1.2 噪声测量技术进展

声学理论的发展已有两千多年的历史，但声学的实用测量起步却比较晚。直到20世纪初，无线电技术和电子仪器的发展为声学测量技术的发展提供了良机。1915年，E.C.Wenter设计了第一个电容传声器，可以将声波转化为电压信号进行测量分析。高性能的测量传声器、频谱分析仪和声级记录器实现了噪声信号的声压级测量、频谱分析和信号特性的自动记录，使得声学测量技术获得了迅速发展，各种模拟仪器如声级计、倍频程滤波器应运而生。计算机技术和大规模集成电路的发展进一步提高了声学测量的准确度和速度，而数字技术的应用也实现了频谱的实时分析。

由于传声器只能感受声压，而声源（或声场）的其他特性只能根据声压的测量结果进行计算，所以测量的准确度和速度都不能令人满意。为了排除测试环境的影响，在现代科技发展的基础上，一些先进的测量技术和方法如声强测量法、声全息测量法、声阵列测量法、声模态分析法、相关分析法和偏相关分析法等获得了充分的发展。下面主要介绍前三种方法和应用。

1.2.1 声强测量法

由声学原理可知，单位时间内通过垂直于声传播方向上面积（S）的平均声能称为平均声能流量或平均声功率（W）。通过垂直于声传播方向单位面积上的平均声能流量，就称为平均声能流量密度或声强（I）。瞬时声强是瞬时声压及瞬时质点速度的乘积，因此声强测量法就是通过同时测量出这两个瞬时量，然后进行相乘得到。

声强本身是一个矢量，有大小、方向，可以描述声的能量场。用声强测量法测定噪声源声功率的原理提出得较早，但长期以来由于测量声强很困难，所以并未获得广泛的应用。用传声器测量声压的问题早已解决，因此问题主要集中在实测质点速度上。质点速度的测量一般采用间接测量法。R.H.Bolt首次应用双传声器测量材料的声阻抗，而T.J Schultz应用Bolt的双传声器原理处理两个传声器的声压信号，得到质点速度，从而开始了质点速度的间接测量法。20世纪70年代，随着数字信号处理技术的快速发展，通过把双传声器测到的信号由时域转换到频域，计算其互功率谱的虚部就可以得到声强。在此基础上，不少商品化的声强测量系统也开始出现在市场上。声强测量法具有许多优点，可用来判断噪声源的位置，计算噪声发射功率，可以不需要消声室、混响室等特殊声学环境进行声源的声功率、材料的吸声系数和透射系数等的测量，因而近年来得到了快速发展。

声强测量法也越来越多地应用到噪声源的识别中，利用测得的噪声辐射面的声强值，做出声强的矢量图、等高线图和三维声强分布图，形象地表示出被测辐射面各部位的噪声辐射分布，从而可以直接识别出主要噪声辐射位置。

1.2.2 声全息测量法

声全息测量法是指用从二维面上测得的声压信息来计算三维空间的声场特征。传统的声全息是在远场进行测量的，由于测量信号漏掉了衰减波分量，致使分辨率不高。近场声全息能够捕获近场衰减波分量，分辨率比传统的声全息高。声全息能够用于重建三维空间的声压场、振速场、声强矢量场，能够预测声源的辐射声功率及远场指向性，分离与识别具有相干特性的多噪声源，还有助于对结构振动和噪声进行有效控制。对于空气中或者水下结构的振动及声辐射特性的研究，声全息技术是一种极为有效的测量方法。

经过20多年的发展，近场声全息技术已发展成为噪声源识别和声场可视化问题研究的重要技术。近场声全息技术的核心是全息变换算法。自Williams等人于1980年首先提出采用近场空间傅里叶变换法实现声场全息变换以来，已经有许多方法相继被采用，并都取得了一定的效果。例如，在空间傅里叶变换法基础上发展的基于K-空间滤波法、Wiener滤波法、反复算法以及统计最优法的近场声全息技术，还有不受源面和全息面形状限制的基于边界元法的近场声全息技术，以及最近提出的基于Helmholtz最小二乘法的近场声全息技术和基于分布源边界点法的近场声全息技术。它们都能有效地实现声场的全息变换，但也各有优缺点：基于空间傅里叶变换法的近场声全息技术虽然原理简单，但是要求测量面和源面都为规则形状（如平面、柱面、球面和椭球面等）；基于边界元法的近场声全息技术虽说可以对任意形状的振源进行分析，但计算量大，而且其中存在的奇异积分处理和特征波数处理的非唯一性处理相当麻烦；基于Helmholtz最小二乘法的近场声全息技术是将振源辐射分解成有限个模态的正交球面波的叠加，而随着分解数目的增加，计算量急剧上升，而且对于非球形结构体，其计算精度也会受到影响；基于分布源边界点法的近场声全息技术是在边界元法基础上发展起来的一种新型的近场声全息技术，它只需要对振动边界进行结点离散，并通过特解源来构造源面与场点之间的传递关系，其计算量小、精度高而且计算稳定性好，但边界离散仍是必需的，而且对其特解源的位置选取也需相当谨慎。

近场声全息主要适用于稳态声场的分析，但是该方法也可以用于分析瞬态声场。在国外，B&K、Sensound、LMS公司的软件中都有相应的瞬态分析功能，由于成本太高，国内目前使用较少。因为做瞬态分析需要同步测量，所以需要大的测量阵列（如16 × 16 =256通道）和后续处理设备，而普通的声全息只需要小的阵列扫描测量。后处理算法与瞬态分析也有一定的关系，因为算法的快慢决定了瞬态分析的快慢（此处的瞬态不可能是完全的瞬态，而是连续的很短的时间段），目前用于瞬态分析的算法主要是快速傅里叶变换（FFT）法。如果不用实时分析，则可以通过大的测量阵列连续采集数据再进行离线分析，但是阵列的数据采样必须是同步的。

1.2.3 声阵列测量法

所谓传声器阵列，就是多个在空间确定位置上排列的一组传声器，由这个阵列测量出空间中的声场信号，经过特殊的数据处理，就可以得到更多的有关声源的信息。

通过传声器阵列对空间信号场进行接收和处理，从而提取阵列所接收的信号及其特征信息，同时抑制干扰或不感兴趣的信息，这种处理方式为阵列信号处理。阵列信号处理是信号处理领域内的一个重要分支，近40年来得到了迅速发展，其应用涉及雷达、通信、声呐、地震和勘探等众多军事及国民经济领域。

阵列信号处理与一般的信号处理方式不同，因为其阵列是按一定方式布置在空间不同位置上的传感器组，主要利用信号的空域特性来增强信号及有效提取信号空域信息。因此，阵列信号处理也常称为空域信号处理。与传统的单个定向传感器相比，阵列信号处理具有灵活的波束控制、高的信号增益、高的抗干扰能力及空间分辨能力等特点，因而受到了人们的极大关注。同时，与此相关的研究工作不断发展与深入，其应用范围也不断扩大。

基于传声器阵列的噪声测试可用于在具有嘈杂背景的环境中进行稳态声源、非稳态声源和运动声源的分析。与传统的阵列信号处理相比，传声器阵列信号处理主要有以下特点：

1）传统的阵列信号处理一般是有一个调制载波的窄带信号，如通信信号和雷达信号等，而传声器阵列处理的信号没有载波，其频率分布大部分集中在300～3000Hz之间，是一个多频宽带信号。

2）传统的阵列处理技术一般处理的信号为平稳或准平稳信号，而传声器阵列处理的信号通常为非平稳信号。

3）传统的阵列处理一般采用远场模型，而传声器阵列处理要根据不同的情况选择远场模型或者近场模型。

4）在传统的阵列处理中，噪声一般为高斯噪声（包括白噪声和有色噪声），与信源无关。在传声器阵列处理中，噪声既有高斯噪声，也有非高斯噪声（如室内空调风机的噪声、打字机发出的干扰噪声、碎纸机的声音和突然出现的电话铃声等）。这些噪声可能与信源无关，也有可能相关。

综上所述，以上三种方法都可以进行噪声源识别，但是基于声强的噪声测试由于测试时间比较长，所以只限于稳定工况；基于声全息的声源识别目前也主要用于稳定工况和限于理论算法的研究；声阵列测量法是目前最强的声源识别系统，可用于稳态声源、非稳态声源和移动声源，基于传声器阵列的研究更多地应用于水声和雷达等领域。本文就是基于传声器阵列理论，在普通实验室环境条件下实现对电动汽车驱动电机噪声的测试、分析和评价研究。