聲源定位技術(shù)在工業(yè)噪聲控制中的應(yīng)用

張瑋晨，應(yīng)樂惇，周裕德，邵志躍，李志遠(yuǎn)，李俊

（1.上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233；2.上海城市環(huán)境噪聲控制工程技術(shù)研究中心，上海 200233；3.安徽微威減震降噪技術(shù)研究院，安徽 安慶 231460）

1 引言

聲源定位技術(shù)使聲源可視化，對復(fù)雜聲源環(huán)境下的識別起到直觀作用?；诓ㄊ纬稍恚ㄟ^測量傳聲器陣列的聲信號幅值和相位差可以云圖方式標(biāo)注明確的聲源位置與聲場分布[1、2]。該項技術(shù)被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)產(chǎn)品測試、發(fā)動機(jī)等研發(fā)，家用電器設(shè)計以及各種機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)中[3、4]。

隨著技術(shù)進(jìn)步，聲源定位技術(shù)更多采用聲信號分析，通過多個麥克風(fēng)空間位置組成的傳聲陣列對空間聲場進(jìn)行濾波，即波束形成法[5]。區(qū)別于傳統(tǒng)近場、聲強(qiáng)測量判斷聲源位置，該方法通過陣列采樣距離與聲音波長對比抑制多聲源混疊現(xiàn)象，能夠?qū)Ω黝l段聲源特征、發(fā)聲位置達(dá)到較高的識別精度[6]。

但在大型工業(yè)企業(yè)噪聲治理工程中，聲源定位技術(shù)在多聲源辨析和復(fù)雜聲場重建等方面還存在一定局限，因此需要結(jié)合現(xiàn)場多角度踏勘、近場實(shí)測模擬等綜合手段提高工程設(shè)計精度，獲得準(zhǔn)確的降噪效果。

2 聲源定位技術(shù)

2.1 基本理論

聲源定位技術(shù)是基于波束形成原理實(shí)現(xiàn)對多聲源信號分析與定位。利用傳聲器陣列，使其在一定空間（平面或三維）固定擺放對聲場測量，如圖1所示。虛線為聲波從聲源到傳聲器的傳播路徑。通過對傳聲器測量聲信號時間差以及傳感器相對位置產(chǎn)生的聲程差確定相位差以及信號來源方位。陣列得到的聚焦方向為“波束”或“主瓣”，通過對陣列內(nèi)各陣元信號的延時、向量加權(quán)、求和等核心運(yùn)算使其在陣列朝向方向上獲得一個空間響應(yīng)極大值，完成空間濾波，繼而實(shí)現(xiàn)聲源定位的識別。

2.2 存在問題

由圖1可見，聲源定位系統(tǒng)要求聲源傳播方向與聲源垂直，并使陣列面與聲源面保持一定距離時才能獲得較為精準(zhǔn)的聲源位置與聲源到該位置處的等效聲壓值。

圖1 聲源波束定位示意圖

實(shí)際運(yùn)用中，工業(yè)廠域內(nèi)的聲源數(shù)量較多，多聲源疊加影響對陣列的指向性會產(chǎn)生旁瓣效應(yīng)，同時還存在各聲源與聲陣列波束形成有效面處于不同平面，因此在波束形成原理聲源定位系統(tǒng)中會出現(xiàn)與聲源相當(dāng)?shù)奶摷夔R像，影響聲源定位系統(tǒng)識別的準(zhǔn)確性[7]，見圖2。

圖2 多聲源映射距離修正示意圖

當(dāng)陣列測試固定距離設(shè)為l2時，聲源長短邊分別為a、b，當(dāng)其滿足條件時可按線聲源傳遞規(guī)律修正，即通過聲源2在陣列成像面處聲壓級L陣2可反算得出的聲源2近場聲壓級L2，其中：

但對聲源1而言，陣列面估算聲級L陣1是假設(shè)聲源1投射在聲源面2處的聲像反算，實(shí)際聲源1的近場聲壓級L1，應(yīng)為：

2.3 解決設(shè)想

在工業(yè)企業(yè)降噪工程設(shè)計時，當(dāng)聲源位于不同距離時，采用聲源定位系統(tǒng)對各聲源預(yù)判時應(yīng)注意陣列測試與各聲源的相對位置，結(jié)合現(xiàn)場踏勘可提升聲源定位技術(shù)的位置識別準(zhǔn)確度，避免旁瓣效應(yīng)干擾，但對聲源強(qiáng)度預(yù)判時，還應(yīng)結(jié)合近場測量與距離修正，確保源強(qiáng)估算得當(dāng)。

3 工程案例

3.1 工程背景

某大型工業(yè)企業(yè)的車間分布廣，廠內(nèi)噪聲源點(diǎn)多面廣，且由于其產(chǎn)品的特殊性需要連續(xù)生產(chǎn)，無法停產(chǎn)對廠內(nèi)的噪聲源逐一排查。其廠區(qū)南側(cè)廠界與居民生活區(qū)相鄰，擾民事件多有發(fā)生，為此需運(yùn)用聲源定位技術(shù)在正常生產(chǎn)工況下排摸主要噪聲源并采取治理措施，確保廠界晝夜?jié)M足3類聲功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)現(xiàn)場分布確定以南側(cè)車間為主要對象，廠界圍墻與車間南北距離約10m，車間東西長度為200m，采用48通道星型陣列可滿足3～300m測試距離，頻率范圍100～20kHz。

3.2 噪聲源位置識別

針對南側(cè)風(fēng)機(jī)房進(jìn)行聲源定位，見圖3。該處受隔聲門漏聲以及車間頂部消聲百葉漏聲的綜合影響。陣列正對車間門，與隔聲門距離13m，與消聲百葉處墻體距離約20m。聲陣列設(shè)置固定測試面為20m，即以百葉所處立面為測試斷面。采用Noise Image4.5軟件采集，采樣頻率192kHz，連續(xù)記錄8s聲音信號進(jìn)行分析，選取連續(xù)4000ms做等效A聲級計算，得出聲源所在大致位置，（見圖4），斑塊位置現(xiàn)場初步判定為隔聲門密封性能問題，并發(fā)現(xiàn)在百葉下方的車間內(nèi)部存在高噪聲源。測試人員立即對室內(nèi)設(shè)備排查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)墻體存在風(fēng)管氣包，設(shè)備定期排氣，噴口正對墻體確認(rèn)噪聲源位置，現(xiàn)場見圖5。近場實(shí)測聲級為105dB（A）。

圖3 某廠區(qū)風(fēng)機(jī)房聲源識別測試示意圖

圖4 某廠區(qū)風(fēng)機(jī)房聲源識別分析圖

圖5 風(fēng)機(jī)房內(nèi)側(cè)氣包噪聲源現(xiàn)場

3.3 源強(qiáng)估算

由聲陣列分析圖顯示各聲源在距離測試面20m處估算最大聲壓級，對聲能傳播距離進(jìn)行修正計算，各類聲源傳遞滿足線聲源規(guī)律，結(jié)果下表。

噪聲源近場聲級估算表

3.4 工程改造方案

根據(jù)聲源識別結(jié)果對風(fēng)機(jī)房實(shí)施改造，主要涉及風(fēng)機(jī)房車間內(nèi)的氣包處改造，將氣包排風(fēng)口向地面轉(zhuǎn)向排放，并加裝排風(fēng)消聲器；對車間隔聲門做密封處理；風(fēng)機(jī)風(fēng)管穿墻縫隙處巖棉、水泥填實(shí)處理。

3.5 治理結(jié)果

經(jīng)上述工程改造后，企業(yè)委托當(dāng)?shù)丨h(huán)境管理部門對各廠界晝夜聲級進(jìn)行實(shí)測驗收，見圖6，改造后企業(yè)南側(cè)的廠界聲級得到改善，并滿足相應(yīng)環(huán)保要求。

4 結(jié)語

綜上所述，聲源定位技術(shù)對噪聲源辨析起到了直觀化效果，特別在對大型工業(yè)企業(yè)無法停止生產(chǎn)等復(fù)雜工況下，可結(jié)合現(xiàn)場踏勘，為及時辨析高噪聲源帶來方便。

圖6 工程改造前后場界測試聲級對比

但基于波束形成分析方法的原理可知，此方法只能獲得聲壓級等相對數(shù)據(jù)，在測量聲源時是無法得到各類參數(shù)的精確值，其可以確定聲源位置但無法精確進(jìn)行聲場重建。因此在實(shí)際工程應(yīng)用時，需對聲陣列設(shè)置的聲源成像面與各聲源間的距離進(jìn)行聲能修正，以獲得較為準(zhǔn)確的噪聲源近場聲級估算值用于工程降噪?yún)⒖肌?/p>