Акустические визуализаторы

Акустические визуализаторы состоят из матрицы микрофонов, вычислительного блока и устройства отображения. Иногда используют термин «акустическая камера», который легче произносится, но чреват недопониманием, поскольку относится и к безэховой камере (то есть к комнате) для акустических измерений.

Акустические визуализаторы применяются в авиации, на железнодорожном, автомобильном и морском транспорте для определения уровня шума в кабинах, вагонах и корабельных трюмах. В энергетике возобновляемой они служат для обследования ветрогенераторов, а в традиционной - для поиска источников шума как индикаторов потенциальных отказов технологического оборудования.

Для наглядного представления результатов измерений многие акустические визуализаторы дополняются видео- или фотокамерами.

Устройство

Помимо матрицы микрофонов (их десятки и даже сотни) акустический визуализатор включает блок звуковой обработки сигналов и дисплей. Сигналы с микрофонов регистрируются одновременно либо поочерёдно с поправкой на точно выверенные задержки. Звук достигает разных микрофонов в разные моменты времени и действует на них с разной силой, что позволяет, зная взаимное расположение микрофонов, точно вычислить направление на источник звуковых колебаний. Результаты расчёта уровней звука отображаются на карте мощности.

Для локализации источников колебаний используются два основных метода: анализ разницы во времени прихода и вычисление углов наклонения. Эти методы можно объединить с помощью алгоритма обобщённой кросс-корреляции, который не требует больших вычислительных затрат.

Разработчики акустических визуализаторов вынуждены искать компромиссы между аппаратной и программной частью приборов. Дело в том, что для точных измерений необходимо иметь большое количество микрофонов. И хотя их число можно сократить с помощью сложных математических алгоритмов, при этом потребуется вычислитель большой мощности.

Помимо выполнения задач по локализации источников звука акустические визуализаторы измеряют силу звука в децибелах и звуковое давление в паскалях. В некоторых моделях реализованы методы акустической голографии, уточняющие угловые координаты близких источников колебаний. Эти методы основаны на пространственном преобразовании Фурье и задействуют матрицы скоростей элементов потока и/или измерения звукового давления.

Самые совершенные акустические визуализаторы снабжаются цифровыми микрофонами (то есть в каждом микрофоне имеется свой аналого-цифровой преобразователь) и программами с элементами искусственного интеллекта.

2D-системы

В двумерных системах акустического измерения используются плоские микрофонные структуры - прямоугольные, кольцевые, звездообразные, восьмиугольные, а также спиральные с разными интервалами, выбранными по числам Фибоначчи. Все подобные системы имеют узконаправленные микрофоны, ориентированные в одну сторону. В зависимости от расположения микрофонов меняются характеристики устройства, работающего в ближнем и дальнем поле.

Двумерные системы дают высокую точность при работе с плоскими или точечными источниками звука, но пасуют в случае объёмных излучающих структур. В частности, в них возникают серьёзные ошибки при измерении уровня звука.

Прямоугольные микрофонные матрицы (см. рис. 1) хороши для низкочастотных измерений в ближней зоне. Кольцевые структуры дают узкую диаграмму направленности (то есть позволяют точнее определить угловые координаты источника звука и лучше отстроиться от помех) и годятся для измерений в ближнем и дальнем поле. Звездообразное размещение микрофонов, также позволяющее получить узкую диаграмму направленности, используется в основном для измерения в дальнем поле. Спиральные микрофонные структуры с разными интервалами дают расширенный динамический диапазон и пригодны для голографических измерений.

Для аппроксимации трёхмерных систем можно использовать два слоя плоских микрофонных матриц. Такой подход, в частности, позволяет в ближнем и дальнем поле учитывать разницу интенсивностей источников сигналов.

3D-системы

Акустические визуализаторы с трёхмерным расположением датчиков способны точно измерять расстояние до исследуемой поверхности. В их программах заложены 3D-модели пространства и сложных звуковых источников. Посторонние сигналы можно выделить и исключить из дальнейшей обработки. 3D-системы особенно полезны для работы в закрытых пространствах, таких как аудитории и кабины автомобилей.

Направленные микрофоны в 3D-системах обычно располагаются на поверхности сферы так, чтобы ловить звуки, поступающие перпендикулярно к ней (см. рис. 2). Система получается всенаправленной.

Сферические структуры позволяют создавать нужные диаграммы направленности и представлять результаты измерений в собственных 3D-описаниях или форматах распространённых систем автоматизированного проектирования.

Для решения таких производственных задач, как обнаружение утечек газов и пара, электрических разрядов в изоляторах, в силовых трансформаторах, в переключателях и высоковольтных линиях электропередачи, созданы удобные ручные акустические визуализаторы.

Например, в приборе ii910 производства немецкой компании Fluke насчитывается 64 микрофона, работающих в диапазоне 2–100 кГц на дальности от 0,5 до 120 метров. Визуализатор имеет сектор обзора 63° (±5°) и делает снимки с разрешением 640×480 до 25 раз в секунду. Встроенная цифровая камера с пятимегапиксельной матрицей имеет тот же сектор обзора плюс трёхкратный цифровой зум. Прибор способен записывать видеоролики длительностью до пяти минут. Он также позволяет задавать диапазоны анализируемых звуковых частот и автоматически устраняет фоновый шум.

Звуковые сканеры

Созданы упрощённые устройства, имитирующие акустические визуализаторы с большим количеством микрофонов. На рис. 4 показан штативный звуковой сканер австрийской компании Seven Bel, в котором на планке размещены пять микрофонов. За счёт вращения планки и периодического опроса сканер имитирует до 480 неподвижных микрофонов, расположенных в круге диаметром 1,32 метра.

Сканер компании Seven Bel создан для применения линейными бригадами и обходчиками на промышленных объектах и способен с высокой точностью определять угловые координаты для источников низкочастотного звука. Как и у компании Fluke, прибор самодостаточен, то есть может работать без ноутбука.