傳聲器陣列校準(zhǔn)技術(shù)研究

李元首+陳寶+張雪+姜濤

摘 ?要： 氣動(dòng)噪聲通常為寬頻噪聲，設(shè)計(jì)的陣列需要同時(shí)滿足對(duì)高低頻信號(hào)的測(cè)量需求，在確定了陣列測(cè)量頻率范圍的情況下，設(shè)計(jì)相應(yīng)的陣列形式。在風(fēng)洞氣動(dòng)噪聲試驗(yàn)技術(shù)中，基于傳聲器陣列的噪聲源定位技術(shù)是核心試驗(yàn)技術(shù)，噪聲源定位的精準(zhǔn)度主要取決于傳聲器陣列校準(zhǔn)技術(shù)。傳聲器相位陣列安裝之后，由于傳聲器頻率響應(yīng)和靈敏度不同，前置放大器、電纜的鋪設(shè)、電源和信號(hào)調(diào)理器的頻率響應(yīng)以及傳聲器在陣列中的安裝影響，會(huì)引起數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各測(cè)量通道間固有的相位差和幅值差。修正傳聲器的相位差和幅值差使得所有的傳聲器幅頻響應(yīng)一致，保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)度。

關(guān)鍵詞： 陣列設(shè)計(jì); 陣列校準(zhǔn); 氣動(dòng)噪聲; 傳聲器陣列

中圖分類(lèi)號(hào)： TN912.2?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2014）24?0094?04

Calibration technology of microphone array

LI Yuan?shou， CHEN Bao， ZHANG Xue， JIANG Tao

（AVIC Aerodynamics Research Institute， Harbin 150001， China）

Abstract： Aerodynamic noise is usually broadband noise. The designed array needs to satisfy the measurement requirements of both high and low frequency signals. The corresponding array form is designed when the frequency range of array measurement is determined. The noise source localization technology based on microphone array is the core test technique in the wind tunnel aerodynamic noise test technology. The accuracy of noise source localization depends mainly on the microphone array calibration technique. After the microphone phase array is installed， different frequency response and sensitivity， preamplifier， cable laying， power supply， frequency response of signal conditioner and the installation of microphone array can cause the phase difference and amplitude difference among all measurement channels in the data acquisition system. Correction of phase difference and amplitude difference of microphones can make all the microphone frequency responses consistent and ensure the accuracy of test result.

Keywords： array design; array calibration; aerodynamic noise; microphone array

在風(fēng)洞氣動(dòng)噪聲試驗(yàn)技術(shù)中，基于傳聲器陣列的噪聲源定位技術(shù)是試驗(yàn)的核心技術(shù)。噪聲源定位技術(shù)主要涉及陣列設(shè)計(jì)技術(shù)和傳聲器陣列校準(zhǔn)技術(shù)[1]。飛機(jī)噪聲問(wèn)題正日益成為飛機(jī)設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題，無(wú)論是國(guó)際民用航空組織（ICAO），還是美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）的噪聲適航條例，都已把飛機(jī)的噪聲問(wèn)題提高到與飛機(jī)飛行性能、安全性、可靠性等同等地位[2?3]。噪聲診斷與測(cè)量系統(tǒng)作為氣動(dòng)噪聲研究的試驗(yàn)平臺(tái)，是必不可少的基礎(chǔ)試驗(yàn)設(shè)備，為了能準(zhǔn)確分析機(jī)體噪聲分布，需要對(duì)機(jī)體噪聲源進(jìn)行定位[4]。為了定位的準(zhǔn)確，需要進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)研究，噪聲源定位精度與校準(zhǔn)方法有直接關(guān)系。在本文中對(duì)氣動(dòng)噪聲定位風(fēng)洞試驗(yàn)校準(zhǔn)方法研究進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

1 ?傳聲器陣列設(shè)計(jì)技術(shù)研究

氣動(dòng)噪聲通常為寬頻噪聲，因此設(shè)計(jì)的陣列需要同時(shí)滿足對(duì)高低頻信號(hào)的測(cè)量需求，在確定了陣列測(cè)量頻率范圍的情況下，設(shè)計(jì)陣列需要考慮的事項(xiàng)：為滿足對(duì)低頻聲信號(hào)的高分辨測(cè)量，陣列的孔徑要盡量增大。陣列大小、陣元數(shù)目固定后，不同的陣列形式會(huì)有不同的輸出結(jié)果，因此設(shè)計(jì)陣列時(shí)需要考慮陣元分布形式。為滿足對(duì)高頻聲信號(hào)的測(cè)量，需要盡量多的傳聲器。

1.1 ?陣列設(shè)計(jì)技巧

陣列的設(shè)計(jì)必須滿足寬頻率范圍工作要求。為滿足對(duì)低頻聲信號(hào)的測(cè)量，陣列的孔徑必須要大些，以便獲得足夠的分辨率。要想滿足聲信號(hào)最高頻率的測(cè)量要求，傳聲器分布空間要小，以便滿足消除空間混淆對(duì)半波長(zhǎng)的規(guī)范要求。綜合考慮，需大量傳聲器才能滿足上述要求。常見(jiàn)的陣列設(shè)計(jì)策略是對(duì)陣列進(jìn)行非規(guī)則性或非周期性設(shè)計(jì)：

（1） 陣列傳聲器的數(shù)量N是影響峰值旁瓣大小的主導(dǎo)因素;

（2） 旁瓣理論平均功率級(jí)相對(duì)于主瓣近似為10log（[1N]）+3 dB;

（3） 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，旁瓣峰值一般不會(huì)超過(guò)平均值10 dB。因此，陣列設(shè)計(jì)策略的準(zhǔn)則是：旁瓣峰值最小化，陣列的有效動(dòng)態(tài)范圍最大化。

1.2 ?陣列設(shè)計(jì)步驟

有效的陣列設(shè)計(jì)需要綜合考慮各種因素影響及實(shí)際限制條件?；驹O(shè)計(jì)步驟如下：

（1） 首先確定性能需求：主要包含有測(cè)量頻率范圍、空間分辨率、最大旁瓣級(jí)、陣列擺放位置等;

（2） 確定限制因素：陣元數(shù)目的限制、同步數(shù)采通道數(shù)目的限制、陣列架安放有效位置、試驗(yàn)操作問(wèn)題等;

（3） 初步設(shè)計(jì)與性能評(píng)估;

（4） 如果在步驟（3）中評(píng)估得到了不可接受的結(jié)果，則需要重新進(jìn)行步驟（1）～步驟（3），根據(jù)期望進(jìn)行折衷調(diào)整。主要有兩種解決方式：一是放寬性能需求，二是放寬限制因素;

（5） 一旦確定了折衷方案，便對(duì)陣列進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，這是一個(gè)迭代過(guò)程直到陣列的綜合性能最佳。

2 ?校準(zhǔn)技術(shù)研究

作為噪聲源定位的關(guān)鍵部件傳聲器及傳聲器陣列，為確保其性能指標(biāo)及測(cè)量的準(zhǔn)確度，需要對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。在實(shí)際測(cè)試的時(shí)候，整個(gè)系統(tǒng)可能存在如下兩個(gè)問(wèn)題，需要用戶特別注意并作出相應(yīng)的處理：第一，安裝在陣列上的傳聲器，由于長(zhǎng)時(shí)間處于實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，性能會(huì)有所變化。所以通過(guò)這些傳聲器采集到的聲壓值（實(shí)際為電壓值）可能已經(jīng)不能真實(shí)的反映聲壓特性，因而在使用之前，需要對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn);第二，用戶通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAQ）采集到的只是電壓值，而并非實(shí)際的聲壓值，因而需要給出采集到的電信號(hào)與傳聲器所在位置聲壓之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，這個(gè)轉(zhuǎn)換關(guān)系包括傳聲器自身將聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)時(shí)的靈敏度和傳聲器輸出的電壓值放大倍數(shù)。因此，在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，需要對(duì)傳聲器進(jìn)行校準(zhǔn)，使測(cè)量得到的電壓值盡量反映真實(shí)情況。另外還需要測(cè)量出從傳聲器探頭處到采集得到的數(shù)值之間的關(guān)系，從而確定出真實(shí)的聲壓值。

2.1 ?單個(gè)傳聲器校準(zhǔn)方法

為了保證測(cè)量的精度，需要在測(cè)量試驗(yàn)前對(duì)傳聲器進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)方法一般分為兩類(lèi)：一般校準(zhǔn)與精確級(jí)校準(zhǔn)。

一般的校準(zhǔn)器，是能在一個(gè)或幾個(gè)頻率點(diǎn)上產(chǎn)生一個(gè)或幾個(gè)恒定聲壓的聲源。常用的校準(zhǔn)聲源在1 kHz點(diǎn)上產(chǎn)生94 dB與114 dB的聲壓。如圖1所示。

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圖1 校準(zhǔn)聲源

由于研究工作的要求，需要傳聲器達(dá)到較高的準(zhǔn)確度，一般選用互易法校準(zhǔn)（Reciprocity Calibration）。互易校準(zhǔn)一般定義為利用可逆、無(wú)源和線性傳感器的輸出和輸入存在著互換的關(guān)系，求得傳感器靈敏度值的絕對(duì)法校準(zhǔn)。傳感器的聲壓靈敏度是它的輸出端開(kāi)路電壓和作用于傳感器膜片上的有效聲壓之比（單位：V/Pa）。傳感器的聲場(chǎng)靈敏度是它的輸出端開(kāi)路電壓和聲場(chǎng)中放置傳聲器前存在于該點(diǎn)的自由場(chǎng)聲壓之比（單位：V/Pa）。

互易校準(zhǔn)一般分為耦合腔互易校準(zhǔn)和自由場(chǎng)互易校準(zhǔn)。耦合腔互易校準(zhǔn)。使用三個(gè)傳聲器，其中一個(gè)必須是可逆的。兩個(gè)傳聲器耦合到空腔，其中一個(gè)傳聲器做輻射，另一個(gè)做接收。接收器的開(kāi)路輸出電壓和發(fā)射器輸入電流的比值導(dǎo)出兩傳聲器的聲壓靈敏度乘積。比較三組測(cè)量結(jié)果就可以求出每個(gè)傳聲器的聲壓靈敏度。耦合腔互易法已非常成熟，已成為傳聲器校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)方法。自由場(chǎng)互易校準(zhǔn)。與耦合腔互易校準(zhǔn)類(lèi)似，但它給出聲場(chǎng)靈敏度。校準(zhǔn)需在消聲室內(nèi)進(jìn)行。校準(zhǔn)方法與耦合腔校準(zhǔn)一樣。

2.2 ?傳聲器陣列校準(zhǔn)方法

在完成所有的安裝之后，由于傳聲器的頻率響應(yīng)和靈敏度的不同、前置放大器、電纜的鋪設(shè)、電源和信號(hào)調(diào)理器的頻率響應(yīng)影響、數(shù)據(jù)采集的輸入、模擬抗混淆濾波器的影響、陣列架的加工誤差以及與傳聲器在陣列中的安裝，會(huì)引起數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各測(cè)量通道間固有的相位差和幅值差。為了修正陣列上傳聲器的幅頻響應(yīng)特性。 實(shí)驗(yàn)中品質(zhì)可靠的標(biāo)準(zhǔn)傳聲器記為M0。施加各個(gè)頻率上能量相同的白噪聲源，在20 Hz～20 kHz的范圍內(nèi)，該傳聲器幅頻響應(yīng)基本上保持為水平直線，能夠較好的反映出聲壓特性。在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，希望知道每次通過(guò)陣列傳聲器Mi采集到的數(shù)據(jù)與品質(zhì)較好的傳聲器M0采集到的數(shù)據(jù)的差別，然后以此為依據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一些必要的處理，使得Mi采集到的信號(hào)能夠與M0得到的數(shù)據(jù)盡量接近。

通過(guò)施加白噪聲聲源，在某一固定的位置同時(shí)使用M0和Mi采集該處聲壓值。得到兩段不同的時(shí)域信號(hào)S0和Si，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換得到數(shù)據(jù)（A0，P0）和（Ai，Pi），其中A0、Ai分別為兩個(gè)傳聲器的幅值特性，P0和Pi分別是兩個(gè)傳聲器的是相位特性，它們都是信號(hào)頻率的函數(shù)。

在每一個(gè)頻率下，將兩個(gè)傳聲器頻域數(shù)據(jù)的幅值相除，表示在這次實(shí)驗(yàn)中傳聲器M0與Mi之間的幅值差異。另外在同一頻率下，將兩個(gè)傳聲器頻域數(shù)據(jù)的相位相減，得到CPha（f）=Pi（f）-P0（f），表示在該次實(shí)驗(yàn)中傳聲器Mi與M0之間的相位差異。

假設(shè)在同樣的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，這些差異都是一致的。那么在以后的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)傳聲器Mi采集到的時(shí)域數(shù)據(jù)Ei，對(duì)應(yīng)的頻域數(shù)據(jù)為（EAi，EPi），在成像之前，我們將頻域數(shù)據(jù)處理為（BAi（f），BPi（f））=（EAi[fCAmpf]，EPi（f）-CPha（f））。就可以認(rèn)為（BAi，BPi）與全部采用標(biāo)準(zhǔn)傳聲器得到的頻域數(shù)據(jù)相仿。

2.3 ?靈敏度修正方法

聲壓通過(guò)傳聲器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)在陣列電路以及采集系統(tǒng)中都存在一定的轉(zhuǎn)換系數(shù)。此處的靈敏度修正是指這些影響的總和，考慮從傳聲器探頭感受到的聲壓值與所采集到的電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)。需要說(shuō)明的是，對(duì)于不同的聲壓輸入這個(gè)轉(zhuǎn)換關(guān)系可能會(huì)很復(fù)雜，但是在實(shí)驗(yàn)中，可以假設(shè)二者之間的關(guān)系是線性的，對(duì)應(yīng)靈敏度就是一個(gè)定值。如果所有的傳聲器都已經(jīng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)傳聲器進(jìn)行校準(zhǔn)了，從理論上可以認(rèn)為這些傳聲器的性能經(jīng)頻響標(biāo)定后與標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的性能接近[5]。那么在后處理時(shí)，只給出輸入標(biāo)準(zhǔn)傳聲器M0的靈敏度。如果沒(méi)有進(jìn)行校準(zhǔn)，那么就需要給出每一個(gè)傳聲器Mi處聲壓值到采集到電信號(hào)之間的靈敏度。

不論是對(duì)于陣列上傳聲器Mi還是標(biāo)準(zhǔn)傳聲器M0，獲得靈敏度的方法都是一樣的。在靠近傳聲器M（可以為M0，Mi）的地方，放置幅值為As，頻率為f單頻聲源，通過(guò)采集程序后，得到傳聲器M采集到的電壓信號(hào)。將采集到的電壓信號(hào)幅值與已知的聲壓信號(hào)幅值相除就可以得到靈敏度。但是由于采集過(guò)程總難免會(huì)引入誤差，導(dǎo)致并不能很方便的確定時(shí)域數(shù)據(jù)的幅值，所以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以對(duì)傳聲器M測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，取頻率為f處電信號(hào)頻域數(shù)據(jù)幅值A(chǔ)e，則傳聲器M的靈敏度為[k=AsAe]。在進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理之前，先對(duì)采集到的電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，得到采集數(shù)據(jù)的頻域結(jié)果，然后將這樣得到的每個(gè)通道的頻域數(shù)據(jù)乘以傳聲器M的靈敏度k，就可以得到相應(yīng)的聲壓值。

3 ?試驗(yàn)內(nèi)容

在消聲室內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)：白噪聲聲源由無(wú)指向性聲源進(jìn)行代替，校準(zhǔn)出幅值及相位輸入文件。

聲源指向性測(cè)量（傳聲器隨動(dòng)）如圖2、表1所示。

表1 聲源指向性測(cè)量（傳聲器不動(dòng)，距離1 m）

表2所示為63通道陣列架定位程序中聲壓級(jí)修正列表。通過(guò)在消聲室內(nèi)進(jìn)行了實(shí)測(cè)，觀測(cè)面聲壓級(jí)的修正只與距離有關(guān)系。

表2 聲壓級(jí)修正表

校準(zhǔn)和敏測(cè)量程序界面如圖3所示，幅度及相位校準(zhǔn)用聲源如圖4所示。

4 ?結(jié) ?論

通過(guò)表3和圖5可觀察出：經(jīng)陣列校準(zhǔn)技術(shù)校準(zhǔn)后的結(jié)果有所改善，位置與真實(shí)位置更為接近。

表3 單頻聲校準(zhǔn)和不校準(zhǔn)的差異

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

這里對(duì)氣動(dòng)噪聲定位風(fēng)校準(zhǔn)方法研究進(jìn)行了詳細(xì)闡述，且傳聲器陣列設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)的兩套陣列已經(jīng)成功應(yīng)用于風(fēng)洞噪聲源識(shí)別試驗(yàn)，結(jié)果表明，定位結(jié)果準(zhǔn)確。

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