解析麦克风阵列技术那些事儿
李元首+陈宝+张雪+姜涛
摘 要： 气动噪声通常为宽频噪声，设计的阵列需要同时满足对高低频信号的测量需求，在确定了阵列测量频率范围的情况下，设计相应的阵列形式。在风洞气动噪声试验技术中，基于传声器阵列的噪声源定位技术是核心试验技术，噪声源定位的精准度主要取决于传声器阵列校准技术。传声器相位阵列安装之后，由于传声器频率响应和灵敏度不同，前置放大器、电缆的铺设、电源和信号调理器的频率响应以及传声器在阵列中的安装影响，会引起数据采集系统各测量通道间固有的相位差和幅值差。修正传声器的相位差和幅值差使得所有的传声器幅频响应一致，保证试验结果的准度。
关键词： 阵列设计; 阵列校准; 气动噪声; 传声器阵列
中图分类号： TN912.2?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）24?0094?04
Calibration technology of microphone array
LI Yuan?shou， CHEN Bao， ZHANG Xue， JIANG Tao
（AVIC Aerodynamics Research Institute， Harbin 150001， China）
Abstract： Aerodynamic noise is usually broadband noise. The designed array needs to satisfy the measurement requirements of both high and low frequency signals. The corresponding array form is designed when the frequency range of array measurement is determined. The noise source localization technology based on microphone array is the core test technique in the wind tunnel aerodynamic noise test technology. The accuracy of noise source localization depends mainly on the microphone array calibration technique. After the microphone phase array is installed， different frequency response and sensitivity， preamplifier， cable laying， power supply， frequency response of signal conditioner and the installation of microphone array can cause the phase difference and amplitude difference among all measurement channels in the data acquisition system. Correction of phase difference and amplitude difference of microphones can make all the microphone frequency responses consistent and ensure the accuracy of test result.
Keywords： array design; array calibration; aerodynamic noise; microphone array
在风洞气动噪声试验技术中，基于传声器阵列的噪声源定位技术是试验的核心技术。噪声源定位技术主要涉及阵列设计技术和传声器阵列校准技术[1]。飞机噪声问题正日益成为飞机设计中的重要问题，无论是国际民用航空组织（ICAO），还是美国联邦航空局（FAA）的噪声适航条例，都已把飞机的噪声问题提高到与飞机飞行性能、安全性、可靠性等同等地位[2?3]。噪声诊断与测量系统作为气动噪声研究的试验平台，是必不可少的基础试验设备，为了能准确分析机体噪声分布，需要对机体噪声源进行定位[4]。为了定位的准确，需要进行校准试验研究，噪声源定位精度与校准方法有直接关系。在本文中对气动噪声定位风洞试验校准方法研究进行了详细阐述。
1 传声器阵列设计技术研究
气动噪声通常为宽频噪声，因此设计的阵列需要同时满足对高低频信号的测量需求，在确定了阵列测量频率范围的情况下，设计阵列需要考虑的事项：为满足对低频声信号的高分辨测量，阵列的孔径要尽量增大。阵列大小、阵元数目固定后，不同的阵列形式会有不同的输出结果，因此设计阵列时需要考虑阵元分布形式。为满足对高频声信号的测量，需要尽量多的传声器。
1.1 阵列设计技巧
阵列的设计必须满足宽频率范围工作要求。为满足对低频声信号的测量，阵列的孔径必须要大些，以便获得足够的分辨率。要想满足声信号最高频率的测量要求，传声器分布空间要小，以便满足消除空间混淆对半波长的规范要求。综合考虑，需大量传声器才能满足上述要求。常见的阵列设计策略是对阵列进行非规则性或非周期性设计：
（1） 阵列传声器的数量N是影响峰值旁瓣大小的主导因素;
（2） 旁瓣理论平均功率级相对于主瓣近似为10log（[1N]）+3 dB;
（3） 根据经验，旁瓣峰值一般不会超过平均值10 dB。因此，阵列设计策略的准则是：旁瓣峰值最小化，阵列的有效动态范围最大化。
1.2 阵列设计步骤
有效的阵列设计需要综合考虑各种因素影响及实际限制条件。基本设计步骤如下：
（1） 首先确定性能需求：主要包含有测量频率范围、空间分辨率、最大旁瓣级、阵列摆放位置等;
（2） 确定限制因素：阵元数目的限制、同步数采通道数目的限制、阵列架安放有效位置、试验操作问题等;
（3） 初步设计与性能评估;
（4） 如果在步骤（3）中评估得到了不可接受的结果，则需要重新进行步骤（1）～步骤（3），根据期望进行折衷调整。主要有两种解决方式：一是放宽性能需求，二是放宽限制因素;
（5） 一旦确定了折衷方案，便对阵列进行优化调节，这是一个迭代过程直到阵列的综合性能最佳。
2 校准技术研究
作为噪声源定位的关键部件传声器及传声器阵列，为确保其性能指标及测量的准确度，需要对其进行校准。在实际测试的时候，整个系统可能存在如下两个问题，需要用户特别注意并作出相应的处理：第一，安装在阵列上的传声器，由于长时间处于实验环境中，性能会有所变化。所以通过这些传声器采集到的声压值（实际为电压值）可能已经不能真实的反映声压特性，因而在使用之前，需要对其进行校准;第二，用户通过数据采集系统（DAQ）采集到的只是电压值，而并非实际的声压值，因而需要给出采集到的电信号与传声器所在位置声压之间的转换关系，这个转换关系包括传声器自身将声压信号转换为电信号时的灵敏度和传声器输出的电压值放大倍数。因此，在实验的时候，需要对传声器进行校准，使测量得到的电压值尽量反映真实情况。另外还需要测量出从传声器探头处到采集得到的数值之间的关系，从而确定出真实的声压值。
2.1 单个传声器校准方法
为了保证测量的精度，需要在测量试验前对传声器进行校准。校准方法一般分为两类：一般校准与精确级校准。
一般的校准器，是能在一个或几个频率点上产生一个或几个恒定声压的声源。常用的校准声源在1 kHz点上产生94 dB与114 dB的声压。如图1所示。
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图1 校准声源
由于研究工作的要求，需要传声器达到较高的准确度，一般选用互易法校准（Reciprocity Calibration）。互易校准一般定义为利用可逆、无源和线性传感器的输出和输入存在着互换的关系，求得传感器灵敏度值的绝对法校准。传感器的声压灵敏度是它的输出端开路电压和作用于传感器膜片上的有效声压之比（单位：V/Pa）。传感器的声场灵敏度是它的输出端开路电压和声场中放置传声器前存在于该点的自由场声压之比（单位：V/Pa）。
互易校准一般分为耦合腔互易校准和自由场互易校准。耦合腔互易校准。使用三个传声器，其中一个必须是可逆的。两个传声器耦合到空腔，其中一个传声器做辐射，另一个做接收。接收器的开路输出电压和发射器输入电流的比值导出两传声器的声压灵敏度乘积。比较三组测量结果就可以求出每个传声器的声压灵敏度。耦合腔互易法已非常成熟，已成为传声器校准的标准方法。自由场互易校准。与耦合腔互易校准类似，但它给出声场灵敏度。校准需在消声室内进行。校准方法与耦合腔校准一样。
2.2 传声器阵列校准方法
在完成所有的安装之后，由于传声器的频率响应和灵敏度的不同、前置放大器、电缆的铺设、电源和信号调理器的频率响应影响、数据采集的输入、模拟抗混淆滤波器的影响、阵列架的加工误差以及与传声器在阵列中的安装，会引起数据采集系统各测量通道间固有的相位差和幅值差。为了修正阵列上传声器的幅频响应特性。 实验中品质可靠的标准传声器记为M0。施加各个频率上能量相同的白噪声源，在20 Hz～20 kHz的范围内，该传声器幅频响应基本上保持为水平直线，能够较好的反映出声压特性。在做实验的时候，希望知道每次通过阵列传声器Mi采集到的数据与品质较好的传声器M0采集到的数据的差别，然后以此为依据进行对数据进行一些必要的处理，使得Mi采集到的信号能够与M0得到的数据尽量接近。
通过施加白噪声声源，在某一固定的位置同时使用M0和Mi采集该处声压值。得到两段不同的时域信号S0和Si，然后对数据进行FFT变换得到数据（A0，P0）和（Ai，Pi），其中A0、Ai分别为两个传声器的幅值特性，P0和Pi分别是两个传声器的是相位特性，它们都是信号频率的函数。
在每一个频率下，将两个传声器频域数据的幅值相除，表示在这次实验中传声器M0与Mi之间的幅值差异。另外在同一频率下，将两个传声器频域数据的相位相减，得到CPha（f）=Pi（f）-P0（f），表示在该次实验中传声器Mi与M0之间的相位差异。
假设在同样的实验环境下，这些差异都是一致的。那么在以后的实验中，通过传声器Mi采集到的时域数据Ei，对应的频域数据为（EAi，EPi），在成像之前，我们将频域数据处理为（BAi（f），BPi（f））=（EAi[fCAmpf]，EPi（f）-CPha（f））。就可以认为（BAi，BPi）与全部采用标准传声器得到的频域数据相仿。
2.3 灵敏度修正方法
声压通过传声器转换为电信号，电信号在阵列电路以及采集系统中都存在一定的转换系数。此处的灵敏度修正是指这些影响的总和，考虑从传声器探头感受到的声压值与所采集到的电信号之间的转换系数。需要说明的是，对于不同的声压输入这个转换关系可能会很复杂，但是在实验中，可以假设二者之间的关系是线性的，对应灵敏度就是一个定值。如果所有的传声器都已经通过标准传声器进行校准了，从理论上可以认为这些传声器的性能经频响标定后与标准传声器的性能接近[5]。那么在后处理时，只给出输入标准传声器M0的灵敏度。如果没有进行校准，那么就需要给出每一个传声器Mi处声压值到采集到电信号之间的灵敏度。
不论是对于阵列上传声器Mi还是标准传声器M0，获得灵敏度的方法都是一样的。在靠近传声器M（可以为M0，Mi）的地方，放置幅值为As，频率为f单频声源，通过采集程序后，得到传声器M采集到的电压信号。将采集到的电压信号幅值与已知的声压信号幅值相除就可以得到灵敏度。但是由于采集过程总难免会引入误差，导致并不能很方便的确定时域数据的幅值，所以在实验过程中，可以对传声器M测得的信号进行傅立叶变换，取频率为f处电信号频域数据幅值Ae，则传声器M的灵敏度为[k=AsAe]。在进行数据后处理之前，先对采集到的电信号数据进行FFT变换，得到采集数据的频域结果，然后将这样得到的每个通道的频域数据乘以传声器M的灵敏度k，就可以得到相应的声压值。
3 试验内容
在消声室内进行校准：白噪声声源由无指向性声源进行代替，校准出幅值及相位输入文件。
声源指向性测量（传声器随动）如图2、表1所示。
表1 声源指向性测量（传声器不动，距离1 m）
表2所示为63通道阵列架定位程序中声压级修正列表。通过在消声室内进行了实测，观测面声压级的修正只与距离有关系。
表2 声压级修正表
校准和敏测量程序界面如图3所示，幅度及相位校准用声源如图4所示。
4 结 论
通过表3和图5可观察出：经阵列校准技术校准后的结果有所改善，位置与真实位置更为接近。
表3 单频声校准和不校准的差异
5 结 语
这里对气动噪声定位风校准方法研究进行了详细阐述，且传声器阵列设计技术设计的两套阵列已经成功应用于风洞噪声源识别试验，结果表明，定位结果准确。
参考文献
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[4] MUELLER T J. Aeroacoustis measurements [M]. Germany： Springer， 2001.
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[6] 姚惠元，刘国政，孙楠，等.恒温热线风速仪的一种新型校准方法[J].现代电子技术，2013，36（23）：110?112.
