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聲學成像技術的發展與原理

文章出處·✘│:摘自網路 人氣·✘│:-發表時間·✘│:2022-09-14 00:00:00

聲學成像技術的發展


聲學成像(acoustic imaging)是基於傳聲器陣列的一種測量技術₪│▩↟▩,透過測量一定空間內的聲波到達各傳聲器的訊號相位的差異₪│▩↟▩,依據相控陣原理確定聲源的位置₪│▩↟▩,測量聲源能量的強弱₪│▩↟▩,並以直觀的影象方式指示出聲源在空間的分佈₪│▩↟▩,從而得到空間聲場分佈雲圖-聲像圖₪│▩↟▩,其中以影象的顏色和亮度表徵聲波能量的強弱·↟╃╃。


將聲像圖與陣列上配裝的可見光攝像頭實所拍的影片影象疊合在一起₪│▩↟▩,就形成了可直觀分析被測物實時狀態的影片流·↟╃╃。這種利用聲學₪↟₪✘、電子學和資訊處理等技術₪│▩↟▩,將聲波能量變換成人眼可見的影象的技術可以幫助人們直觀地認識聲場₪↟₪✘、聲波₪↟₪✘、聲源₪│▩↟▩,便捷地瞭解聲音產生的部位和原因₪│▩↟▩,物體(機器裝置)的聲像反映了其所處的狀態·↟╃╃。


聲成像的研究開始於20 世紀20 年代末期·↟╃╃。最早使用的方法是液麵形變法·↟╃╃。隨後₪│▩↟▩,很多種聲成像方法相繼出現₪│▩↟▩,至70 年代已形成一些較為成熟的方法₪│▩↟▩,並有了大量的商品化產品·↟╃╃。聲成像方法可分為主動聲成像₪↟₪✘、掃描聲成像和聲全息·↟╃╃。



聲學成像技術的原理


聲音是由物體振動產生的₪│▩↟▩,透過介質傳播·↟╃╃。我們能夠聽見聲音是因為在我們和發聲物體之間存在介質- 空氣·↟╃╃。聲音這種特殊的波₪│▩↟▩,透過空氣的傳播₪│▩↟▩,到達聲學感測器- 麥克風處₪│▩↟▩,利用若干個麥克風組成陣列₪│▩↟▩,即可以分辨聲音出現的位置₪│▩↟▩,輔以可見光影象的疊加顯示₪│▩↟▩,我們可以直觀分辨出發聲的具體位置·↟╃╃。此為聲學


基於麥克風陣列的聲源定位原理簡介

一般來說₪│▩↟▩,基於麥克風陣列的聲源定位演算法劃分為三類·✘│:一是基於波束形成的方法;二是基於高解析度譜估計的方法;三是基於聲達時延差(TDOA)的方法·↟╃╃。


波束形成(Beamforming)


基於最大輸出功率的可控波束形成技術 Beamforming₪│▩↟▩,它的基本思想就是將各陣元採集來的訊號進行加權求和形成波束₪│▩↟▩,透過搜尋聲源的可能位置來引導該波束₪│▩↟▩,修改權值使得傳聲器陣列的輸出訊號功率最大·↟╃╃。這種方法既能在時域中使用₪│▩↟▩,也能在波域中使用·↟╃╃。它在時域中的時間平移等價於在波域中的相位延遲·↟╃╃。在波域處理中₪│▩↟▩,首先使用一個包含自譜和互譜的矩陣₪│▩↟▩,我們稱之為互譜矩陣(Cross-Spectral Matrix₪│▩↟▩,CSM)·↟╃╃。在每個感興趣波長之處₪│▩↟▩,陣列訊號的處理給出了在每個給定的空間掃描網格點上或每個訊號到達的能量水平·↟╃╃。因此₪│▩↟▩,陣列表示了一種與聲源分佈相關聯的響應求和後的數量·↟╃╃。這種方法適用於大型麥克風陣列₪│▩↟▩,對測試環境適應性強·↟╃╃。


基於高解析度譜估計

基於高解析度譜估計的方法包括了自迴歸 AR  模型₪↟₪✘、最小方差譜估計(MV)和特徵值分解方法(如 Music 演算法)等₪│▩↟▩,所有這些方法都透過獲取了傳聲器陣列的訊號來計算空間譜的相關矩陣·↟╃╃。在理論上可以進行有效估計₪│▩↟▩,實際中若要獲得較理想的精度₪│▩↟▩,就要付出很大的計算量代價₪│▩↟▩,而且需要較多的假設條件₪│▩↟▩,當陣列較大時這種譜估計方法的運算量很大₪│▩↟▩,對環境敏感₪│▩↟▩,還很容易導致定位不準確₪│▩↟▩,因而在現代的大型聲源定位系統中很少採用·↟╃╃。


聲達時間差(TDOA)

聲達時間差(TDOA) 的定位技術₪│▩↟▩,這類聲源定位方法一般分為二個步驟進行₪│▩↟▩,先進行聲達時間差估計₪│▩↟▩,並從中獲取傳聲器陣列中陣元間的聲延遲(TDOA);再利用獲取的聲達時間差₪│▩↟▩,結合已知的傳聲器陣列的空間位置進一步定出聲源的位置·↟╃╃。


SV600 來說₪│▩↟▩,此裝置是採用了聲達時間差原理設計製造的一款聲學成像儀·↟╃╃。



裝置由 3 部分組成₪│▩↟▩,聲音的採集單元 - 麥克風;可見光影象的拍攝 - 攝像頭;聲音位置資訊的分析運算以及與可見光的影象整合 - 邊緣計算機₪│▩↟▩,最終可以在電腦或者監控器中檢視到最終的視覺化影象·↟╃╃。


聲音的採集由 64 個呈向日葵陣列形式排布的 MEMS 聲學感測器負責₪│▩↟▩,優勢在於相鄰的麥克風之間距離相等₪│▩↟▩,在聲像噪聲(旁瓣)的抑制方面有著優良的表現₪│▩↟▩,在同一陣列區域內的麥克風數量也是測試後的較優選擇₪│▩↟▩,相對於數量加倍至  128  個麥克風帶來的約  1dB  SPL  的增益₪│▩↟▩,適當位置分佈的 64 個麥克風可以帶來 40 dB  SPL 的增益₪│▩↟▩,可見是非常經濟且高效的·↟╃╃。


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₪│▩↟▩,這裡的空氣分子向前或向後移動的位置變化最大·↟╃╃。一個波峰到下一個波峰的距離₪│▩↟▩,或者一個波谷到下一個波谷的距離就是聲波的長度·↟╃╃。


每秒鐘經過一個特定點的波的數量稱為聲波頻率·↟╃╃。


聲波頻率與聲波波長的乘積就是聲波的速度(速度= 每秒鐘經過的波的數量×每個波的長度)·↟╃╃。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

表示聲音強弱的物理量₪│▩↟▩,通常以Pa 為單位₪│▩↟▩,例如基本聲壓 p0₪│▩↟▩,相當於蚊子落於皮膚上引起的壓力變化的千分之一·↟╃╃。

 

聲壓級(SPL)

衡量聲音強度大小的單位 - 分貝(dB)₪│▩↟▩,用某聲音的聲壓(p)與基本聲壓(p0)之比的常用對數的20 倍來表示₪│▩↟▩,即20 lg P/P0 . 1 分貝等於1/10 貝爾·↟╃╃。如果一種聲音比另一種聲音高10分貝₪│▩↟▩,那麼這種聲音的強度時它的10 倍·↟╃╃。如果比另一種聲音高20 分貝₪│▩↟▩,那麼這種聲音的強度時它的10×10=100 倍₪│▩↟▩,以此類推·↟╃╃。


但是用這種方法獲得的不是絕對的標度₪│▩↟▩,而是相對的標度·↟╃╃。必須在一定程度上標出另強度級₪│▩↟▩,以便由此計算讀數·↟╃╃。這個級是在主觀指數――人耳的最小聽閾基礎上選擇的₪│▩↟▩,其客觀值等於10-12 瓦/ 平方米·↟╃╃。這種聲音的強度被取作0 分貝·↟╃╃。


振幅

即聲波的強度·↟╃╃。聲波的振幅與聲音的響度成正比關係·↟╃╃。


平方反比定律

假設我們有一個點源·↟╃╃。它將在各個方向上平均分配能量·↟╃╃。因此₪│▩↟▩,如果要查詢空間中能量強度相同的所有點₪│▩↟▩,則必須在光源點周圍繪製一個球體·↟╃╃。球體的半徑越大₪│▩↟▩,能量散佈的“表面”越大·↟╃╃。

半徑與球體表面積之間的關係是平方反比關係·↟╃╃。這意味著強度將取決於1/r2·↟╃╃。如果您離能量源的距離增加一倍₪│▩↟▩,強度會降低到其值的四分之一;距離三倍將使強度下降到九分之一₪│▩↟▩,依此類推·↟╃╃。任何點源₪│▩↟▩,只要它不受其範圍的限制而均勻地向各個方向擴散₪│▩↟▩,就會服從平方反比定律·↟╃╃。


聲波也是按照球形傳播的₪│▩↟▩,聲能分佈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₪│▩↟▩,則聲強就會減少6 分貝₪│▩↟▩,此現象遵循平方反比定律·↟╃╃。


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