聲相機(jī)是如何工作的,它有什么用呢

聲相機(jī)由用于定位和描述聲音的麥克風(fēng)陣列組成。有各種各樣的麥克風(fēng)陣列結(jié)構(gòu)來(lái)支持特定的分析需求.一些聲學(xué)攝像機(jī)也有嵌入式視覺(jué)攝像機(jī)來(lái)提供圖像,在圖像上可以提供聲學(xué)定位信息。從分析汽車艙、飛機(jī)和火車內(nèi)部的噪音,到量化風(fēng)力渦輪機(jī)的噪音特征,以及監(jiān)測(cè)工業(yè)環(huán)境中的異常現(xiàn)象和潛在的機(jī)器故障,聲學(xué)攝像機(jī)的應(yīng)用實(shí)例不一而足。

這個(gè)FAQ首先簡(jiǎn)要概述了聲學(xué)圖像算法,包括人工智能(AI)的應(yīng)用,展示了模范的雙和三維麥克風(fēng)陣列結(jié)構(gòu),回顧了聲音全息、定位和監(jiān)測(cè)工作,并通過(guò)查看點(diǎn)射聲相機(jī)、聲音掃描器和同時(shí)使用多個(gè)麥克風(fēng)陣列來(lái)結(jié)束。

聲相機(jī)由麥克風(fēng)陣列、聲音處理部分和顯示器組成.麥克風(fēng)陣列可以由幾十個(gè)或數(shù)百個(gè)麥克風(fēng)組成。聲音處理科同時(shí)或在精確的相對(duì)時(shí)間延遲的情況下從麥克風(fēng)獲得傳入的聲音信息。當(dāng)聲音從源頭發(fā)出時(shí),它會(huì)在不同的時(shí)間和不同的強(qiáng)度下,以不同的位置到達(dá)不同的麥克風(fēng)。

波束成形是一種用于聲音定位的方法。它的工作方法是在麥克風(fēng)信號(hào)中添加延遲,并添加信號(hào),以放大來(lái)自特定方向的聲音,同時(shí)將來(lái)自其他方向的聲音減至或取消到基本上"指向"特定方向的陣列。計(jì)算的聲強(qiáng)信息可以顯示在功率圖上.

聲音定位的兩種技術(shù)是到達(dá)時(shí)差和到達(dá)角。它們可以使用廣義交叉相關(guān)算法進(jìn)行組合。計(jì)算要求較低,實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。權(quán)衡一下,需要許多麥克風(fēng)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的定位結(jié)果。使用更復(fù)雜的算法可以減少所需的麥克風(fēng)數(shù)量,但需要一個(gè)更有能力(和更昂貴)的計(jì)算部分,有一個(gè)更快的處理器和更多的內(nèi)存。

除了簡(jiǎn)單的聲音定位之外,聲強(qiáng)在分貝中被量化,并可以用聲探針測(cè)量。一些聲學(xué)相機(jī)包括聲強(qiáng)和聲粒或壓力傳感測(cè)量能力。聲全息法是另一種聲學(xué)測(cè)量技術(shù),用于確定聲波的空間傳播或識(shí)別聲源。它是基于空間傅里葉變換,通過(guò)粒子速度和(或)壓力感知傳感器陣列估計(jì)源周圍的近場(chǎng)聲強(qiáng)。

先進(jìn)的音響攝像機(jī)可以將數(shù)字麥克風(fēng)和人工智能結(jié)合起來(lái)?；贏I的測(cè)量軟件使開(kāi)發(fā)人員能夠以較低的成本提供性能較高的聲學(xué)相機(jī)。

二維聲學(xué)測(cè)量

二維(二維)聲學(xué)映射可以使用各種麥克風(fēng)陣列結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),包括環(huán),星,八角形,斐波那契結(jié)構(gòu)和矩形,有時(shí)稱為劃槳。不同的結(jié)構(gòu)為近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)和其他映射特征提供了不同的性能選擇。這些陣列都有單向麥克風(fēng),都面向同一方向。二維聲映射適用于測(cè)量平面面,聲像機(jī)陣列垂直于表面。許多表面并不是完全平坦的,因此很難用二維陣列進(jìn)行精確的測(cè)量。

當(dāng)二維映射被用于將三維(3D)表面近似到平面時(shí),它可以在計(jì)算聲強(qiáng)時(shí)引入測(cè)量誤差。這些近似值通常沒(méi)有考慮到在不同點(diǎn)上測(cè)量的表面具有不同的相對(duì)深度所產(chǎn)生的距離差異。如果空間很大,那么這些錯(cuò)誤可能很小,但在小空間中,錯(cuò)誤可能很大。

當(dāng)使用雙層麥克風(fēng)通道系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí),二維陣列可以利用強(qiáng)度映射實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量。此外,利用必要的軟件,可以在繪制粒子速度/聲強(qiáng)測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)繪制聲壓圖。手持二維陣列可用于故障排除和便攜式應(yīng)用,而獨(dú)立陣列可提供更高精度的實(shí)驗(yàn)室和工程級(jí)測(cè)量。有適合不同應(yīng)用的各種陣列結(jié)構(gòu):

· 環(huán)陣列適用于波束形成,用于室內(nèi)和室外的遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)測(cè)量。

· 恒星陣列也適合波束形成,主要用于遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量。

· 斐波那契陣列適合全息或波束形成,可用于近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量相同的陣列?；陟巢瞧趼菪Ｊ降柠溈孙L(fēng),這些陣列可以提供比其他結(jié)構(gòu)更大的動(dòng)態(tài)范圍。

· 槳陣是一種良好的低頻近場(chǎng)測(cè)量工具( 圖1 ).

圖1可以使用簡(jiǎn)單的槳陣進(jìn)行低頻近場(chǎng)二維聲學(xué)測(cè)量

立體聲測(cè)量

三維聲相機(jī)在測(cè)量麥克風(fēng)與被測(cè)表面之間的距離時(shí)考慮表面非線性和糾正錯(cuò)誤。這些相機(jī)使用三維模型的表面或空間被分析。如果相機(jī)遇到的聲音來(lái)源不包括在模型中,可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤,例如將聲音映射到隨機(jī)位置,或者聲音可能從測(cè)量中消除。

三維音響攝像頭特別適合分析封閉空間,如房間或車輛內(nèi)部。這些攝像頭由一個(gè)球形麥克風(fēng)組成,每個(gè)麥克風(fēng)垂直于球體表面,可提供全方位的聲音測(cè)量。這些相機(jī)通常使用波束形成,將測(cè)量結(jié)果映射成3d點(diǎn)云或被測(cè)量環(huán)境的3d計(jì)算機(jī)輔助繪圖模型。

定點(diǎn)聲成像儀

開(kāi)發(fā)了一種手持聲成像儀,用于識(shí)別壓縮空氣、氣體、蒸汽和真空系統(tǒng)中的泄漏,以及檢測(cè)和定位絕緣子、變壓器、開(kāi)關(guān)齒輪或高壓線中的局部放電條件。聲陣列中的64個(gè)麥克風(fēng)的探測(cè)范圍最高可達(dá)120米,操作范圍為2至100千赫。該陣列的視場(chǎng)為63°5°,以每秒25幀的速率拍攝圖像。集成數(shù)碼相機(jī)具有相同的視野,加上3倍的數(shù)碼變焦能力,分辨率為500萬(wàn)像素。除了顯示靜止圖像外,該系統(tǒng)可接收長(zhǎng)達(dá)5分鐘的視頻( 圖3)。為了盡量減少背景噪聲干擾,成像器自動(dòng)補(bǔ)償背景噪聲,并具有多個(gè)帶寬,可通過(guò)手動(dòng)輸入或使用用戶設(shè)定選擇。

圖3該手持聲相機(jī)旨在識(shí)別壓縮氣體系統(tǒng)中泄漏的位置,并定位高壓電系統(tǒng)中的局部放電條件

聲音掃描儀

可以使用被稱為聲音掃描儀的設(shè)備來(lái)模擬480個(gè)麥克風(fēng)的位置,這些設(shè)備可以使用5個(gè)麥克風(fēng)在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的吊桿上。該掃描儀是專門(mén)為用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量而開(kāi)發(fā)的,因?yàn)樗容p巧又緊湊,便于運(yùn)輸。它將用于建筑聲學(xué)和環(huán)境噪聲測(cè)量。傳感器結(jié)構(gòu)直徑為1.32米,這意味著支持對(duì)低頻聲音的精確可視化。

掃描儀系統(tǒng)是獨(dú)立的電池驅(qū)動(dòng)的,不需要筆記本電腦、外部數(shù)據(jù)記錄器或電源適配器。該系統(tǒng)包括五個(gè)組成部分:

· 旋轉(zhuǎn)傳感器單元

· 移動(dòng)電子

· 軟件

· 支持云基礎(chǔ)設(shè)施

· 三腳架

兩個(gè)陣列比一個(gè)強(qiáng)

提出了一種新的方法,即使用兩個(gè)麥克風(fēng)陣列,每個(gè)陣列中只有兩個(gè)麥克風(fēng),形成"左"和"右"通道。TDOA被用來(lái)將通道轉(zhuǎn)換成角度,使用簡(jiǎn)單的海灣合作委員會(huì),沒(méi)有額外的算法。該雙通道方法的一個(gè)原型產(chǎn)生了大約2.3厘米的位置誤差和大約0.74度的角度誤差,在室內(nèi)環(huán)境中僅使用四個(gè)麥克風(fēng)。

總結(jié)

聲相機(jī)是一項(xiàng)成熟的技術(shù),包括二維和三維成像系統(tǒng)。他們使用基于波束形成、聲強(qiáng)測(cè)量和聲全息攝影等技術(shù)的算法。由于增加了人工智能,因此能夠以較低的成本開(kāi)發(fā)高性能的聲學(xué)攝像機(jī)。此外,正在開(kāi)發(fā)一些技術(shù),以減少用于高精度測(cè)量的麥克風(fēng),從而進(jìn)一步降低使用聲相機(jī)的成本。