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褚教授专栏 | 波束形成声源识别技术
2024/08/20 15:00-16:00
8月20日噪声源识别网络研讨会
波束形成声源识别技术是利用一组传声器构成的阵列测量声压信号，基于特定方法后处理测得的声压信号来获取被测对象表面的声学成像图，通过匹配光学照片等方式来确定声源，又名“声学照相机”，具有测量速度快、因适宜中远距离测量而易于布置等优势，在噪声源识别、目标探测、故障诊断等领域被广泛应用，自1974年由 Billingsley 和Kinns提出至今一直备受关注。
传声器阵列的结构形式决定波束形成声源识别的空间范围和应用场景。平面和球面是最常用的传声器阵列结构形式。平面传声器阵列的所有传声器共平面，几何形状有矩形网格形、圆环形、螺旋形、Fibonacci形、扇形轮形等；球面传声器阵列的所有传声器共球面，几何形状有开口球和刚性球。
平面传声器阵列适宜识别阵列前方局部区域内声源，典型应用场景包括发动机噪声源识别、道路及轨道车辆通过噪声源识别等。凭借旋转对称性好和声场记录全面，球面传声器阵列能360°全景识别声源，适宜在舱室等封闭环境内使用，典型应用场景包括汽车及高速列车车内噪声源识别等。
传声器阵列测量声压信号的后处理方法决定波束形成声源识别的性能。延迟求和（delay and sum, DAS）和球谐函数波束形成（spherical harmonics beamforming，SHB）是常用的传统方法。平面传声器阵列采用DAS；球面传声器阵列理论上既可采用DAS 可采用SHB，实际上主要采用SHB（低频表现更佳）。
两种方法均离散目标声源区域形成一组聚焦网格点，聚焦各网格点时，DAS根据聚焦点位置或方向对各传声器测量的声压信号进行“相位对齐”和“求和运算”，SHB根据聚焦点位置或方向对传声器测量声压信号的各阶次球傅里叶变换系数进行“模态强度及球谐函数缩放”和“求和运算”，基于“一组复数加和的模在各复数同相位时最大”的原理和球谐函数的正交性，二者均能在声源位置或方向输出极大值。这些极大值虽能指示声源，但与非声源位置或方向处的输出值差异不显著，最终导致围绕声源位置或方向形成具有一定宽度的“主瓣”且在其他位置或方向形成高水平的“旁瓣”，主瓣宽度影响空间分辨能力，旁瓣形成寄生虚假声源，使结果分析承受不确定性，故DAS和SHB均可看作低性能方法。
突破DAS和SHB的性能局限、发展高性能方法对提高声源识别精度和完善声源识别功能具有重要意义。自波束形成技术诞生至今，对高性能声源识别方法的探索从未间断且方兴未艾，包括本文作者在内的大批国内外学者都致力于该主题的研究并取得丰硕成果。
8月20日（周二）下午3:00-4:00，褚教授将主讲《噪声源识别》网络研讨会，届时将介绍声强及选择性声强、平面传声器阵列声源识别技术、球面传声器阵列声源识别技术及其他新型声源识别技术。
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