实时声源分布表示装置

近年来,声源声场的表示计算计算取得了迅速的发展,从原来的声压级测量分布表示,声强的矢量表示,进化到使用大量传声器及多通道数据采集处理的声像法及Beamforming法,使得以前难以实现的高精度实时声源声场表示成为现实。

 

这里介绍的是利用Beamforming法(以下简称为BF法)原理进行实时声源表示的测试系统。

 

到目前为止,大多数的测试系统都是首先在测量现场记录时间数据,然后进行详细处理解析,将摄像机记录的影像与声压分布进行合成表示,可直观地了解掌握声源位置情况的方法为主流。能够以实时处理的动画影像表示的标准速度1 fps ~ 6 fps,表现非稳态声源,移动声源,在测试现场立刻得到测量解析结果的系统几乎没有。以下介绍的使用BF法的声源表示系统,重视处理表示的实时性,使用的数据采集记录部分,其有关BF法信号处理及动画处理由FPGA(Field Programmable Gate Array)承担,可实现25 fps(40 ms间隔)的高速处理表示。

 

  • 独自的传声器分布配置可进行宽频段频率分析(500 Hz ~ 10 kHz )
  • 实现高速处理(25 次/秒,空间分辨率33×33,1089 数据组)
  • 装置设置简单,系统操作方便

在测量现场,可通过电脑观察CCD照相机的影像与声源的合成表示,实时观察声源的动态变化,使得分析过程简单明了。

为了缩短测量分析过程的时间提高工作效率,此系统是声源表示分析的最佳选择。





传声器列阵的组成

左图所示,传声器列阵共配置36个传声器。

 

将园9等分,分割为9个区域,每个区域内随机分布设置4个传声器。由于`各个传声器的间隔是随机的,因此从低频到高频的声源都可以扑捉到。

Beamforming法的工作原理

测量用传声器一般没有指向性,将多个测量用传声器设置在一个平面形成列阵时,测量的数据经延迟处理,列阵全体可成为指向性系统。

 

本系统通过数据的相位处理进行指向性控制完成声压分布图。

 

根据Beamforming法的工作原理,如果在传声器列阵正面存在声源时,列阵中各个传声器的信号的相位几乎相同,通过叠加可以得到更大的信号。如果声源是在传声器列阵的某一侧面,列阵中各个传声器的信号由于声源的距离不同,到达存在时间差异,通过叠加由于相位的不同信号被相互抵消变小。这样通过传声器列阵的信号叠加处理形成指向性系统。



信号处理流程


实时声源表示分析处理示例

数据由日本交通环境研究所提供


+:为最大声压位置,左上为其声压级值


(wmv文件格式 4.0 MB)


(wmv文件格式 853 kB)


(wmv文件格式 566 kB
)

※ 录像回放的速度比实际状态稍有延迟,并且声音被去掉。



简要规格

传声器 1/4 英寸传声器 × 36 分析结果 声压分布
测量规格 実時間解析周波数バンド×1
(周波数バンドは500 ~ 10 kHz の
範囲で任意設定)
处理速度 40 ms/画面
采样频率:25.6 kHz 空间分辨率 33×33,1089 数据组(1画面)
分析频率:500 Hz ~ 10 kHz 保存数据 时间波形及结果画像
尺寸,重量 列阵直径:0.8 m,重量:8.5 kg 再处理功能 结果画像连续回放,定格回放(向前,向后)
频段指定1频段

要点

 

声场状态表示技术有多种,根据测试分析的对象和目的,选择适当的方法是非常必要的。以下是各种方法的比较请参考。
  Beamforming法 声强法 声压图法
测量装置的外观
测量结果表示
分析结果 声压分布 声能量的流向分布 声压分布
声源 非稳态 × ×
稳态
测试时间 设置,测量准备 30分 60分(包含测量点的设定) 60分(包含测量点的设定)
测量 5分 取决于测量点数及平均时间 取决于测量点数,平均时间,传声器数
结果分析评价 5分 20分 20分
清理 30分 15分 20分
系统 测量频率范围 500Hz~10kHz 40Hz~5kHz 取决于传声器间隔
与被测物的距离 2个波长以上 没有限制 波长以内
空间分辨率 33×33 1089 与测量距离相关
±5°的位置精度
传声器间隔
尺寸 传声器列阵直径:800 mm 探头部
宽:30~70 mm
高:28~55 mm
长:200 mm
取决于列阵框架
重量 传声器列阵:8.5 kg 探头部:0.3 kg 与传声器数有关
(20组传声器时:1 kg)
装置规模 大(与传声器数有关)

3维声强法的测量应用实例


Revised:2012/06/04

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