，同时具备物理原理清晰简明、计算准确高效的优势。
（3） 采用数字式MEMS传声器作为数据采集设备的汉航手持式声学相机NTS.LAB ACP，以FPGA作为数据计算处理平台的便携式声源定位系统，该系统具有精度高、体积小、成本低、实时性好等优点，具有较高的实际意义和应用价值。
6.部分工业应用
1) 飞机的飞越、汽车通过、高铁驶过成像和噪声源定位。
2) 探测并并精确定位记录车内或机舱等封闭空间内异响（BSR）。
3) 适用于各种产业的研发、质保和排障，例如：车辆、家电NVH性能优化，汽车、家电、机床、注塑机、发电机组、风电等设备噪声源定位。
4) 位置或轨迹跟踪定位：如低空无人机预警、炮弹落点定位、爆炸定位、子弹轨迹跟踪定位、水下目标定位、边防警戒定位等。
5) 高频声泄漏探测、石油化工管道漏气位置定位。
6) 光伏制造：用于热排、酸碱排的负压泄漏检测。
7) 风力叶片制造：用于叶片真空灌注成型工艺的负压泄漏检测，避免浸润不充分导致的叶片断裂和变形。
8) 电力行业：架空输电线路：使用声学成像仪可以检测输电线路上的绝缘子、金具、接头等部件是否存在局部放电。变压器：通过使用声学相机，可以检测变压器内外部是否存在油气、油纸、瓷套等绝缘材料的老化或损坏导致的局部放电。这对于保障变压器的正常运行非常重要，可预防潜在的故障。开关柜：声学相机可以检测开关柜内外部是否存在灰尘、潮湿、裂纹等因素引起的局部放电。这些因素都可能导致开关柜的运行故障，因此及时的检测和预防是十分必要的。电抗器：通过声学相机可以检测电抗器内外部是否存在异响或振动导致的机械故障或绝缘缺陷。
