基于声矢量传感器的
声成像系统
声波成像研究始于20世纪20年代末，最早的方法是液体表面变形方法。随后，各种声学成像方法相继出现。到了20世纪70年代，已经形成了一些成熟的方法和大量的商业产品。声成像方法可分为主动声成像、扫描声学成像和声全息。由于许多声学探测器能够记录声波的振幅和相位并将其转换成相应的电信号，因此可以记录由换能器阵列的每个单元接收的信号的振幅和相位，以再现对象的图像。
普通的标量麦克风只能采集声压信号，声压仅仅能体现声源的部分特点，因为声压的测量受环境影响很大。因此，为了真正了解声源，我们需要对声音的源头进行分析。从能量声学的角度，声功率和声强可以更精准地描述声源。声强是声压和质点振速的乘积，而声功率又可以通过声强和表面积或者体积求得。可以看出，声强很关键，而质点振速又是得到声强的关键。
声学成像图
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为了解决这个问题，粒子声学团队研制了一款新型声传感器——声矢量传感器（PU）。PU探头如下图所示，内置一个MEMS麦克风和质点振速传感器，可以同时测出声压和声质点振速。
图1 声矢量传感器（1/2英寸）
图2 PU探头的工作原理
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根据声矢量传感器的特点，结合近场声学扫描成像 (NAH)技术，团队开发了声场扫描成像系统（矢量声像刷）如下图所示。近场声学扫描成像是一种近年来比较流行的既能定位声源位置又能进行声场预测的技术。PU探头由于两根铂金丝的结构特点，呈现出全频带“8”字型的指向性正好符合这项技术的要求。除了在反射表面质点振速的低响应可以有效地排除背景噪声干扰之外，这种指向性可以在现场测量的时候进一步抑制背景噪声。
矢量声像刷主要是由PU探头、高清摄像头、信号调理盒以及数据采集卡组成。简单说，就是拿着传感器扫描然后摄像头对传感器进行跟踪定位，将采集出来的数据成像。声矢量探头里面结合质点振速传感器和MEMS麦克风，在目标声源附近扫描一圈，直接测得振速和声压，从而计算声强，画出声场分布图。
矢量声像刷是一款便携式的实时声学成像仪器，可以将声音以彩色等高线图的方式将声源可视化，形成类似于热成像仪对物体温度的探测效果。通过矢量声像刷不仅对稳态噪声源可以获得极佳的检测效果，而且可以实时检测到微小但却恼人的低频噪声，例如嗡嗡声、摩擦声、吱吱声等采用传统声学测量仪通常难以定位的噪声。
图3 矢量声像刷
图5 声场重建对比图
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为测试声像刷实际效果，粒子声学的研究人员利用汽车声源进行了模拟分析。第一次分析测试是汽车启动情况下，对汽车中控台附近进行声场定位。现场分析如下图所示，尽管存在不同音箱口混响干扰带来的背景噪声，但仍然能够判断出音箱或者空调出口的声源分布。
图6 汽车中控台声源分析
第二次分析测试是汽车前盖发动机旁边10公分处隐藏放置2Khz固定声源，将固定声源模拟当做异响，在发动机运转的情况下，找出异响的位置。现场测试分析情况如下图所示，尽管发动机附近由于连接轴导致振动声源较多，但是声学刷通过近场扫描成像技术，仍然能够准确的区分出异响位置。
图7 发动机舱异响定位
综上所述，基于声像刷的声场扫描在声源特性研究上是一种非常有效的研究方法。它不需要了解激励源及与之有关的参考信号，可以在很宽的频带范围内研究声源特性，在工程上具有很高的应用价值。
南京粒子声学科技（简称粒子声学）是一家专业的声学设备供应商和声学服务公司。核心团队来自中国科学院声学研究所物理感知课题组与南京大学人工带隙材料实验室。粒子声学专注于MEMS热线矢量麦克风及相关矢量声学测量仪器的研发、生产与技术服务。公司在工业监测、智能安防、减振降噪和消费电子领域，与船舶、航空航天、公共安全、轨道交通、环境保护和国防等领域的企业事业用户合作，不仅提供高质量MEMS矢量声学传感器件与设备，而且可为细分行业应用提供全套解决方案。
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公司：南京粒子声学科技有限公司
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