声源定位技术在工业噪声控制中的应用

张玮晨，应乐惇，周裕德，邵志跃，李志远，李俊

（1.上海市环境科学研究院，上海 200233；2.上海城市环境噪声控制工程技术研究中心，上海 200233；3.安徽微威减震降噪技术研究院，安徽 安庆 231460）

1 引言

声源定位技术使声源可视化，对复杂声源环境下的识别起到直观作用。基于波束形成原理，通过测量传声器阵列的声信号幅值和相位差可以云图方式标注明确的声源位置与声场分布[1、2]。该项技术被广泛应用于汽车行业产品测试、发动机等研发，家用电器设计以及各种机械设备的生产中[3、4]。

随着技术进步，声源定位技术更多采用声信号分析，通过多个麦克风空间位置组成的传声阵列对空间声场进行滤波，即波束形成法[5]。区别于传统近场、声强测量判断声源位置，该方法通过阵列采样距离与声音波长对比抑制多声源混叠现象，能够对各频段声源特征、发声位置达到较高的识别精度[6]。

但在大型工业企业噪声治理工程中，声源定位技术在多声源辨析和复杂声场重建等方面还存在一定局限，因此需要结合现场多角度踏勘、近场实测模拟等综合手段提高工程设计精度，获得准确的降噪效果。

2 声源定位技术

2.1 基本理论

声源定位技术是基于波束形成原理实现对多声源信号分析与定位。利用传声器阵列，使其在一定空间（平面或三维）固定摆放对声场测量，如图1所示。虚线为声波从声源到传声器的传播路径。通过对传声器测量声信号时间差以及传感器相对位置产生的声程差确定相位差以及信号来源方位。阵列得到的聚焦方向为“波束”或“主瓣”，通过对阵列内各阵元信号的延时、向量加权、求和等核心运算使其在阵列朝向方向上获得一个空间响应极大值，完成空间滤波，继而实现声源定位的识别。

2.2 存在问题

由图1可见，声源定位系统要求声源传播方向与声源垂直，并使阵列面与声源面保持一定距离时才能获得较为精准的声源位置与声源到该位置处的等效声压值。

图1 声源波束定位示意图

实际运用中，工业厂域内的声源数量较多，多声源叠加影响对阵列的指向性会产生旁瓣效应，同时还存在各声源与声阵列波束形成有效面处于不同平面，因此在波束形成原理声源定位系统中会出现与声源相当的虚假镜像，影响声源定位系统识别的准确性[7]，见图2。

图2 多声源映射距离修正示意图

当阵列测试固定距离设为l2时，声源长短边分别为a、b，当其满足条件时可按线声源传递规律修正，即通过声源2在阵列成像面处声压级L阵2可反算得出的声源2近场声压级L2，其中：

但对声源1而言，阵列面估算声级L阵1是假设声源1投射在声源面2处的声像反算，实际声源1的近场声压级L1，应为：

2.3 解决设想

在工业企业降噪工程设计时，当声源位于不同距离时，采用声源定位系统对各声源预判时应注意阵列测试与各声源的相对位置，结合现场踏勘可提升声源定位技术的位置识别准确度，避免旁瓣效应干扰，但对声源强度预判时，还应结合近场测量与距离修正，确保源强估算得当。

3 工程案例

3.1 工程背景

某大型工业企业的车间分布广，厂内噪声源点多面广，且由于其产品的特殊性需要连续生产，无法停产对厂内的噪声源逐一排查。其厂区南侧厂界与居民生活区相邻，扰民事件多有发生，为此需运用声源定位技术在正常生产工况下排摸主要噪声源并采取治理措施，确保厂界昼夜满足3类声功能区标准。

根据现场分布确定以南侧车间为主要对象，厂界围墙与车间南北距离约10m，车间东西长度为200m，采用48通道星型阵列可满足3～300m测试距离，频率范围100～20kHz。

3.2 噪声源位置识别

针对南侧风机房进行声源定位，见图3。该处受隔声门漏声以及车间顶部消声百叶漏声的综合影响。阵列正对车间门，与隔声门距离13m，与消声百叶处墙体距离约20m。声阵列设置固定测试面为20m，即以百叶所处立面为测试断面。采用Noise Image4.5软件采集，采样频率192kHz，连续记录8s声音信号进行分析，选取连续4000ms做等效A声级计算，得出声源所在大致位置，（见图4），斑块位置现场初步判定为隔声门密封性能问题，并发现在百叶下方的车间内部存在高噪声源。测试人员立即对室内设备排查，发现内侧墙体存在风管气包，设备定期排气，喷口正对墙体确认噪声源位置，现场见图5。近场实测声级为105dB（A）。

图3 某厂区风机房声源识别测试示意图

图4 某厂区风机房声源识别分析图

图5 风机房内侧气包噪声源现场

3.3 源强估算

由声阵列分析图显示各声源在距离测试面20m处估算最大声压级，对声能传播距离进行修正计算，各类声源传递满足线声源规律，结果下表。

噪声源近场声级估算表

3.4 工程改造方案

根据声源识别结果对风机房实施改造，主要涉及风机房车间内的气包处改造，将气包排风口向地面转向排放，并加装排风消声器；对车间隔声门做密封处理；风机风管穿墙缝隙处岩棉、水泥填实处理。

3.5 治理结果

经上述工程改造后，企业委托当地环境管理部门对各厂界昼夜声级进行实测验收，见图6，改造后企业南侧的厂界声级得到改善，并满足相应环保要求。

4 结语

综上所述，声源定位技术对噪声源辨析起到了直观化效果，特别在对大型工业企业无法停止生产等复杂工况下，可结合现场踏勘，为及时辨析高噪声源带来方便。

图6 工程改造前后场界测试声级对比

但基于波束形成分析方法的原理可知，此方法只能获得声压级等相对数据，在测量声源时是无法得到各类参数的精确值，其可以确定声源位置但无法精确进行声场重建。因此在实际工程应用时，需对声阵列设置的声源成像面与各声源间的距离进行声能修正，以获得较为准确的噪声源近场声级估算值用于工程降噪参考。