聲源定位技術在工業噪聲控制中的應用

2019-11-21 09:35:04張瑋晨應樂惇周裕德邵志躍李志遠李俊

中國環保產業 2019年10期

張瑋晨，應樂惇，周裕德，邵志躍，李志遠，李俊

（1.上海市環境科學研究院，上海 200233；2.上海城市環境噪聲控制工程技術研究中心，上海 200233；3.安徽微威減震降噪技術研究院，安徽安慶 231460）

1 引言

聲源定位技術使聲源可視化，對復雜聲源環境下的識別起到直觀作用。基于波束形成原理，通過測量傳聲器陣列的聲信號幅值和相位差可以云圖方式標注明確的聲源位置與聲場分布[1、2]。該項技術被廣泛應用于汽車行業產品測試、發動機等研發，家用電器設計以及各種機械設備的生產中[3、4]。

隨著技術進步，聲源定位技術更多采用聲信號分析，通過多個麥克風空間位置組成的傳聲陣列對空間聲場進行濾波，即波束形成法[5]。區別于傳統近場、聲強測量判斷聲源位置，該方法通過陣列采樣距離與聲音波長對比抑制多聲源混疊現象，能夠對各頻段聲源特征、發聲位置達到較高的識別精度[6]。

但在大型工業企業噪聲治理工程中，聲源定位技術在多聲源辨析和復雜聲場重建等方面還存在一定局限，因此需要結合現場多角度踏勘、近場實測模擬等綜合手段提高工程設計精度，獲得準確的降噪效果。

2 聲源定位技術

2.1 基本理論

聲源定位技術是基于波束形成原理實現對多聲源信號分析與定位。利用傳聲器陣列，使其在一定空間（平面或三維）固定擺放對聲場測量，如圖1所示。虛線為聲波從聲源到傳聲器的傳播路徑。通過對傳聲器測量聲信號時間差以及傳感器相對位置產生的聲程差確定相位差以及信號來源方位。陣列得到的聚焦方向為“波束”或“主瓣”，通過對陣列內各陣元信號的延時、向量加權、求和等核心運算使其在陣列朝向方向上獲得一個空間響應極大值，完成空間濾波，繼而實現聲源定位的識別。

2.2 存在問題

由圖1可見，聲源定位系統要求聲源傳播方向與聲源垂直，并使陣列面與聲源面保持一定距離時才能獲得較為精準的聲源位置與聲源到該位置處的等效聲壓值。

圖1 聲源波束定位示意圖

實際運用中，工業廠域內的聲源數量較多，多聲源疊加影響對陣列的指向性會產生旁瓣效應，同時還存在各聲源與聲陣列波束形成有效面處于不同平面，因此在波束形成原理聲源定位系統中會出現與聲源相當的虛假鏡像，影響聲源定位系統識別的準確性[7]，見圖2。

圖2 多聲源映射距離修正示意圖

當陣列測試固定距離設為l2時，聲源長短邊分別為a、b，當其滿足條件時可按線聲源傳遞規律修正，即通過聲源2在陣列成像面處聲壓級L陣2可反算得出的聲源2近場聲壓級L2，其中：

但對聲源1而言，陣列面估算聲級L陣1是假設聲源1投射在聲源面2處的聲像反算，實際聲源1的近場聲壓級L1，應為：

2.3 解決設想

在工業企業降噪工程設計時，當聲源位于不同距離時，采用聲源定位系統對各聲源預判時應注意陣列測試與各聲源的相對位置，結合現場踏勘可提升聲源定位技術的位置識別準確度，避免旁瓣效應干擾，但對聲源強度預判時，還應結合近場測量與距離修正，確保源強估算得當。

3 工程案例

3.1 工程背景

某大型工業企業的車間分布廣，廠內噪聲源點多面廣，且由于其產品的特殊性需要連續生產，無法停產對廠內的噪聲源逐一排查。其廠區南側廠界與居民生活區相鄰，擾民事件多有發生，為此需運用聲源定位技術在正常生產工況下排摸主要噪聲源并采取治理措施，確保廠界晝夜滿足3類聲功能區標準。

根據現場分布確定以南側車間為主要對象，廠界圍墻與車間南北距離約10m，車間東西長度為200m，采用48通道星型陣列可滿足3～300m測試距離，頻率范圍100～20kHz。

3.2 噪聲源位置識別

針對南側風機房進行聲源定位，見圖3。該處受隔聲門漏聲以及車間頂部消聲百葉漏聲的綜合影響。陣列正對車間門，與隔聲門距離13m，與消聲百葉處墻體距離約20m。聲陣列設置固定測試面為20m，即以百葉所處立面為測試斷面。采用Noise Image4.5軟件采集，采樣頻率192kHz，連續記錄8s聲音信號進行分析，選取連續4000ms做等效A聲級計算，得出聲源所在大致位置，（見圖4），斑塊位置現場初步判定為隔聲門密封性能問題，并發現在百葉下方的車間內部存在高噪聲源。測試人員立即對室內設備排查，發現內側墻體存在風管氣包，設備定期排氣，噴口正對墻體確認噪聲源位置，現場見圖5。近場實測聲級為105dB（A）。