基于“柔性测试”技术的噪声源定位分析系统

1. 引言

“柔性测试”技术是以相关技术为依托，满足测试测量需求的系统设计与实现技术。它以虚拟仪器技术、测试测量技术、机电一体化技术、软件技术、通信及网络技术为核心，是现代测试技术的代表之一，它的特点有： (1)适用性：满足多种测试环境要求，提供多种测试性能，融合多种信号测试能力；(2)灵活性：发挥模块化、插件化、分布式设计的灵活性，根据客户需求改变测试系统的功能及性能；(3)可扩展性：跟进相关技术进展，实现测试能力的不断提高。噪声源定位分析系统（Sound Source Localization System，简称SSLS）正是基于“柔性测试”技术开发的，具有灵活性、适应性、拓展性等特点的现代测试系统，其在设计伊始便将“柔性测试”技术贯穿于系统的每一个环节。

1. 系统结构

SSLS的系统结构如图1所示：

图1 系统结构

基于“柔性测试”技术设计的SSLS由麦克风阵装置、传输线缆和主机组成：
麦克风阵装置拥有独特的设计（标准阵列）：共有8根横梁，每根横梁上放置8支内置麦克风。每根横梁通过SMB接口使每支麦克风与主体支架相联，在主体支架中心安置的摄像头，用于拍摄实景。整个装置的特点是：灵活、小巧、轻便、易于安装——当其中一支麦克风出现问题，只需更换相应横梁，无需作其他改变；当需要增加或减少麦克风时，只需安装或拆卸相应横梁。整个麦克风阵装置充分体现了“柔性测试”技术的灵活性和拓展性。

图2 麦克风阵列装置

传输线缆用于将阵列装置转换的电信号同步传输至系统主机，它具有长度一致、通道之间隔离与屏蔽等特点。
主机是SSLS的核心，硬件部分包括PXI机箱、控制器以及多通道动态信号采集卡。8块动态信号采集卡实现声音信号的同步采集，尤其带有抗混叠滤波功能，具有精度高、动态范围大等特点，专为动态信号采集而设计。PXI机箱背板总线为信号采集提供可靠保证：跨板卡的两个通道同步采集1kHz信号，相位差保证在0.1度内；控制器为实时测试和控制应用程序提供了高性能平台。SSLS采用LabVIEW环境开发的系统软件，该软件能够控制系统硬件进行多通道声音信号的同步采集与分析；采用波束形成技术计算声场分布，然后将声场分布图叠加在实景图片上，直观地反映出噪声源的位置。系统软件还具备阵形效果仿真功能，用户可以对根据环境、信号特性等因素配置的多种麦克风阵型进行效果仿真，获取所配阵型的测量效果，为选择合适的阵型提供依据，具备很强的适应性和拓展性。

图3 定位分析演示图

1. 柔性技术的完美体现

作为“柔性测试”技术的创始者和坚定的实践者，我们将“柔性测试”技术渗透到SSLS设计的每一个环节，具体表现在：

1. 定位算法的选择：考虑到声场状况、噪声设备的多样性等问题，系统采用了波束形成算法。这样阵列装置就不仅能够采用规则阵列，同时也能够采用许多不规则的阵列，如螺旋阵，随机阵等，使得定位的应用面更加广泛，能够应对多种不同状况；
2. 软硬件平台的选择：利用虚拟仪器技术，选择PXI硬件平台。因为PXI总线具有很大的数据吞吐能力，能够满足多通道动态数据的同步采集需求，同时方便以后增加或删除通道，使得系统具有很好的扩展性和灵活性；
3. 软件技术：考虑到使用时可以方便快速的更换各种阵列装置，系统软件设计时，采用模块化设计思路，当采用不同阵型的阵列装置时，操作者只需导入相应阵型配置文件即可；
4. 系统设计时还结合了其它设计技术，比如阵列装置的设计，采用了模块化接口技术，使得阵列装置的扩展、组装与拆卸都方便快捷。

1. 系统功能 

SSLS可以使得声音“可视化”，能够帮助声学工程师“看出”被测噪声对象的声场分布、找出各主要声源点的位置，是从复杂的声音信号中提取有用信息的利器，其具备的功能有：

1. 声源定位：显示分析平面内各处的声场相对能量之大小，根据该能量分布图可找出各个主要声源的位置；
2. 识别不同声源：显示指定频带上的声场分布情况，从而在嘈杂的声音环境中识别出不同频带上的主要声源；
3. 声源信号分离与分析：从复杂的声音信号中分离出指定位置的声源信号，然后对该声源信号进行声音回放与频谱分析，用户也可以对分离出来的信号进行自定义分析；
4. 频谱分析：根据用户设置，可对特定时间段的声信号进行频谱分析；
5. 联合时频分析：以时间、频率为坐标轴，显示声音信号能量谱信息。

1. 系统特点：

SSLS充分融合了“柔性测试”技术和声音处理技术，具有如下特点：

1. 多声源定位：在允许的分辨率范围内，系统能够同时对多个声源进行定位。
2. 方便的阵列放置：系统区别于一般的近场声全息方法，无须将麦克风阵列贴近被测对象表面（d<<λ），在增大了系统的“视野”的同时，还避免了近场声全息方法对阵列位置的局限性。
3. 灵活的阵形配置：系统的阵形能够根据不同的声场情况进行灵活配置，从而获得理想的分析效果，因此系统能够应用于多种不同的声场状况。
4. 直观的显示方式：系统在被测对象图片上显示声场能量分布，通过观察图片就可以直观的看出被测对象上声源所在的位置。

1. 小结：

“柔性测试”技术是在复杂、多变的市场压力下产生的新兴测试技术，该技术的最大优势在于它可满足不同制造行业的复杂、多变的测试测量需求。“柔性测试”技术整合了虚拟仪器、测试测量、机电一体化、网络通信及软件等多种技术，是泛华测控在测试测量行业多年技术沉淀的一种提炼。SSLS秉承了“柔性测试”这一理念，将及时、有效的满足客户需求视为终极追求，充分考虑需求多变性、复杂性以及成本可行性等因素，具有很强的灵活性、适应性、拓展性，能够满足客户多种声场状况分析的需要，易安装，易维护，充分顺应现代测试系统的发展方向，是“柔性测试”技术的完美体现。