基于“柔性測試”技術的噪聲源定位分析系統

作者：郝王松

泛華測控系統開發部 開發工程師

1.引言

“柔性測試”技術是以相關技術為依托，滿足測試測量需求的系統設計與實現技術。它以虛擬儀器技術、測試測量技術、機電一體化技術、軟件技術、通信及網絡技術為核心，是現代測試技術的代表之一，它的特點有： (1)適用性：滿足多種測試環境要求，提供多種測試性能，融合多種信號測試能力；(2)靈活性：發揮模塊化、插件化、分布式設計的靈活性，根據客戶需求改變測試系統的功能及性能；(3)可擴展性：跟進相關技術進展，實現測試能力的不斷提高。噪聲源定位分析系統（Sound Source Localization System，簡稱SSLS）正是基于“柔性測試”技術開發的，具有靈活性、適應性、拓展性等特點的現代測試系統，其在設計伊始便將“柔性測試”技術貫穿于系統的每一個環節。

2.系統結構

SSLS的系統結構如圖1所示：

基于“柔性測試”技術設計的SSLS由麥克風陣裝置、傳輸線纜和主機組成：

麥克風陣裝置擁有獨特的設計（標準陣列）：共有8根橫梁，每根橫梁上放置8支內置麥克風。每根橫梁通過SMB接口使每支麥克風與主體支架相聯，在主體支架中心安置的攝像頭，用于拍攝實景。整個裝置的特點是：靈活、小巧、輕便、易于安裝——當其中一支麥克風出現問題，只需更換相應橫梁，無需作其他改變；當需要增加或減少麥克風時，只需安裝或拆卸相應橫梁。整個麥克風陣裝置充分體現了“柔性測試”技術的靈活性和拓展性。

傳輸線纜用于將陣列裝置轉換的電信號同步傳輸至系統主機，它具有長度一致、通道之間隔離與屏蔽等特點。

主機是SSLS的核心，硬件部分包括PXI機箱、控制器以及多通道動態信號采集卡。8塊動態信號采集卡實現聲音信號的同步采集，尤其帶有抗混疊濾波功能，具有精度高、動態范圍大等特點，專為動態信號采集而設計。PXI機箱背板總線為信號采集提供可靠保證：跨板卡的兩個通道同步采集1kHz信號，相位差保證在0.1度內；控制器為實時測試和控制應用程序提供了高性能平臺。SSLS采用LabVIEW環境開發的系統軟件，該軟件能夠控制系統硬件進行多通道聲音信號的同步采集與分析；采用波束形成技術計算聲場分布，然后將聲場分布圖疊加在實景圖片上，直觀地反映出噪聲源的位置。系統軟件還具備陣形效果仿真功能，用戶可以對根據環境、信號特性等因素配置的多種麥克風陣型進行效果仿真，獲取所配陣型的測量效果，為選擇合適的陣型提供依據，具備很強的適應性和拓展性。

3.柔性技術的完美體現

作為“柔性測試”技術的創始者和堅定的實踐者，我們將“柔性測試”技術滲透到SSLS設計的每一個環節，具體表現在：

定位算法的選擇：考慮到聲場狀況、噪聲設備的多樣性等問題，系統采用了波束形成算法。這樣陣列裝置就不僅能夠采用規則陣列，同時也能夠采用許多不規則的陣列，如螺旋陣，隨機陣等，使得定位的應用面更加廣泛，能夠應對多種不同狀況；

軟硬件平臺的選擇：利用虛擬儀器技術，選擇PXI硬件平臺。因為PXI總線具有很大的數據吞吐能力，能夠滿足多通道動態數據的同步采集需求，同時方便以后增加或刪除通道，使得系統具有很好的擴展性和靈活性；

軟件技術：考慮到使用時可以方便快速的更換各種陣列裝置，系統軟件設計時，采用模塊化設計思路，當采用不同陣型的陣列裝置時，操作者只需導入相應陣型配置文件即可；

系統設計時還結合了其它設計技術，比如陣列裝置的設計，采用了模塊化接口技術，使得陣列裝置的擴展、組裝與拆卸都方便快捷。

4.系統功能

SSLS可以使得聲音“可視化”，能夠幫助聲學工程師“看出”被測噪聲對象的聲場分布、找出各主要聲源點的位置，是從復雜的聲音信號中提取有用信息的利器，其具備的功能有：

聲源定位：顯示分析平面內各處的聲場相對能量之大小，根據該能量分布圖可找出各個主要聲源的位置；

識別不同聲源： 顯示指定頻帶上的聲場分布情況，從而在嘈雜的聲音環境中識別出不同頻帶上的主要聲源；

聲源信號分離與分析：從復雜的聲音信號中分離出指定位置的聲源信號，然后對該聲源信號進行聲音回放與頻譜分析，用戶也可以對分離出來的信號進行自定義分析；

頻譜分析：根據用戶設置，可對特定時間段的聲信號進行頻譜分析；

聯合時頻分析：以時間、頻率為坐標軸，顯示聲音信號能量譜信息。

5.系統特點：

SSLS充分融合了“柔性測試”技術和聲音處理技術，具有如下特點：

多聲源定位：在允許的分辨率范圍內，系統能夠同時對多個聲源進行定位。

方便的陣列放置：系統區別于一般的近場聲全息方法，無須將麥克風陣列貼近被測對象表面（d<<λ），在增大了系統的“視野”的同時，還避免了近場聲全息方法對陣列位置的局限性。

靈活的陣形配置： 系統的陣形能夠根據不同的聲場情況進行靈活配置，從而獲得理想的分析效果，因此系統能夠應用于多種不同的聲場狀況。

直觀的顯示方式：系統在被測對象圖片上顯示聲場能量分布，通過觀察圖片就可以直觀的看出被測對象上聲源所在的位置。

6.小結：

“ 柔性測試” 技術是在復雜、多變的市場壓力下產生的新興測試技術，該技術的較大優勢在于它可滿足不同制造行業的復雜、多變的測試測量需求。“柔性測試”技術整合了虛擬儀器、測試測量、機電一體化、網絡通信及軟件等多種技術，是泛華測控在測試測量行業多年技術沉淀的一種提煉。SSLS秉承了“柔性測試”這一理念，將及時、有效的滿足客戶需求視為終極追求，充分考慮需求多變性、復雜性以及成本可行性等因素，具有很強的靈活性、適應性、拓展性，能夠滿足客戶多種聲場狀況分析的需要，易安裝，易維護，充分順應現代測試系統的發展方向，是“柔性測試”技術的完美體現。