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如何看到声音—浅谈波束成形(beamforming)技术

2018-11-23索辰信息

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随着现代科学技术包括声学、计算机图形计算和显示技术的发展,人们借助这些技术可以看见声音,这便是广义上的波束成形技术。

    人类和动物是靠自身的听觉系统听见或感知到声音的产生、传播和消失。但凡事也有例外。伟大的作曲家贝多芬就曾经长期饱受听力失聪的困扰,在他26岁那年因病而失聪,之后他借助助听器并且用眼创作交响乐作品,在脑中想象他的作品交响合奏效果,创作出了许多令人惊叹的世界名曲。今天,随着现代科学技术包括声学、计算机图形计算和显示技术的发展,人们(尤其是技术和设计工程师们)借助这些技术可以看见声音,这便是广义上的波束成形技术。

波束成形技术演示

图1 波束成形技术演示

    本质上而言,波束成形是一门仿生技术。其基本原理和过程与动物的听觉系统、神经系统和大脑的工作一致。动物的听觉系统接收到外界声压信号,通过神经系统传输至大脑,迅速反射在大脑皮层中,从而获得重现和定位。我们听见远处有声音传过来,通过神经传输,在大脑中意识到有声音和强度存在,接着我们或许会稍微侧转一下头,改变两个耳朵的位置,便可进一步在脑中确定声源更具体、更准确的方位。如上图所示,用计算机(包括声学分析计算软件)、声听器阵列,可完成同样的工作,即辨别声源位置和强度。通过声听器测得的声压数据(事实上是一系列的电信号数据),记录并由计算机分析和重现于电脑显示屏。声压数据处理、分析和视觉重现技术就是所谓狭义上的波束成形。下图为汽车内部噪声源及其强度的计算机图形显示。

汽车内部噪声源及其强度的计算机图形显示

图2 汽车内部噪声源及其强度的计算机图形显示

    在距离声源超过七个波长的地方可称作远场。声音在声源近场和远场的传播方式有所不同,在近场是以球面波的方式传播,而在远场是以平面波的方式传播,如下图所示。这也决定了监测声源方位和强度的方式不同,在远场确定声源位置和大小就必须采用波束成形技术。

声音在声源近场和远场的传播方式示意

图3 声音在声源近场和远场的传播方式示意

    波束成形技术的成功应用需要解决三方面难题,即快速获取、记录大量的声压数据;快速处理这些数据;实时以图形再现在电脑屏幕上。波束成形过程中还需要确定声听器阵列最优方案。声听器阵列相当于人的耳朵,用来接收空气中的声压脉冲信号;而先进的波束成形的算法可以帮助我们优化声听器的阵列设计。如下图所示是四种不同声听器阵列:螺旋、矩阵、圆环形和X形分布。理论和试验数据表明,螺旋形声听器布局能比较准确地显示出噪声源方位和强度。

四种不同声听器阵列(从左到右依次为:螺旋、矩阵、圆环形和X形分布)

图4 四种不同声听器阵列(从左到右依次为:螺旋、矩阵、圆环形和X形分布)

    另一方面,波束成形可以帮助人们经济、准确和快速地优化设计声听器阵列。人们通过气动、水动力仿真,获取各种复杂流场数值结果,同时采用先进的波束成形技术可以预测气动噪声或水动噪声的声源和声压值。在不同的声听器阵列布置和流场位置方案中挑选最优最精确的设计,为噪声风洞、水洞的设计节省大量时间和资金,缩短机械噪声分析设计的时间周期。

    上海索辰信息科技有限公司(以下简称“索辰”)拥有先进的计算流体力学仿真软件—Aries,它是基于玻尔兹曼分子碰撞统计规律上研发而成,是最符合流体运动规律、适用性最广泛的仿真软件。它不仅为用户提供各种复杂流场的精确计算,而且也为波束成形(即机械结构的声学噪声的研究、分析和设计)提供精确的流场数值解。下图为索辰使用Aries软件为某民航客机作数值仿真的全机压力分布结果云图。

某民航客机作数值仿真的全机压力分布结果云图

图5 某民航客机作数值仿真的全机压力分布结果云图

    同时,索辰拥有先进的波束成形软件,它不仅具备双重功能——声听器阵列设计和试验室声源检测声压可视化再现;还包括背景噪声消除、互谱矩阵元素加权、鲁棒自适应波束成形、提纯算法等理论和试验上行之有效的方法。下图为索辰声听器阵列设计和波束成形数据分析软件流程图。

索辰声听器阵列设计和波束成形数据分析软件流程图

图6 索辰声听器阵列设计和波束成形数据分析软件流程图

    波束成形软件的研发成功和市场应用,为我国在汽车、高铁、航空等领域的客运降噪设计等做出重要贡献。例如,将波束成形技术应用于民航客机和风力涡轮叶片的噪声源分布和声压分布,能降低噪声,有效解决噪声污染带来的一系列问题。

波束成形技术的应用
波束成形技术的应用

图7 波束成形技术的应用

责任编辑:程玥
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