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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(duì)大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障診斷的關(guān)鍵，所以如何在多噪聲源、多振動(dòng)部件共存的復(fù)雜聲源環(huán)境精確定位噪聲的難題，一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。麥克風(fēng)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(jī)械改良等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中，三維麥克風(fēng)陣列綜合了綜合噪聲定位的時(shí)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(dòng)部件，進(jìn)而排查故障原因，實(shí)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(xué)攝影機(jī)”，為大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)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(shù)在聲信號(hào)領(lǐng)域的一項(xiàng)成功應(yīng)用。
關(guān)鍵字
麥克風(fēng)陣 波束成形 噪聲定位 聲學(xué)攝影機(jī)
引言
汽輪機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的維護(hù)及故障診斷，一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)：一方面設(shè)備成本高，一旦發(fā)生故障，會(huì)造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失和安全生產(chǎn)障礙；另一方面，大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)組件較多，有時(shí)需要采用非接觸式測量，導(dǎo)致故障診斷過程復(fù)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(hào)處理中的波束成形算法為理論依據(jù)，設(shè)計(jì)三維麥克風(fēng)陣型，綜合噪聲定位的時(shí)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(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確的噪聲定位與分析手段。這樣的實(shí)時(shí)分析與顯示，類似于攝像機(jī)，只是我們捕獲的對(duì)象是聲音，將聲音動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)給觀測人員，因此又被稱為“聲學(xué)攝影機(jī)”。
下文將從噪聲定位原理、系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)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(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，每一個(gè)部件都在振動(dòng)發(fā)出噪聲，然而當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生異常噪聲。人耳接收到的聲音往往是多個(gè)聲源的合成，還會(huì)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(qiáng)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(fù)雜的聲音環(huán)境中提取出由故障位置產(chǎn)生的噪聲源，并使聲音可視化，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確的噪聲跟蹤，進(jìn)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(fù)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(hào)處理中的波束成形算法實(shí)現(xiàn)噪聲定位這一基本功能的。由于聲波的波前到達(dá)各個(gè)接收點(diǎn)的時(shí)間有差別，所以一個(gè)聲源到達(dá)不同麥克風(fēng)陣元時(shí)間不同，就會(huì)有一組延時(shí)信息，而每一組延時(shí)都指向唯一的一個(gè)聲源，這就是我們進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的理論基礎(chǔ)。波數(shù)成形實(shí)質(zhì)就是選擇加權(quán)向量，補(bǔ)償聲源到達(dá)各陣元的傳播時(shí)延，而這一過程是通過對(duì)觀測平面聚焦實(shí)現(xiàn)的。
圖2 一維麥克風(fēng)陣聚焦過程
如圖2所示， 是被測聲源面上的任意聚焦點(diǎn)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(qiáng)為 。波束成形的過程是將陣元測得的聲壓信號(hào)在聚焦波數(shù)方向上進(jìn)行聚焦，即假設(shè)聲波是由該聚焦點(diǎn)輻射出來的，進(jìn)而選擇時(shí)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(quán) 的空間離散傅里葉變換，而波數(shù) 相當(dāng)于空間譜角頻率。當(dāng) 時(shí)，聚焦波數(shù)方向上假設(shè)的時(shí)延校正因子即為聲源真實(shí)的校正因子，各陣元的測量信號(hào)經(jīng)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(quán)后相互抵消，輸出為零。
因此，噪聲定位分析系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)空間濾波器，增強(qiáng)指定方向上的聲音信號(hào)，削弱其他方向的信號(hào)。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(qiáng)為 ，聲音到達(dá)陣列上第m個(gè)陣元時(shí)，陣元接收到的信號(hào)為：
其中  ， 為聲源到陣元的延遲。將接收到的信號(hào) 對(duì) 上任意一個(gè)掃描點(diǎn) 進(jìn)行聚焦，系統(tǒng)的聚焦輸出為 
其中  ， 為假設(shè)聚焦點(diǎn)為聲源時(shí)到陣元的延遲，將公式2代入公式3，得到 
根據(jù)Dirichlet函數(shù)性質(zhì)，當(dāng)掃描到聲源的時(shí)候，系統(tǒng)輸出最大值，而且理想情況下，其他掃描點(diǎn)輸出為零。
以上是陣列信號(hào)中的波束成形算法的基本原理。進(jìn)一步，根據(jù)對(duì)二維平面上的掃描和計(jì)算，就會(huì)得到觀測面的聲強(qiáng)圖。泛華恒興設(shè)計(jì)開發(fā)的新一代噪聲定位分析系統(tǒng)改進(jìn)分析模型以及算法，采用低成本高靈活性的集成方式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)準(zhǔn)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(jí)到三維空間陣，改進(jìn)了分析模型(如圖4所示)，對(duì)空間中的一個(gè)觀察平面上不同點(diǎn)的聲音強(qiáng)度進(jìn)行掃描，繪制出一幅聲強(qiáng)的分布圖。
圖4 三維分析模型
整個(gè)噪聲定位系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)空間濾波器，根據(jù)選取的加權(quán)向量，對(duì)麥克風(fēng)陣列中各陣元的測量值進(jìn)行時(shí)延、加權(quán)以及求和，補(bǔ)償陣元間的傳播時(shí)延。這樣在期望方向上的信號(hào)，到達(dá)各陣元時(shí)具有相同的相位，獲得空間上的極大值，實(shí)現(xiàn)空間濾波。
如前文所述，麥克風(fēng)陣列掃描平面上不同點(diǎn)聲音強(qiáng)度的過程，其實(shí)就是對(duì)聲源聚焦的過程，與照相機(jī)聚焦光波類似，麥克風(fēng)陣列聚焦的是聲波，所以又被稱為“聲學(xué)照相機(jī)”。例如圖5這組對(duì)比圖，給定左側(cè)的實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度及頻率等特征信息，實(shí)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(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的對(duì)聲波進(jìn)行聚焦，所以更像是一臺(tái)“聲學(xué)攝像機(jī)”，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(duì)稱性，一方面可以在空間上具有消除混響干擾的功能，增強(qiáng)了噪聲定位分析系統(tǒng)在室內(nèi)，以及具有豐富混響環(huán)境下的應(yīng)用；另一方面擴(kuò)展了有效頻率帶寬，在16KHz采樣率條件下，通過調(diào)整三維空間陣麥克風(fēng)的分布，有效下限頻率可以到達(dá)500Hz，有效上限頻率可以達(dá)到8KHz。
- 算法上支持動(dòng)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(dòng)態(tài)分析，實(shí)時(shí)處理采集到的聲音數(shù)據(jù)信息，錄制分析視頻，并且支持分析數(shù)據(jù)回放。綜合了噪聲定位的時(shí)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(shí)時(shí)處理的思想，新一代麥克風(fēng)定位分析系統(tǒng)將會(huì)采用自主硬件集成。不使用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡，省去外部走線，而是通過一個(gè)便攜式的處理器直接采集、預(yù)處理、計(jì)算。不僅便攜美觀，而且上位機(jī)被釋放出來，只承擔(dān)一些簡單的數(shù)據(jù)交互和顯示處理結(jié)果的任務(wù)。這樣實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)性處理的同時(shí)，使系統(tǒng)易用、好用、實(shí)用。
案例分析
機(jī)械故障綜合模擬試驗(yàn)臺(tái)(MFS)是一種很好的探究故障診斷的振動(dòng)仿真平臺(tái)，它可模擬機(jī)械設(shè)備的各種常見故障，例如軸承故障、動(dòng)不平衡、不對(duì)中等。本文使用新一代噪聲定位分析系統(tǒng)對(duì)此仿真平臺(tái)進(jìn)行噪聲定位與分析。
圖6 MFS案例分析
利用振動(dòng)仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在轉(zhuǎn)子軸上懸掛一個(gè)外側(cè)有螺栓孔的偏心轉(zhuǎn)子，控制轉(zhuǎn)速在2400rpm，根據(jù)分析，在此仿真環(huán)境下，主要的噪聲源是偏心轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的嘯叫。利用噪聲定位分析系統(tǒng)對(duì)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(zhuǎn)速的10倍頻處。從圖中可以看出，此刻噪聲主要是由轉(zhuǎn)子軸上的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的，而通過連續(xù)采集分析發(fā)現(xiàn)該聲強(qiáng)周期性的增強(qiáng)，而這一分析結(jié)果剛好與事實(shí)相符。噪聲定位分析系統(tǒng)就是通過綜合時(shí)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(chǎn)生的異常噪聲的時(shí)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(shí)，測試系統(tǒng)的可靠性、精確性、適應(yīng)性、靈活性和拓展性，也正是柔性測試技術(shù)所關(guān)注的。
總結(jié)
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(jù)，設(shè)計(jì)三維麥克風(fēng)陣列，綜合噪聲定位的時(shí)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(shè)計(jì)，為大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)備維護(hù)和故障診斷提供便攜、實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確的解決方案。
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