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作者：張生昱 （北京泛華恒興科技有限公司）
摘要
噪聲定位與分析是對大型旋轉機械設備進行故障診斷的關鍵，所以如何在多噪聲源、多振動部件共存的復雜聲源環(huán)境精確定位噪聲的難題，一直是人們關注的熱點。麥克風陣列是一種常見的測試方法，這種非接觸式的測試手段在航空航天、汽車降噪、工程機械改良等眾多領域得到廣泛應用。其中，三維麥克風陣列綜合了綜合噪聲定位的時域、頻域分析方法，采用低成本、高靈活性集成方式，通過掃描觀測平面，確定噪聲源及振動部件，進而排查故障原因，實現(xiàn)噪聲定位與消除。新一代噪聲定位分析系統(tǒng)又被稱為“聲學攝影機”，為大型旋轉機械設備故障診斷提供靈活、快速、可靠的解決方案，這也是“柔性測試”技術在聲信號領域的一項成功應用。
關鍵字
麥克風陣 波束成形 噪聲定位 聲學攝影機
引言
汽輪機、航空發(fā)動機等大型旋轉機械設備的維護及故障診斷，一直是人們關注的熱點：一方面設備成本高，一旦發(fā)生故障，會造成嚴重經濟損失和安全生產障礙；另一方面，大型旋轉機械設備振動組件較多，有時需要采用非接觸式測量，導致故障診斷過程復雜，周期長，且不易定位故障位置。
新一代噪聲定位分析系統(tǒng)很好的解決了上述問題。該系統(tǒng)以陣列信號處理中的波束成形算法為理論依據，設計三維麥克風陣型，綜合噪聲定位的時域和頻域分析方法，采用低成本、高靈活性的集成方式，提供一種實時、快速、準確的噪聲定位與分析手段。這樣的實時分析與顯示，類似于攝像機，只是我們捕獲的對象是聲音，將聲音動態(tài)地呈現(xiàn)給觀測人員，因此又被稱為“聲學攝影機”。
下文將從噪聲定位原理、系統(tǒng)技術特點以及案例分析三方面深入闡述新一代噪聲定位分析系統(tǒng)。
噪聲定位原理
大型旋轉機械設備在運轉的過程中，每一個部件都在振動發(fā)出噪聲，然而當設備出現(xiàn)故障的時候，就會產生異常噪聲。人耳接收到的聲音往往是多個聲源的合成，還會包含多次反射或者折射后的混響干擾，所以人耳或者簡單的傳感器無法精確定位聲源，更別提確定聲音的強度以及特性了。為此，泛華恒興推出了新一代噪聲定位分析系統(tǒng)，從復雜的聲音環(huán)境中提取出由故障位置產生的噪聲源，并使聲音可視化，實現(xiàn)實時精確的噪聲跟蹤，進而排查故障消除噪聲（如圖1所示）。下面簡單介紹一下噪聲定位原理。
圖1 在復雜的聲音環(huán)境中使聲音可視化
本系統(tǒng)是利用陣列信號處理中的波束成形算法實現(xiàn)噪聲定位這一基本功能的。由于聲波的波前到達各個接收點的時間有差別，所以一個聲源到達不同麥克風陣元時間不同，就會有一組延時信息，而每一組延時都指向唯一的一個聲源，這就是我們進行數(shù)據處理的理論基礎。波數(shù)成形實質就是選擇加權向量，補償聲源到達各陣元的傳播時延，而這一過程是通過對觀測平面聚焦實現(xiàn)的。
圖2 一維麥克風陣聚焦過程
如圖2所示， 是被測聲源面上的任意聚焦點到測量陣列的聚焦波數(shù)， 為聲源的入射波數(shù)，聲源S聲強為 。波束成形的過程是將陣元測得的聲壓信號在聚焦波數(shù)方向上進行聚焦，即假設聲波是由該聚焦點輻射出來的，進而選擇時延校正因子。這樣聚焦波數(shù)方向上的聲壓輸出為：
其中，定義陣列模式為 ，它可以看作幅度加權 的空間離散傅里葉變換，而波數(shù) 相當于空間譜角頻率。當 時，聚焦波數(shù)方向上假設的時延校正因子即為聲源真實的校正因子，各陣元的測量信號經過校正后具有相同相位，即聚焦到聲源， 輸出最大值；否則，各陣元校正后的相位不同，理想情況下加權后相互抵消，輸出為零。
因此，噪聲定位分析系統(tǒng)相當于一個空間濾波器，增強指定方向上的聲音信號，削弱其他方向的信號。由于我們分析的故障噪聲頻率一般在10KHz以下，波長較長，所以采用近場波束成形算法模型，如圖3所示。
圖3 一維近場波束成形算法模型
圖3是波數(shù)成形算法的一維分析模型，聲源S在 位置，聲強為 ，聲音到達陣列上第m個陣元時，陣元接收到的信號為：
其中  ， 為聲源到陣元的延遲。將接收到的信號 對 上任意一個掃描點 進行聚焦，系統(tǒng)的聚焦輸出為 
其中  ， 為假設聚焦點為聲源時到陣元的延遲，將公式2代入公式3，得到 
根據Dirichlet函數(shù)性質，當掃描到聲源的時候，系統(tǒng)輸出最大值，而且理想情況下，其他掃描點輸出為零。
以上是陣列信號中的波束成形算法的基本原理。進一步，根據對二維平面上的掃描和計算，就會得到觀測面的聲強圖。泛華恒興設計開發(fā)的新一代噪聲定位分析系統(tǒng)改進分析模型以及算法，采用低成本高靈活性的集成方式，實現(xiàn)實時準確噪聲定位。下面介紹噪聲定位分析系統(tǒng)。
噪聲定位分析系統(tǒng)介紹
新一代的噪聲定位分析系統(tǒng)，在陣型上從二維平面陣升級到三維空間陣，改進了分析模型(如圖4所示)，對空間中的一個觀察平面上不同點的聲音強度進行掃描，繪制出一幅聲強的分布圖。
圖4 三維分析模型
整個噪聲定位系統(tǒng)相當于一個空間濾波器，根據選取的加權向量，對麥克風陣列中各陣元的測量值進行時延、加權以及求和，補償陣元間的傳播時延。這樣在期望方向上的信號，到達各陣元時具有相同的相位，獲得空間上的極大值，實現(xiàn)空間濾波。
如前文所述，麥克風陣列掃描平面上不同點聲音強度的過程，其實就是對聲源聚焦的過程，與照相機聚焦光波類似，麥克風陣列聚焦的是聲波，所以又被稱為“聲學照相機”。例如圖5這組對比圖，給定左側的實驗環(huán)境，僅憑人耳或者簡單的傳感器很難精確定位聲源，更別提聲源特性了，但是使用噪聲定位分析系統(tǒng)，給聲音環(huán)境“照相”，就可以是聲音可視化，并且可以確定聲源的強度及頻率等特征信息，實現(xiàn)真正意義上的“通感”。
圖5 給聲音環(huán)境“照相”
新一代噪聲定位分析系統(tǒng)可以動態(tài)實時的對聲波進行聚焦，所以更像是一臺“聲學攝像機”，系統(tǒng)具有如下優(yōu)良特性：
- 陣型上采用三維空間陣列分布
采用三維的空間陣分布形式，并具有不對稱性，一方面可以在空間上具有消除混響干擾的功能，增強了噪聲定位分析系統(tǒng)在室內，以及具有豐富混響環(huán)境下的應用；另一方面擴展了有效頻率帶寬，在16KHz采樣率條件下，通過調整三維空間陣麥克風的分布，有效下限頻率可以到達500Hz，有效上限頻率可以達到8KHz。
- 算法上支持動態(tài)分析
新一代噪聲定位分析系統(tǒng)增添視頻采集功能，支持動態(tài)分析，實時處理采集到的聲音數(shù)據信息，錄制分析視頻，并且支持分析數(shù)據回放。綜合了噪聲定位的時域及頻域分析方法，提供更多的噪聲特征信息。
- 硬件上采用低成本集成方式
基于低成本、便攜式以及實時處理的思想，新一代麥克風定位分析系統(tǒng)將會采用自主硬件集成。不使用傳統(tǒng)的數(shù)據采集卡，省去外部走線，而是通過一個便攜式的處理器直接采集、預處理、計算。不僅便攜美觀，而且上位機被釋放出來，只承擔一些簡單的數(shù)據交互和顯示處理結果的任務。這樣實現(xiàn)了實時性處理的同時，使系統(tǒng)易用、好用、實用。
案例分析
機械故障綜合模擬試驗臺(MFS)是一種很好的探究故障診斷的振動仿真平臺，它可模擬機械設備的各種常見故障，例如軸承故障、動不平衡、不對中等。本文使用新一代噪聲定位分析系統(tǒng)對此仿真平臺進行噪聲定位與分析。
圖6 MFS案例分析
利用振動仿真平臺，設計實驗環(huán)境，在轉子軸上懸掛一個外側有螺栓孔的偏心轉子，控制轉速在2400rpm，根據分析，在此仿真環(huán)境下，主要的噪聲源是偏心轉子上產生的嘯叫。利用噪聲定位分析系統(tǒng)對仿真環(huán)境分析，得到如圖6所示的聲像圖，選擇噪聲分析頻率為4KHz，即轉速的10倍頻處。從圖中可以看出，此刻噪聲主要是由轉子軸上的轉子產生的，而通過連續(xù)采集分析發(fā)現(xiàn)該聲強周期性的增強，而這一分析結果剛好與事實相符。噪聲定位分析系統(tǒng)就是通過綜合時域及頻域噪聲定位方法，靈活方便地確定故障位置，以及故障產生的異常噪聲的時域、頻域以及倒譜域的聲音特性。為故障診斷提供了一種更直觀、更便捷、更多元化的解決方案。同時，測試系統(tǒng)的可靠性、精確性、適應性、靈活性和拓展性，也正是柔性測試技術所關注的。
總結
本文介紹了新一代噪聲定位分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)以波束成形算法為理論依據，設計三維麥克風陣列，綜合噪聲定位的時域和頻率分析方法，并且采用低成本集成手段，支持用戶自定制陣列設計，為大型旋轉機械的設備維護和故障診斷提供便攜、實時、快速、準確的解決方案。
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