声像仪、声学照相机 声学照相机、声像仪、测量声源幅值

简介：*声学研究所

*声学研究所（以下简称声学所）成立于1964年，其前身是*电子学研究所的水声学研究室、空气声学研究室、超声学研究室和位于海南、上海、青岛的3个研究站。

声学所主要从事声学和信号信息处理研究，包括水声物理与水声探测技术、环境声学与噪声控制技术、超声学与声学微机电技术、通信声学与语音信号处理技术、声学制导与数字系统集成技术、网络新媒体与高性能网络技术。

中科院声学所从2000年开始重点研究了传声器阵列声成像测量技术的理论问题和关键技术，在前期基础研究中，针对小基阵、简单阵、平面阵、空间阵等多种特殊阵列结构开展了深入研究，近年来完成了多种阵列的模型实验研究，在平面螺旋阵模型和球型阵模型，以及其他多种分布的模型上进行实验，取得了大量的实验数据，并在模型实验中取得了清晰的声像图。声相仪是声学所在多年理论研究基础上开发出的产品，是目前国内*可视化声学测量设备，开创了声学测量的新方法，一经问世即获得广泛关注。

声相仪采用声成像方法，基于传声器阵列测量技术，利用声学理论和信息处理等技术，测量空间声场分布云图－声像图，将声音变成人眼可见的图像，反映噪声状态，使人们能够直观地认识声场，便捷准确地定位噪声源的位置和发现噪声产生的原因。与十字阵、矩形阵、环形阵、双环形阵对比而言，螺旋阵型是*的，螺旋阵虚像zui弱。而球形阵具有*探测的功能。

声相仪，以精确声成像技术以分离检测机器各部位发出的声音，用于实现对多干扰声源和封闭空间等恶劣环境中的机器设备噪声源分析，进而寻找噪声治理、噪声控制的途径，对设备进行噪声故障诊断。声成像测量技术的应用对于噪声测量具有划时代的意义，对于促进工业设计和生产技术的提高具有深远的影响，必将广泛应用于各行业和企业。

⊙声成像定义

• 声相仪，又名声学照相机；
• 利用传声器阵列声成像（acoustic imaging）测量一定范围内的声场分布，用于测量物体发出声音的位置和声音辐射的状态，并以云图方式显示出直观的图像；
• 依据相控阵原理，确定声源的位置，测量声源的幅值;
• 以图像的方式显示声源在空间的分布情况，以图像的颜色和亮度代表声音的强弱；
• 声像图与视频图像透明叠加，直观分析噪声状态；帮助人们直观地认识声场、声波、声源，了解机器设备产生噪声的部位和原因，物体的声像反映了其所处的状态；
• 声成像质量的主要指标：图像的分辨率、信噪比、畸变和虚像等。声成像质量不仅与所用的仪器设备有关，而且在很大程度上还与声波在介质中传播的特性（如反射、折射和波型转换）有关。

⊙InSYS2010型声相仪的组成

• 声相仪是利用声成像原理检测物体所产生的声音以及环境声音，并以图像的形式显示声音的空间位置和强度的一种灵巧的、功能化、精密的测量分析系统；
• 构成：传声器阵列，阵列信号采集分析单元，及阵列信号分析软件；
• 传声器阵列是一定数量的性能稳定的测量传声器固定分布在一个具有较好刚性的平面螺旋形框架上（螺旋形框架刚性辐条为8条，每条刚性辐条上有8个阵元）；
• 阵列上各阵元的信号线全部集中到一个适配器中，安装时只需将适配器插在信号处理与采集仪上即可；
• 信号处理与采集仪通过USB线连接到一个USB交换机（HUB）上，同时摄像头的USB线也连接到USB交换机上，USB交换机通过USB延长线连接到计算机的USB接口。

⊙声相仪系统软件界面

●察看波形                   

●频谱分析                   

●声像图分析                 

●时频图分析                 

●定点提取声音分析         

⊕声相仪的软件功能

• 信号增强：抑制背景干扰，精确定位，多模型分别聚焦成像，有区别地定位、跟踪某一声源，无失真地播放特定位置声音。
• 声成像：检测声压分布，锁定瞬间声音，捕捉冲击声音，检测移动声源和语音类声音。
• 逐点声音信号分析功能：用鼠标左键拖拉将单点的声音信号提取出来分析。包括频谱分析，声压分析，波形分析，小波分析，希尔波特变换分析等，识别声音，提取声音监听。
• 精确聚焦：多声源自动聚焦检测，使声音幅值zui高，可翻回观察声场图像。

当鼠标选定（左击）声像中的某点时，可以滚轮来调节“聚焦”的前后位置，右击取消选定功能。

• 多声源模型的分区探测：对开阔空间多个声源的声像分析，用手动的方法分区，再对同一区域内的象素点同步调节，使声像图zui清楚。
• 轨迹跟踪检测：程序自动跟踪声源点轨迹。
• 后处理：对于快速移动物体的声成像检测，先对目标声音和视频连续记录保存，然后对声音进行逐帧计算声像，可调节回放速度。
• 滑动监测：调节图下的时间窗口长度，zui短为1/10帧的时间，zui长为100帧的时间。
• 声像图与视频图校准：声像图与视频图经常会发生偏差。其原因主要有摄像头存在差异，搬运阵列造成摄像头偏向。
• 定点声源记录、监听：连续地对固定点进行波束形成，并把得到的信号数据连续地保存，并可输出到扬声器。

⊙第二代耐高温声相仪技术指标

⊕直径75cm布基球声相仪技术指标

⊕球形阵对多声源的分辨

• 全空间声成像，播衰减修正提高测量精度。

⊙声相仪功能

• 以图像形式显示声源位置和分布

将声像图与视频图重叠显示，动态分析目标声音分布，即形象直观，又可重复连续使用。

• 以聚焦检测方法分离提取空间不同位置的声音

针对重点位置声源，可以采用聚焦提取方法，通过信号增强方法抑制其他声音的影响，得到高信噪比的目标声音，可以提高对声音的监听或识别能力。

• 融合多种信号分析方法

针对提取的声音，采用小波分析，时频分析，频谱分析，波形分析，相关分析等多种手段，分析声音的各项指标，为充分挖掘声音所体现的信息提供多种*分析手段。

• 定点、定向拾取声音

针对空间某一小区域定位拾取声音，可以抑制旁边声音的干扰，或者消除背景噪声的干扰，增强主要声音的信混比，达到提高主要声音的清晰度的功能。

• 点源定位

利用传声器阵列实现对炸点一类冲击声源定位。依据一个或者多个阵列，测定声源的空间坐标，可以快速无丢失地精确测定声源位置和移动目标的轨迹。

• 故障诊断

针对设备研制调试的故障诊断，针对正在运行的机器设备的故障诊断，即适用于开阔空间自由场，又适用于封闭空间混响环境中的多声源检测与识别问题。声学检测具有信息量大、非接触安装、可使用多项分析技术的特点。工业设施内采用空气声学监测多个机器运转声音，对各机器声音定位分离检测后，从声音的变化来反映机器运行性能的变化。

• 监听监控

阵列声成像检测和目标信号增强技术，用于提高对远距离目标发现能力，以及通过对复杂环境中抑制干扰提取目标声音，可以很好地提高*对反恐目标的搜索能力。便携式装备，进行声图像化测量分析，和多目标任意分离检测，适用于灵活机动的探测需求。

⊙声相仪应用领域

• 声相仪的应用领域较传统的声学测量领域取得了超越性的拓展，在下列领域具有应用价值：
• 火车、汽车、轮船、舰船、飞机的研制生产，汽、柴油机生产，皮带运输机制造和使用；
• 空调、冰箱、电视、洗衣机等家电生产，计算机制造以及其他各种机械设备的研制生产；
• 在设计、制造和使用时都可以使用声相仪对噪声进行测量分析和故障诊断；
• 在一切噪声环境监测、设备噪治理、室内声学测量等，都可以使用声相仪测量声音的分布；
• 在声学实验室里、开放的环境、以及在日常的恶劣条件下使用都可以发挥声相仪*的成像测量的可视化优势。
• 家电行业的噪声控制：通过声相仪检测空调、冰箱、洗衣机等给出的家电产品发声的部位，帮助设计者改进结构，消除噪声源或者减小噪声强度；
• 电厂、车间等环境噪声监测：通过声相仪给出的电厂、或者其他企业的噪声分布，标示噪声产生的位置和强度，帮助找到消除噪声的方法；
• 公路噪声分析：利用声相仪测量汽车行驶的噪声分布；
• 火车、高铁的噪声监测：测量火车、高铁行驶噪声，分析噪声的分布，有利于设计声屏障和采取降噪措施；
• 汽车噪声分析：测量汽车发动机、轮胎、车窗、驾驶室等部位噪声，有利于改进汽车结构设计，降低噪声等级；
• 船舶噪声分析：利用声相仪测量船舶内各部位噪声分布，有利于设计安静型船舶；
• 飞机噪声监测分析：测量飞机起飞和降落时的噪声，有利于形成环保规范和取得降低飞行噪声的有效方法；
• 火炮定位与炸点定位：利用多台声相仪测量爆炸和撞击声等冲击类声波，可以精确测定爆炸点的位置；
• 监测机器：通过建库得到机器各种状态的特征量数据库后，就可以对机器状态进行实时监测。
• 定点提取目标声源，复杂环境中目标跟踪：用于提高对远距离目标发现能力，以及通过对复杂环境中抑制干扰提取目标声音，可以很好地提高*对反恐目标的搜索能力，达到监听监控的目的；
• 定点定向拾取特定人物的说话声音，可以消除周围声音的干扰，得到清晰的主讲者话音，主讲者不再需要配载话筒。可应用于舞台演唱、节目主持、采访、会议等应用，可使主持人、歌唱者不需要手持话筒，使被采访者、发言人远离话筒以避免不必要的危险（恐怖）；
• 噪声评价：用于对电站、变压器、机车等噪声品质的评价，以定点和定量形式报告设备噪声量级，频率范围等；
• 用于对厅堂声音分布的检测分析，以分布图形式报告厅堂声音是否均匀，是否存在声学暗区；
• 用于对小范围环境的噪声测量评价，以分布图形式报告生活小区的噪声强度，特别是沿街，具体测定生活小区附近每个噪声源（加工厂、实验场等）强度。

⊙应用实例

1、半消声室测量汽车发动机噪声的声像图

2、汽车发动机噪声测量

l    重庆某汽车发动机生产厂商，汽车发动机噪声的声像图

左：1250-1550Hz的噪声声像图          右：3300-3600Hz的噪声声像图    江苏某汽车生产厂商的汽车发动机噪声监测

问题：生产线上积压数百台问题发动机——异响；

实测：发动机异常啸叫声对比

2300转/分时，能听到清楚的啸叫声，2300Hz和3100Hz处线频较高，能测到清楚的两个声像斑。

左：正常声音频谱

右：啸叫声音频谱

左：3100Hz声像图                             右：2300Hz声像图

原因分析：

在发动机内，在高速运转情况下，链条飞速移动引起两侧的尼龙滑轨振动；

左侧滑轨被一个支撑点固定，振动部件短，因而共振频率为3100Hz；

右侧滑轨有一个固定梢，上端有一段60mm长的悬臂，共振频率在2300Hz。

解决方案1：消除激发这两处振动的源动力;

解决方案2：改变结构设计，使两侧悬臂的共振频率向高频偏移，以增加衰减量。

3、飞机发动机声像图

• *排：1500Hz的噪声声像图

• 第二排左：1700Hz的噪声声像图
• 第二排右：2400Hz的噪声声像图

4、家电产品噪声测量

l  在深圳某大型企业测量其产品----程控交换机排风扇噪声。

产生噪声原因：风扇旁的金属件有破裂口所引起。德国的同类产品没有测量出来。

• 半消声室内测量的计算机CPU风扇噪声的声像图

• 左：吸尘器噪声的声像图                    右：电风扇噪声的声像图

• 左：平板电视机的声像图      中：空调的声像图       右：抽烟机噪声的声像图

5、公路上测量汽车发动机噪声的声相图

6、核电站噪声测量

7、压缩机轴噪声和储气罐噪声的声像图

8、变电站噪声测量

⊙与国外同类产品相比的优点

1.阵型*的螺旋阵列型声相仪，具有很好的虚像抑制能力，这是*的阵型，而国外卖给中国的是环形阵、三环形阵、三擘星形阵、矩形阵；

2.使用zui高精度的测量传声器及微型前置，特别适合测量机器设备的噪声，而国外传感器，主要是测人说话声音；

3.阵型尺寸大，直径有1m和2m甚至4m，直径大的适合测量机器的低频噪声，而国外卖给中国的是0.75m；

4.阵元数量64，噪声抑制能力强，国外的是36或48阵元；

5.声像图的分辨率是41.5万相素，德国的只有19.2万相素；

6.同国外产品相比，信噪比高14dB，声图相更清晰；

7.测量频率范围宽：2Hz-20kHz，国外产品的相应范围是100Hz-10kHz

200Hz-6000Hz，国外产品的声相可分离频率范围600Hz-6000Hz；

8.总功耗只有4w，电池可以连续工作十小时；

9.轻便灵活，仪器装在一个小行李箱内（总重量15kg），国外的带包装后的总重量50kg以上；

10. 分钟内可以安装完毕，国外的，安装至少需要3小时以上，；

11.操作简单易学，一般的技术人员就能操作，半小时学会，国外的至少需要培训1个月，而且必须是懂声学的技术人员，甚至更长时间；

12.可以根据用户的需求进行针对性的开发，增加特定的软件功能；

13.国外产品的软件无法作到本地化和针对性开发，全部为通用软件，无法实现*应用；

14.性价比高，在使用上方便可靠；在使用上方便可靠。

：丁峙：