傳聲器陣列校準技術研究

李元首+陳寶+張雪+姜濤

摘 ?要： 氣動噪聲通常為寬頻噪聲，設計的陣列需要同時滿足對高低頻信號的測量需求，在確定了陣列測量頻率范圍的情況下，設計相應的陣列形式。在風洞氣動噪聲試驗技術中，基于傳聲器陣列的噪聲源定位技術是核心試驗技術，噪聲源定位的精準度主要取決于傳聲器陣列校準技術。傳聲器相位陣列安裝之后，由于傳聲器頻率響應和靈敏度不同，前置放大器、電纜的鋪設、電源和信號調理器的頻率響應以及傳聲器在陣列中的安裝影響，會引起數據采集系統各測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一致，保證試驗結果的準度。

關鍵詞： 陣列設計; 陣列校準; 氣動噪聲; 傳聲器陣列

中圖分類號： TN912.2?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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

在風洞氣動噪聲試驗技術中，基于傳聲器陣列的噪聲源定位技術是試驗的核心技術。噪聲源定位技術主要涉及陣列設計技術和傳聲器陣列校準技術[1]。飛機噪聲問題正日益成為飛機設計中的重要問題，無論是國際民用航空組織（ICAO），還是美國聯邦航空局（FAA）的噪聲適航條例，都已把飛機的噪聲問題提高到與飛機飛行性能、安全性、可靠性等同等地位[2?3]。噪聲診斷與測量系統作為氣動噪聲研究的試驗平臺，是必不可少的基礎試驗設備，為了能準確分析機體噪聲分布，需要對機體噪聲源進行定位[4]。為了定位的準確，需要進行校準試驗研究，噪聲源定位精度與校準方法有直接關系。在本文中對氣動噪聲定位風洞試驗校準方法研究進行了詳細闡述。

1 ?傳聲器陣列設計技術研究

氣動噪聲通常為寬頻噪聲，因此設計的陣列需要同時滿足對高低頻信號的測量需求，在確定了陣列測量頻率范圍的情況下，設計陣列需要考慮的事項：為滿足對低頻聲信號的高分辨測量，陣列的孔徑要盡量增大。陣列大小、陣元數目固定后，不同的陣列形式會有不同的輸出結果，因此設計陣列時需要考慮陣元分布形式。為滿足對高頻聲信號的測量，需要盡量多的傳聲器。

1.1 ?陣列設計技巧

陣列的設計必須滿足寬頻率范圍工作要求。為滿足對低頻聲信號的測量，陣列的孔徑必須要大些，以便獲得足夠的分辨率。要想滿足聲信號最高頻率的測量要求，傳聲器分布空間要小，以便滿足消除空間混淆對半波長的規范要求。綜合考慮，需大量傳聲器才能滿足上述要求。常見的陣列設計策略是對陣列進行非規則性或非周期性設計：

（1） 陣列傳聲器的數量N是影響峰值旁瓣大小的主導因素;

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

（3） 根據經驗，旁瓣峰值一般不會超過平均值10 dB。因此，陣列設計策略的準則是：旁瓣峰值最小化，陣列的有效動態范圍最大化。

1.2 ?陣列設計步驟

有效的陣列設計需要綜合考慮各種因素影響及實際限制條件。基本設計步驟如下：

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

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

（3） 初步設計與性能評估;

（4） 如果在步驟（3）中評估得到了不可接受的結果，則需要重新進行步驟（1）～步驟（3），根據期望進行折衷調整。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，便對陣列進行優化調節，這是一個迭代過程直到陣列的綜合性能最佳。

2 ?校準技術研究

作為噪聲源定位的關鍵部件傳聲器及傳聲器陣列，為確保其性能指標及測量的準確度，需要對其進行校準。在實際測試的時候，整個系統可能存在如下兩個問題，需要用戶特別注意并作出相應的處理：第一，安裝在陣列上的傳聲器，由于長時間處于實驗環境中，性能會有所變化。所以通過這些傳聲器采集到的聲壓值（實際為電壓值）可能已經不能真實的反映聲壓特性，因而在使用之前，需要對其進行校準;第二，用戶通過數據采集系統（DAQ）采集到的只是電壓值，而并非實際的聲壓值，因而需要給出采集到的電信號與傳聲器所在位置聲壓之間的轉換關系，這個轉換關系包括傳聲器自身將聲壓信號轉換為電信號時的靈敏度和傳聲器輸出的電壓值放大倍數。因此，在實驗的時候，需要對傳聲器進行校準，使測量得到的電壓值盡量反映真實情況。另外還需要測量出從傳聲器探頭處到采集得到的數值之間的關系，從而確定出真實的聲壓值。

2.1 ?單個傳聲器校準方法

為了保證測量的精度，需要在測量試驗前對傳聲器進行校準。校準方法一般分為兩類：一般校準與精確級校準。

一般的校準器，是能在一個或幾個頻率點上產生一個或幾個恒定聲壓的聲源。常用的校準聲源在1 kHz點上產生94 dB與114 dB的聲壓。如圖1所示。

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圖1 校準聲源

由于研究工作的要求，需要傳聲器達到較高的準確度，一般選用互易法校準（Reciprocity Calibration）。互易校準一般定義為利用可逆、無源和線性傳感器的輸出和輸入存在著互換的關系，求得傳感器靈敏度值的絕對法校準。傳感器的聲壓靈敏度是它的輸出端開路電壓和作用于傳感器膜片上的有效聲壓之比（單位：V/Pa）。傳感器的聲場靈敏度是它的輸出端開路電壓和聲場中放置傳聲器前存在于該點的自由場聲壓之比（單位：V/Pa）。

互易校準一般分為耦合腔互易校準和自由場互易校準。耦合腔互易校準。使用三個傳聲器，其中一個必須是可逆的。兩個傳聲器耦合到空腔，其中一個傳聲器做輻射，另一個做接收。接收器的開路輸出電壓和發射器輸入電流的比值導出兩傳聲器的聲壓靈敏度乘積。比較三組測量結果就可以求出每個傳聲器的聲壓靈敏度。耦合腔互易法已非常成熟，已成為傳聲器校準的標準方法。自由場互易校準。與耦合腔互易校準類似，但它給出聲場靈敏度。校準需在消聲室內進行。校準方法與耦合腔校準一樣。

2.2 ?傳聲器陣列校準方法

在完成所有的安裝之后，由于傳聲器的頻率響應和靈敏度的不同、前置放大器、電纜的鋪設、電源和信號調理器的頻率響應影響、數據采集的輸入、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，會引起數據采集系統各測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特性。 實驗中品質可靠的標準傳聲器記為M0。施加各個頻率上能量相同的白噪聲源，在20 Hz～20 kHz的范圍內，該傳聲器幅頻響應基本上保持為水平直線，能夠較好的反映出聲壓特性。在做實驗的時候，希望知道每次通過陣列傳聲器Mi采集到的數據與品質較好的傳聲器M0采集到的數據的差別，然后以此為依據進行對數據進行一些必要的處理，使得Mi采集到的信號能夠與M0得到的數據盡量接近。

通過施加白噪聲聲源，在某一固定的位置同時使用M0和Mi采集該處聲壓值。得到兩段不同的時域信號S0和Si，然后對數據進行FFT變換得到數據（A0，P0）和（Ai，Pi），其中A0、Ai分別為兩個傳聲器的幅值特性，P0和Pi分別是兩個傳聲器的是相位特性，它們都是信號頻率的函數。

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

假設在同樣的實驗環境下，這些差異都是一致的。那么在以后的實驗中，通過傳聲器Mi采集到的時域數據Ei，對應的頻域數據為（EAi，EPi），在成像之前，我們將頻域數據處理為（BAi（f），BPi（f））=（EAi[fCAmpf]，EPi（f）-CPha（f））。就可以認為（BAi，BPi）與全部采用標準傳聲器得到的頻域數據相仿。

2.3 ?靈敏度修正方法

聲壓通過傳聲器轉換為電信號，電信號在陣列電路以及采集系統中都存在一定的轉換系數。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之間的轉換系數。需要說明的是，對于不同的聲壓輸入這個轉換關系可能會很復雜，但是在實驗中，可以假設二者之間的關系是線性的，對應靈敏度就是一個定值。如果所有的傳聲器都已經通過標準傳聲器進行校準了，從理論上可以認為這些傳聲器的性能經頻響標定后與標準傳聲器的性能接近[5]。那么在后處理時，只給出輸入標準傳聲器M0的靈敏度。如果沒有進行校準，那么就需要給出每一個傳聲器Mi處聲壓值到采集到電信號之間的靈敏度。

不論是對于陣列上傳聲器Mi還是標準傳聲器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，通過采集程序后，得到傳聲器M采集到的電壓信號。將采集到的電壓信號幅值與已知的聲壓信號幅值相除就可以得到靈敏度。但是由于采集過程總難免會引入誤差，導致并不能很方便的確定時域數據的幅值，所以在實驗過程中，可以對傳聲器M測得的信號進行傅立葉變換，取頻率為f處電信號頻域數據幅值Ae，則傳聲器M的靈敏度為[k=AsAe]。在進行數據后處理之前，先對采集到的電信號數據進行FFT變換，得到采集數據的頻域結果，然后將這樣得到的每個通道的頻域數據乘以傳聲器M的靈敏度k，就可以得到相應的聲壓值。

3 ?試驗內容

在消聲室內進行校準：白噪聲聲源由無指向性聲源進行代替，校準出幅值及相位輸入文件。

聲源指向性測量（傳聲器隨動）如圖2、表1所示。

表1 聲源指向性測量（傳聲器不動，距離1 m）

表2所示為63通道陣列架定位程序中聲壓級修正列表。通過在消聲室內進行了實測，觀測面聲壓級的修正只與距離有關系。

表2 聲壓級修正表

校準和敏測量程序界面如圖3所示，幅度及相位校準用聲源如圖4所示。

4 ?結 ?論

通過表3和圖5可觀察出：經陣列校準技術校準后的結果有所改善，位置與真實位置更為接近。

表3 單頻聲校準和不校準的差異

5 ?結 ?語

這里對氣動噪聲定位風校準方法研究進行了詳細闡述，且傳聲器陣列設計技術設計的兩套陣列已經成功應用于風洞噪聲源識別試驗，結果表明，定位結果準確。

參考文獻

[1] SODERMAN P T. Large?scale aeroacoustic research feasibility and conceptual design of test?section inserts for the Ames 80? by 120?foot wind tunnel， NASA TP?3020 [R]. USA： NASA， 1990.

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[3] FENECH B A. Accurate Aeroacoustic measurements in closed?section hard?walled wind tunnels [D]. UK： University of Southampton， 2009.

[4] MUELLER T J. Aeroacoustis measurements [M]. Germany： Springer， 2001.

[5] YAMAZAKI Nobuhiro. Methods to measure acoustic sources in a closed wind tunnel test section， AIAA 2005?3003 [R]. USA： AIAA， 2005.

[6] 姚惠元，劉國政，孫楠，等.恒溫熱線風速儀的一種新型校準方法[J].現代電子技術，2013，36（23）：110?112.