基于數(shù)字式MEMS傳感器的聲陣列成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳林松 曹躍云 郭文勇 張 磊 劉樹(shù)勇

(1海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430033)

(2海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

1引言

在對(duì)設(shè)備噪聲狀況進(jìn)行分析時(shí)，利用聲陣列的噪聲被動(dòng)成像[1]技術(shù)理論上可以通過(guò)單次測(cè)量獲得聲場(chǎng)分布圖像[2]，快速掌握噪聲源位置、分布情況以及動(dòng)態(tài)變化特征，可以應(yīng)用于設(shè)備狀態(tài)評(píng)估[3]，相對(duì)于傳統(tǒng)聲強(qiáng)測(cè)量和噪聲頻譜分析的優(yōu)勢(shì)明顯。但是，采用傳統(tǒng)的駐極體式聲傳感器研制的聲陣列系統(tǒng)復(fù)雜，需要獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，研制成本巨大，目前國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的聲陣列傳感器數(shù)量一般不超過(guò)60個(gè)，適用于消聲室或無(wú)混響的開(kāi)闊空間進(jìn)行聲源定位，在非消聲條件下一般針對(duì)音箱模擬聲源進(jìn)行測(cè)試，難以滿足實(shí)用成像需求[4]。大型聲陣列在潛艇、飛機(jī)等重要軍事裝備的噪聲測(cè)試研究[5]具有重要的應(yīng)用價(jià)值，文獻(xiàn)[6]為美國(guó)NASA用于火箭噴射噪聲成像研究的測(cè)試系統(tǒng)，陣列有72個(gè)駐極體傳感器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由4個(gè)采集機(jī)柜組合而成，系統(tǒng)十分復(fù)雜。采用陣列掃描測(cè)量方式[7?9]可以彌補(bǔ)傳感器數(shù)量不足的問(wèn)題，但該方法適用于平穩(wěn)聲場(chǎng)[10?11]，而實(shí)際機(jī)械設(shè)備噪聲非平穩(wěn)性強(qiáng)，應(yīng)用中受限。

圖1 傳統(tǒng)聲成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Traditional acoustic array system

本文采用了小型數(shù)字化的MEMS(Microelectro-mechanical system)傳感器設(shè)計(jì)的聲陣列成像系統(tǒng)，集成了FPGA控制、DSP數(shù)據(jù)處理和嵌入式系統(tǒng)，在大幅增加傳感器數(shù)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，在非消聲室環(huán)境下對(duì)具有非平穩(wěn)特征的機(jī)械設(shè)備噪聲進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，其聲像分辨率高、動(dòng)態(tài)效果良好，在實(shí)際機(jī)械設(shè)備噪聲監(jiān)測(cè)中用良好的應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常規(guī)聲陣列系統(tǒng)組成一般為“聲傳感器陣列+A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備+數(shù)據(jù)處理設(shè)備”式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備與聲陣列的每一通道需要獨(dú)立電纜線連接，通常以8個(gè)通道為一個(gè)采集模塊，各采集模塊之間還需保持同步和一致，而數(shù)據(jù)處理設(shè)備由加裝數(shù)據(jù)采集卡及相應(yīng)軟件支持的電腦終端構(gòu)成，系統(tǒng)復(fù)雜，操作不方便，增加傳感器數(shù)量的成本巨大。

本設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是大幅增加傳感器數(shù)量，并盡可能使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小型化，同時(shí)保證陣列數(shù)據(jù)處理的快速性能。為此，采用數(shù)字化MEMS聲傳感器設(shè)計(jì)聲陣列，由于傳感器輸出為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，系統(tǒng)不需要另加模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。文獻(xiàn)[12]中采用了6個(gè)MEMS傳感器進(jìn)行了聲源定位研究(無(wú)成像功能)，文獻(xiàn)[13]利用FPGA實(shí)現(xiàn)了對(duì)52傳感器的數(shù)據(jù)采集和處理(用于聲源識(shí)別和分離)，本設(shè)計(jì)中通道數(shù)超過(guò)200個(gè)，數(shù)據(jù)采集控制、傳輸及數(shù)據(jù)處理難度大幅增加，沒(méi)有現(xiàn)成的多通道Mems傳感器的數(shù)據(jù)采集卡及軟件可用，因而需要對(duì)數(shù)據(jù)采集控制、傳輸及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行全新設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)簡(jiǎn)化為兩個(gè)部分，前端集成在聲陣列中，包括260陣元的MEMS陣列、FPGA數(shù)據(jù)采集控制、光纖數(shù)據(jù)傳輸以及攝像頭模塊，后端系統(tǒng)集成在主機(jī)中，包括光纖數(shù)據(jù)傳輸模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、DSP實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理以及顯控系統(tǒng)。

前端系統(tǒng)主體為260個(gè)MEMS聲傳感器組成的陣列，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)采集控制模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和攝像頭設(shè)置在陣列中。其中FPGA的型號(hào)采用Xilinx公司Virtex5系列XC5VLX110T芯片，該芯片速度高、功耗低，可支持多達(dá)1200個(gè)的用戶I/O接口，其性能滿足本系統(tǒng)需求。MEMS傳感器采用ADMP441傳感器，該芯片集成化程度高、體積小、造價(jià)低，數(shù)字輸出，不需要模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊，標(biāo)稱采樣率為48 kHz，平坦頻率響應(yīng)區(qū)間為60 Hz至15 kHz。MEMS聲傳感器多通道集成原理如圖3所示，數(shù)據(jù)緩沖器、時(shí)鐘分路器用來(lái)提升從傳感器到FPGA之間的驅(qū)動(dòng)能力。

圖2 聲成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Acoustic array system based on MEMS

圖3FPGA控制的MEMS模塊原理圖Fig.3 MEMS block control by FPGA

其中，MEMS傳感器輸出為24 bit標(biāo)準(zhǔn)音頻信號(hào)，實(shí)際傳輸中占用32 bit，在50 kHz采樣率下，260路信號(hào)的數(shù)據(jù)率為52 MB/s(260×50×4)，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率至少為416 Mb/s，為此，選擇光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以減小傳輸延遲；在進(jìn)行成像處理算法中，對(duì)陣列信號(hào)的FFT變換需要消耗大量資源，若每次處理數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為4096點(diǎn)(時(shí)常約0.08 s，相應(yīng)動(dòng)態(tài)聲像圖幀速率約為12 FPS)，則系統(tǒng)需要在0.08 s內(nèi)完成約8.5 MB(260×4096×8)雙精度數(shù)據(jù)的處理，為此，采用獨(dú)立的DSP完成陣列數(shù)據(jù)成像算法處理，以保證現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)成像需求。

主機(jī)原理如圖4所示，CPU2模塊作為用戶終端，通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)CPU1、DSP模塊、光纖傳輸模塊以及電源模塊的控制。FPGA通過(guò)異步串口(Universal asynchronous receiver/transmitter,UART)接收光纖模塊數(shù)據(jù)后， 通過(guò)PCI總線(PCIE)將數(shù)據(jù)傳到CPU1模塊內(nèi)，原始數(shù)據(jù)根據(jù)需要可以通過(guò)CPU1模塊實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在處理板上的電子盤(pán)內(nèi)；FPGA芯片同時(shí)通過(guò)SRIO(Serial rapid IO,高速串行IO接口)將數(shù)據(jù)傳到DSP內(nèi)，DSP完成對(duì)260通道高精度數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換等即時(shí)處理，將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)(Ethernet)送到CPU2模塊；CPU2模塊將實(shí)時(shí)攝像頭數(shù)據(jù)與處理結(jié)果融合，將融合后的動(dòng)態(tài)圖像提供給用戶；在離線分析模式下，CPU2通過(guò)以太網(wǎng)可以直接訪問(wèn)CPU1數(shù)據(jù)，完成相應(yīng)分析功能。

圖4 后端主機(jī)原理圖Fig.4 Circuit for mainframe

3 系統(tǒng)性能

3.1 陣列形式

傳感器陣列的陣元分布如圖5所示，中間分布密度高，最小網(wǎng)格距離為0.0213 m，周圍分布密度小，最大網(wǎng)格距離為0.085 m，過(guò)渡部位網(wǎng)格間距0.0425 m，對(duì)應(yīng)的最高成像噪聲頻率分別為16 kHz、8 kHz和4 kHz，這種分布特征兼顧了低頻噪聲對(duì)陣列孔徑要求大、傳感器分布密度低以及高頻早上好對(duì)陣列孔徑要求小、傳感器分布密度高的不同要求，具備1～16 kHz范圍內(nèi)波束形成成像的條件。同時(shí)，其中均勻網(wǎng)格分布的144個(gè)傳感器可以用于近場(chǎng)聲全息測(cè)試。

圖5 嵌套式陣列聲傳感器分布Fig.5 Distribution of microphone in nested array

3.2 陣列方向圖

陣列的靜態(tài)方向圖體現(xiàn)其在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下對(duì)指定頻率下的目標(biāo)定位精度和抗干擾能力[14]，計(jì)算該陣列在2 kHz～15 kHz均具有較好的指向性，其中對(duì)3 kHz噪聲的二維靜態(tài)方向圖如圖6所示，可以看出其主瓣寬度窄，旁瓣幅值低，從而具有較強(qiáng)抗干擾能力[15]。

圖6 對(duì)3 kHz噪聲的方向圖Fig.6 3 kHz beamforming pattern

目標(biāo)定位精度由陣列的分辨率R受聲波長(zhǎng)度λ、陣列孔徑D、測(cè)量距離z及聚焦角度θ等因素影響：

式(1)中α為常數(shù)，聲波長(zhǎng)度λ與陣列傳感器間距d存在如下關(guān)系：

由式(1)、式(2)可知陣列孔徑越大、陣元間距越小，則相應(yīng)的陣列分辨率越高，能夠適應(yīng)的噪聲頻率范圍越大，本陣列陣元數(shù)量大，保證了在較大的陣列孔徑和較小的陣元間距，從而具有較高的空間分辨率。

3.3 性能測(cè)試

該型MEMS傳感器具有良好的幅頻響應(yīng)性能，其手冊(cè)提供的響應(yīng)特征如圖7所示，經(jīng)本陣列測(cè)試驗(yàn)證可用的成像頻率范圍為100 Hz至15 kHz。

圖7 傳感器典型的頻率響應(yīng)Fig.7 Typical frequency response

陣列傳感器接收數(shù)據(jù)的幅值、相位一致性是陣列的重要性能參數(shù)，受傳感器一致性、數(shù)據(jù)采集電路性能等各種因素影響，當(dāng)傳感器數(shù)量大幅增加時(shí)，保持一致性的難度增大。用小孔徑音盆模擬500 Hz聲源，置于陣列正前方0.3 m處，實(shí)測(cè)各陣元0.1 s聲壓波形數(shù)據(jù)的相位分布如圖8所示，基本處于一平滑的曲面上，與理論預(yù)測(cè)一致，表明本系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)具有較好的相位一致性。

利用2只音箱模擬相干聲源對(duì)系統(tǒng)成像性能進(jìn)行測(cè)試，100～500 Hz采用聲全息成像(距離0.1 m)，成像如圖9所示，500 Hz～15 kHz采用去自譜寬帶波束形成成像(距離1.5 m)，對(duì)白噪聲在3.9～4.1 kHz左右的成像如圖10所示，聲像圖與聲源實(shí)際分布一致。

圖8 陣元信號(hào)相位一致性檢查Fig.8 Phase equalization test for array cells

圖9 對(duì)100 Hz噪聲的全息成像Fig.9 Acoustic holography of noise at 100 Hz

圖10 模擬白噪聲在3.9～4.1 kHz的波束形成成像Fig.10 Beamforming images of white noise at 3.9～4.1 kHz

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用該系統(tǒng)對(duì)一齒電機(jī)-輪箱-油泵系統(tǒng)進(jìn)行聲成像測(cè)試，陣列布置如圖11所示，陣列面與測(cè)試臺(tái)距離1.2 m，噪聲數(shù)據(jù)采樣率為50 kHz，場(chǎng)地為非消聲條件下的普通實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

采用自譜頻域波束形成算法實(shí)現(xiàn)成像[16]，單次成像處理數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)為0.1 s，每秒成像10次，選擇4.9 kHz至5.1 kHz寬帶波束形成成像，在不同測(cè)試環(huán)境、不同測(cè)試距離的成像效果如圖12所示，圖12中2個(gè)揚(yáng)聲器產(chǎn)生寬帶白噪聲信號(hào)的干擾，用來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)多聲源的成像能力，其中圖12(a)測(cè)試距離為2 m，圖12(b)測(cè)試距離為1.1 m，試驗(yàn)表明成像效果穩(wěn)定，顯示的聲源位置與實(shí)際情況一致，不同測(cè)試環(huán)境和測(cè)試距離下聲像圖保持一致，表明該測(cè)試系統(tǒng)可重復(fù)性良好。

另外，利用空壓機(jī)氣體泄漏噪聲進(jìn)行測(cè)試，選擇較高頻段成像正確定位氣體泄漏源位置，對(duì)機(jī)械噪聲有較強(qiáng)的抗干擾能力。

圖11 機(jī)械噪聲成像實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Fig.11 Acoustic imaging system for machinery noise

圖12 多聲源成像Fig.12 Acoustic imaging of multiple sources

5結(jié)論

本文創(chuàng)新性地采用MEMS聲傳感器研制了大型聲陣列設(shè)備，采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)集成了FPGA控制、光纖數(shù)據(jù)傳輸、DSP數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，大幅增加了陣列聲傳感器數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的小型化，同時(shí)保障了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像的高速數(shù)據(jù)處理需求。經(jīng)實(shí)際分析得到以下結(jié)論：

(1)基于數(shù)字式MEMS聲傳感器體積小、性能穩(wěn)定，不需要額外的A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備，在大型聲陣列中的應(yīng)用具有優(yōu)勢(shì)，有利于聲成像技術(shù)的應(yīng)用推廣。

(2)該系統(tǒng)測(cè)試噪聲頻率范圍為100 Hz～15 kHz，其中100 Hz～500 Hz可采用聲全息方法成像，500 Hz～15 kHz采用波束形成成像；典型成像測(cè)試距離為0.1～5 m，其中0.1～0.3 m適用聲全息成像，0.3～5 m適用波束形成成像。

(3)聲陣列指向性優(yōu)越，系統(tǒng)抗噪性能較好，適用于非消聲條件下實(shí)際機(jī)械設(shè)備噪聲成像，可重復(fù)性好，在機(jī)械設(shè)備噪聲監(jiān)測(cè)應(yīng)用中具有良好前景。

(4)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)成像典型幀速率為10 FPS，具備一定的瞬態(tài)成像功能，可用于非平穩(wěn)聲場(chǎng)的成像測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)獲取聲場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化圖像，掌握設(shè)備噪聲場(chǎng)的動(dòng)態(tài)特征。

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