混响环境中声源快速排序方法

《Sensors》：A Rapid Method to Rank Sound Sources in a Reverberant Environment

　　

发动机产生的声音是汽车总声压级（SPL）的主要贡献者之一。在其开发过程中，频繁监测发动机的SPL以确保合规性。若发现SPL超标，则需识别声源并进行修改。由于时间线至关重要，因此需要一种快速方法来缩短该过程。所提出的方法采用动态模式分解（DMD），一种用于声源排序的数据驱动方法。DMD检测两个连续时间间隔内变量的变化，并量化其变化率。基于所涉及物理原理，研究人员引入了对DMD衰减因子的新解释，以捕捉声音信号的性质。本研究将DMD与短临傅里叶变换（STFT）进行比较。基于STFT的系统采用大型麦克风阵列对声源排序。而在本研究中，使用单个麦克风和DMD对声源排序。DMD利用的数据远少于传统的STFT用于声源识别和排序所需的数据。尽管DMD比STFT需要更多内存和时间，但完成声源排序的总时间非常短。结果与计算值进行比较，显示两者之间存在可忽略的差异。

研究背景方面，在设备开发阶段快速排序声源能为设计人员提供宝贵洞察，早期识别故障可以低成本修正并缩短开发时间。传统声源定位与排序方法（如近场声全息（NAH）、波束成形、空间声场变换（STSF）、逆边界元法（IBEM）及基于互相关、MUSIC、最小方差（MV）等算法）普遍依赖9至144个以上的麦克风阵列覆盖设备表面，数据采集量大、处理时间长、设备昂贵，且大多面向自由场设计，在混响环境中需大幅修正。机器学习方法虽兴起，但仍需大量标注数据与计算资源。内燃机（ICE）开发测试常在普通发动机试验台进行，亟需一种传感器少、处理快、能在混响环境下工作的声源快速排序方法。为此，研究人员提出基于动态模式分解（DMD）的单麦克风声源排序方法，并在《Sensors》发表该研究成果。

关键技术方法上，研究人员以临界距离（critical distance，由房间混响时间T₆₀与体积推算）为布放依据，在消声特性不同的静音室与发动机试验台（T₆₀=2.69 s）采集信号；采用DMD对单通道时序声压信号做快照分解，通过奇异值分解（SVD）降秩提取模态与特征值，由连续特征值计算衰减因子（decay factor）表征声波幅值衰减或混响增长；以三缸四冲程机为对象，辅以加速度计与缸压传感器作物理校核，在2000 rpm与4250 rpm工况、距声源10 cm（临界距离内）及90 cm处录音，对比STFT验证低信噪比（SNR）一致性。

研究结果部分，首先介绍材料与方法框架：研究人员先测定环境T₆₀与临界距离（静音室43.7 cm，试验台依T₆₀=2.69 s推算），指出临界距离内直达声占优、SNR高。DMD公式体系里，X_k与X_k+1为连续快照，构线性算子A≈X_k+1X_k⁺，经SVD取秩r得A_r=U_r^HX_k+1V_rΣ_r^-1，其特征值λ=e^(g+i2πf)Δt给出衰减率g与频率f。与STFT比，DMD额外输出衰减因子，且在SNR宽范围（平均26.71 dB）下交叉相关稳定，虽内存与执行时间更高，但采样数少时精度优于STFT，故选定快照24000点。

在静音室纯音验证中，实验一测临界距离；实验二双扬声器模拟反射（第二扬声器为第一的40%幅值），三麦克风分别收直达、混合、远场信号，DMD分解得衰减因子为负表示衰减、近1为振荡、正为增长，证明麦1衰减最负、麦3受混响致衰减因子抬升；实验三双频纯音多源系统，单麦克风在临界距离内录3 s，DMD分离两模态并按幅值排序，与设定一致。

发动机试验台应用中，研究人员在风扇侧布P1–P5共5位，P1兼测10 cm与90 cm。DMD分解2000 rpm与4250 rpm声信号，模态频率与经验公式（发火频率f_fire=n·rpm/(2·冲程)）及凸轮轴、油泵、水泵倍频吻合。结构噪声分离段，三轴加速度计振动信号经DMD所得频率与声信号重合，表明DMD可从声信号辨识结构辐射分量，免额外加速度计；空气噪声分离段，缸压传感器首缸信号与声信号在燃烧阶次频率强相关，DMD能单独从麦克风信号提取燃烧相关模态，省去缸压传感需求。声源排序段，按ISO 5130取SPL 70 dB门槛筛模态幅值，单位圆图删去振荡/增长模态只留衰减模态（证明确属发动机起源），极坐标条形图展P1–P5衰减模态幅频，表列50 Hz等主导频率幅值最高，各位置排序与经验频率对应无误。

讨论部分指出，单位置录音即可识全多源系统主导频率，大幅压缩早期开发识别时间；因混响仍补测多位置覆盖整机表面；方法适用于已知频率参数的原型机，新系统可借辅助传感解近频；限于发动机类多源设备排序，不扩展至其他场景。结论翻译如下：本研究提出混响环境下多声源设备用单麦克风快速排序法，对比STFT与DMD表明，除频幅外DMD衰减因子可判信号起源，纯音与地面试验均匹配实际参数，DMD法较STFT省时显著，降低噪振工程师采集成本，免消声室；具体结论为——测试环境评估对布点必要；DMD在SNR均值26.71 dB区间稳定；衰减因子对混响环境溯源极有用；DMD法耗时少适于动态声源研究；常规台架证明减时降本。该方法可推广至其他声源排序研究。