"要研制更安靜的列車(chē)，首先需要深入地了解列車(chē)的噪聲源。因?yàn)長(zhǎng)abVIEW可以實(shí)現(xiàn)噪聲源的位置和大小的可視化，所以我們可以借助它完成降噪測(cè)試。"

　　-Youngkey K..Kim,SM Instruments Co.Ltd.

　　The Challenge:

　　與韓國(guó)鐵路研究所一起開(kāi)發(fā)一套測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)KTX-Sancheon高速列車(chē)上的噪聲源的可視化，從而進(jìn)一步降低環(huán)境噪聲。

　　The Solution:

　　使用NILabVIEW軟件和一套144通道的相控麥克風(fēng)陣列來(lái)開(kāi)發(fā)移動(dòng)聲源波束成形系統(tǒng)。

　　Author(s):

　　Young key K..Kim-SMI nstruments Co.Ltd.

　　Sunghoon Choi-Korea Railroad Research Institute

　　由Korail運(yùn)營(yíng)的高速列車(chē)KTX-Sancheon于2010年開(kāi)始投入使用，它是完全由韓國(guó)自身的技術(shù)完成建設(shè)的。由于列車(chē)最高運(yùn)行時(shí)速高達(dá)300km/h（186mph），對(duì)環(huán)境噪聲的影響相當(dāng)顯著，這些噪聲包含滾動(dòng)噪聲（例如推進(jìn)系統(tǒng)或機(jī)械噪聲），車(chē)輪與鐵軌接觸的機(jī)械噪聲，以及列車(chē)運(yùn)行時(shí)車(chē)體周?chē)諝饬鲃?dòng)形成的氣流噪聲等。為了全面減小這些噪聲，我們已經(jīng)采取了相關(guān)的措施來(lái)定位所有明顯的噪聲源。

　　韓國(guó)鐵路研究所與SM儀器有限公司(NationalInstrumentsIAlliancePartnerNetwork成員，專(zhuān)門(mén)從事聲音與振動(dòng)相關(guān)測(cè)試應(yīng)用)一起在LabVIEW環(huán)境中使用相控麥克風(fēng)陣列開(kāi)發(fā)了移動(dòng)聲源波束成形系統(tǒng)，并使用該系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行的整列火車(chē)上的噪聲源的可視化。該測(cè)試主要是為了對(duì)兩種不同型號(hào)的列車(chē)噪聲進(jìn)行對(duì)比：一種是KTX-1，由TGVRéseau型演化而來(lái)，2004年起投入使用；另一種是新型的KTX-Sancheon(KTX-II)，這是由韓國(guó)開(kāi)發(fā)研制的商用高速列車(chē)。

　　圖1.韓國(guó)高速列車(chē)

　　波束成形是使用聲學(xué)陣列來(lái)映射噪聲源的方法。它通過(guò)檢測(cè)傳到麥克風(fēng)陣列的聲音的時(shí)間延遲來(lái)辨別聲音到底是從哪個(gè)方向發(fā)出的。如果噪聲目標(biāo)是移動(dòng)的，那么測(cè)試的復(fù)雜度會(huì)更大，因?yàn)閷?duì)象會(huì)移動(dòng)經(jīng)過(guò)麥克風(fēng)陣列（例如在通過(guò)測(cè)試中），多普勒效應(yīng)將會(huì)導(dǎo)致聲音的頻率失真，這是傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)波束成形方法的關(guān)鍵缺點(diǎn)。為了彌補(bǔ)這一點(diǎn)，我們不斷調(diào)整軟件的時(shí)間延遲以使其可以匹配移動(dòng)聲源。這種方法可以自動(dòng)地消除多普勒效應(yīng)。雖然它需要更多的處理時(shí)間，但我們可以將移動(dòng)波束的功率取平均。我們使用可觸發(fā)的傳感器來(lái)明確每一個(gè)點(diǎn)上移動(dòng)噪聲源的確切位置。在我們的軟件中，我們假設(shè)聲源有著固定的速度。

　　圖2.基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的SeeSV230聲音照相機(jī)程序框圖

　　硬件配置和標(biāo)準(zhǔn)的波束成形應(yīng)用中的基本一致。一個(gè)附加功能就是移動(dòng)聲源波束成形需要觸發(fā)傳感器，我們使用了兩個(gè)光電傳感器來(lái)進(jìn)行位置觸發(fā)并計(jì)算列車(chē)速度。

　　為了進(jìn)行高速列車(chē)的測(cè)試，我們?cè)O(shè)計(jì)一套144通道的麥克風(fēng)陣列來(lái)提高聲音圖像的分辨率。我們使用了NIPXI-4496動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊來(lái)采集測(cè)量信號(hào)并使用一種特殊的光電傳感器來(lái)輔助ICP/IEPE麥克風(fēng)，觸發(fā)列車(chē)位置。在Korail推出高速列車(chē)服務(wù)之后不久，我們?cè)?006實(shí)施了KTX的早期測(cè)試，使用了一個(gè)48通道的麥克風(fēng)陣列，成功地在297公里/小時(shí)的高速KTX列車(chē)上捕捉到了噪聲源。

　　圖3.測(cè)試硬件

　　麥克風(fēng)陣列的性能受兩個(gè)參數(shù)的影響：(1)波束功率的主瓣寬度，決定了圖像的分辨率；(2)最大旁瓣，決定了圖像的重影程序。不同的陣列模式有著不同的性能指標(biāo)。我們比較了四種不同的模式，螺旋模式表現(xiàn)出非常平衡的結(jié)果。

　　對(duì)于144通道麥克風(fēng)陣列，我們將三種不同的模式融合在一起，以提高性能。每種不同的模式有著相同的形狀，但直徑尺寸不同。直徑較小的模式主要測(cè)量高頻率分量的低最大旁瓣等級(jí)，而直徑較大的主要測(cè)量高分辨率的低頻率分量。為了減小風(fēng)造成的噪聲，我們?yōu)辂溈孙L(fēng)添加了擋風(fēng)玻璃。

　　圖4.螺旋形麥克風(fēng)陣列設(shè)計(jì)

　　圖5.檢測(cè)到的不同頻率的噪聲

　　在高頻部分，車(chē)輪形成的噪聲源相當(dāng)明顯。這里顯示了每一個(gè)車(chē)輪都有不同的噪聲幅度。因此，該技術(shù)極有可能用以監(jiān)測(cè)車(chē)輪的工作狀態(tài)，便于維護(hù)。

　　Figure6.車(chē)輪噪聲源可視化

　　未來(lái)的列車(chē)需要進(jìn)一步提速，這將產(chǎn)生更為嚴(yán)重的噪聲，尤其是氣流形成的噪聲。要研制更安靜的列車(chē)，首先需要深入地了解列車(chē)的噪聲源。因?yàn)長(zhǎng)abVIEW可以實(shí)現(xiàn)噪聲源的位置和大小的可視化，所以我們可以借助它完成降噪測(cè)試。