聲學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展與原理
聲學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展
聲學(xué)成像(acoustic imaging)是基于傳聲器陣列的一種測量技術(shù),通過測量一定空間內(nèi)的聲波到達(dá)各傳聲器的信號(hào)相位的差異,依據(jù)相控陣原理確定聲源的位置,測量聲源能量的強(qiáng)弱,并以直觀的圖像方式指示出聲源在空間的分布,從而得到空間聲場分布云圖-聲像圖,其中以圖像的顏色和亮度表征聲波能量的強(qiáng)弱。
將聲像圖與陣列上配裝的可見光攝像頭實(shí)所拍的視頻圖像疊合在一起,就形成了可直觀分析被測物實(shí)時(shí)狀態(tài)的視頻流。這種利用聲學(xué)、電子學(xué)和信息處理等技術(shù),將聲波能量變換成人眼可見的圖像的技術(shù)可以幫助人們直觀地認(rèn)識(shí)聲場、聲波、聲源,便捷地了解聲音產(chǎn)生的部位和原因,物體(機(jī)器設(shè)備)的聲像反映了其所處的狀態(tài)。
聲成像的研究開始于20 世紀(jì)20 年代末期。最早使用的方法是液面形變法。隨后,很多種聲成像方法相繼出現(xiàn),至70 年代已形成一些較為成熟的方法,并有了大量的商品化產(chǎn)品。聲成像方法可分為主動(dòng)聲成像、掃描聲成像和聲全息。
聲學(xué)成像技術(shù)的原理
聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的,通過介質(zhì)傳播。我們能夠聽見聲音是因?yàn)樵谖覀兒桶l(fā)聲物體之間存在介質(zhì)- 空氣。聲音這種特殊的波,通過空氣的傳播,到達(dá)聲學(xué)傳感器- 麥克風(fēng)處,利用若干個(gè)麥克風(fēng)組成陣列,即可以分辨聲音出現(xiàn)的位置,輔以可見光圖像的疊加顯示,我們可以直觀分辨出發(fā)聲的具體位置。此為聲學(xué)
基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位原理簡介
一般來說,基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位算法劃分為三類:一是基于波束形成的方法;二是基于高分辨率譜估計(jì)的方法;三是基于聲達(dá)時(shí)延差(TDOA)的方法。
波束形成(Beamforming)
基于最大輸出功率的可控波束形成技術(shù) Beamforming,它的基本思想就是將各陣元采集來的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和形成波束,通過搜索聲源的可能位置來引導(dǎo)該波束,修改權(quán)值使得傳聲器陣列的輸出信號(hào)功率最大。這種方法既能在時(shí)域中使用,也能在波域中使用。它在時(shí)域中的時(shí)間平移等價(jià)于在波域中的相位延遲。在波域處理中,首先使用一個(gè)包含自譜和互譜的矩陣,我們稱之為互譜矩陣(Cross-Spectral Matrix,CSM)。在每個(gè)感興趣波長之處,陣列信號(hào)的處理給出了在每個(gè)給定的空間掃描網(wǎng)格點(diǎn)上或每個(gè)信號(hào)到達(dá)的能量水平。因此,陣列表示了一種與聲源分布相關(guān)聯(lián)的響應(yīng)求和后的數(shù)量。這種方法適用于大型麥克風(fēng)陣列,對(duì)測試環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。
基于高分辨率譜估計(jì)
基于高分辨率譜估計(jì)的方法包括了自回歸 AR 模型、最小方差譜估計(jì)(MV)和特征值分解方法(如 Music 算法)等,所有這些方法都通過獲取了傳聲器陣列的信號(hào)來計(jì)算空間譜的相關(guān)矩陣。在理論上可以進(jìn)行有效估計(jì),實(shí)際中若要獲得較理想的精度,就要付出很大的計(jì)算量代價(jià),而且需要較多的假設(shè)條件,當(dāng)陣列較大時(shí)這種譜估計(jì)方法的運(yùn)算量很大,對(duì)環(huán)境敏感,還很容易導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確,因而在現(xiàn)代的大型聲源定位系統(tǒng)中很少采用。
聲達(dá)時(shí)間差(TDOA)
聲達(dá)時(shí)間差(TDOA) 的定位技術(shù),這類聲源定位方法一般分為二個(gè)步驟進(jìn)行,先進(jìn)行聲達(dá)時(shí)間差估計(jì),并從中獲取傳聲器陣列中陣元間的聲延遲(TDOA);再利用獲取的聲達(dá)時(shí)間差,結(jié)合已知的傳聲器陣列的空間位置進(jìn)一步定出聲源的位置。
SV600 來說,此設(shè)備是采用了聲達(dá)時(shí)間差原理設(shè)計(jì)制造的一款聲學(xué)成像儀。
設(shè)備由 3 部分組成,聲音的采集單元 - 麥克風(fēng);可見光圖像的拍攝 - 攝像頭;聲音位置信息的分析運(yùn)算以及與可見光的圖像整合 - 邊緣計(jì)算機(jī),最終可以在電腦或者監(jiān)控器中查看到最終的可視化圖像。
聲音的采集由 64 個(gè)呈向日葵陣列形式排布的 MEMS 聲學(xué)傳感器負(fù)責(zé),優(yōu)勢在于相鄰的麥克風(fēng)之間距離相等,在聲像噪聲(旁瓣)的抑制方面有著優(yōu)良的表現(xiàn),在同一陣列區(qū)域內(nèi)的麥克風(fēng)數(shù)量也是測試后的較優(yōu)選擇,相對(duì)于數(shù)量加倍至 128 個(gè)麥克風(fēng)帶來的約 1dB SPL 的增益,適當(dāng)位置分布的 64 個(gè)麥克風(fēng)可以帶來 40 dB SPL 的增益,可見是非常經(jīng)濟(jì)且高效的。
聲音的頻率和波長
聲波中有些地方,就像水波的波峰或波谷,這里的空氣分子向前或向后移動(dòng)的位置變化最大。一個(gè)波峰到下一個(gè)波峰的距離,或者一個(gè)波谷到下一個(gè)波谷的距離就是聲波的長度。
每秒鐘經(jīng)過一個(gè)特定點(diǎn)的波的數(shù)量稱為聲波頻率。
聲波頻率與聲波波長的乘積就是聲波的速度(速度= 每秒鐘經(jīng)過的波的數(shù)量×每個(gè)波的長度)。在相同條件下,所有的聲波的速度大致相同,這就意味著高頻率聲波的波長較短,低頻率的聲波波長較長。
聲壓
表示聲音強(qiáng)弱的物理量,通常以Pa 為單位,例如基本聲壓 p0,相當(dāng)于蚊子落于皮膚上引起的壓力變化的千分之一。
聲壓級(jí)(SPL)
衡量聲音強(qiáng)度大小的單位 - 分貝(dB),用某聲音的聲壓(p)與基本聲壓(p0)之比的常用對(duì)數(shù)的20 倍來表示,即20 lg P/P0 . 1 分貝等于1/10 貝爾。如果一種聲音比另一種聲音高10分貝,那么這種聲音的強(qiáng)度時(shí)它的10 倍。如果比另一種聲音高20 分貝,那么這種聲音的強(qiáng)度時(shí)它的10×10=100 倍,以此類推。
但是用這種方法獲得的不是絕對(duì)的標(biāo)度,而是相對(duì)的標(biāo)度。必須在一定程度上標(biāo)出另強(qiáng)度級(jí),以便由此計(jì)算讀數(shù)。這個(gè)級(jí)是在主觀指數(shù)――人耳的最小聽閾基礎(chǔ)上選擇的,其客觀值等于10-12 瓦/ 平方米。這種聲音的強(qiáng)度被取作0 分貝。
振幅
即聲波的強(qiáng)度。聲波的振幅與聲音的響度成正比關(guān)系。
平方反比定律
假設(shè)我們有一個(gè)點(diǎn)源。它將在各個(gè)方向上平均分配能量。因此,如果要查找空間中能量強(qiáng)度相同的所有點(diǎn),則必須在光源點(diǎn)周圍繪制一個(gè)球體。球體的半徑越大,能量散布的“表面”越大。
半徑與球體表面積之間的關(guān)系是平方反比關(guān)系。這意味著強(qiáng)度將取決于1/r2。如果您離能量源的距離增加一倍,強(qiáng)度會(huì)降低到其值的四分之一;距離三倍將使強(qiáng)度下降到九分之一,依此類推。任何點(diǎn)源,只要它不受其范圍的限制而均勻地向各個(gè)方向擴(kuò)散,就會(huì)服從平方反比定律。
聲波也是按照球形傳播的,聲能分布在波前表面的不斷增加的直徑上,隨著傳播距離的增加,聲波的能量不斷減弱。在自由場(無遮擋)情況下,與聲源的距離每增加一倍,則聲強(qiáng)就會(huì)減少6 分貝,此現(xiàn)象遵循平方反比定律。
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