The Challenge:
與韓國鐵路研究所一起開發一套測試測量系統，實現KTX-Sancheon高速列車上的噪聲源的可視化，從而進一步降低環境噪聲。

The Solution:
使用NI LabVIEW軟件和一套144通道的相控麥克風陣列來開發移動聲源波束成形系統。

由Korail運營的高速列車KTX-Sancheon于2010年開始投入使用，它是完全由韓國自身的技術完成建設的。由于列車最高運行時速高達300km/h（186mph），對環境噪聲的影響相當顯著，這些噪聲包含滾動噪聲（例如推進系統或機械噪聲），車輪與鐵軌接觸的機械噪聲，以及列車運行時車體周圍空氣流動形成的氣流噪聲等。為了全面減小這些噪聲，我們已經采取了相關的措施來定位所有明顯的噪聲源。

韓國鐵路研究所與SM儀器有限公司(National InstrumentsI Alliance Partner Network成員，專門從事聲音與振動相關測試應用)一起在LabVIEW環境中使用相控麥克風陣列開發了移動聲源波束成形系統，并使用該系統來實現正常運行的整列火車上的噪聲源的可視化。該測試主要是為了對兩種不同型號的列車噪聲進行對比：一種是KTX-1，由TGV Réseau型演化而來，2004年起投入使用；另一種是新型的KTX-Sancheon(KTX-II)，這是由韓國開發研制的商用高速列車。

圖 1. 韓國高速列車

波束成形是使用聲學陣列來映射噪聲源的方法。它通過檢測傳到麥克風陣列的聲音的時間延遲來辨別聲音到底是從哪個方向發出的。如果噪聲目標是移動的，那么測試的復雜度會更大，因為對象會移動經過麥克風陣列（例如在通過測試中），多普勒效應將會導致聲音的頻率失真，這是傳統的實時波束成形方法的關鍵缺點。為了彌補這一點，我們不斷調整軟件的時間延遲以使其可以匹配移動聲源。這種方法可以自動地消除多普勒效應。雖然它需要更多的處理時間，但我們可以將移動波束的功率取平均。我們使用可觸發的傳感器來明確每一個點上移動噪聲源的確切位置。在我們的軟件中，我們假設聲源有著固定的速度。

圖2. 基于LabVIEW開發的SeeSV230聲音照相機程序框圖

硬件配置和標準的波束成形應用中的基本一致。一個附加功能就是移動聲源波束成形需要觸發傳感器，我們使用了兩個光電傳感器來進行位置觸發并計算列車速度。

為了進行高速列車的測試，我們設計一套144通道的麥克風陣列來提高聲音圖像的分辨率。我們使用了NI PXI-4496動態信號采集模塊來采集測量信號并使用一種特殊的光電傳感器來輔助ICP/IEPE麥克風，觸發列車位置。在Korail推出高速列車服務之后不久，我們在2006實施了KTX的早期測試，使用了一個48通道的麥克風陣列，成功地在297公里/小時的高速KTX列車上捕捉到了噪聲源。

圖3. 測試硬件

麥克風陣列的性能受兩個參數的影響：(1) 波束功率的主瓣寬度，決定了圖像的分辨率 ；(2) 最大旁瓣，決定了圖像的重影程序。不同的陣列模式有著不同的性能指標。我們比較了四種不同的模式，螺旋模式表現出非常平衡的結果。

對于144通道麥克風陣列，我們將三種不同的模式融合在一起，以提高性能。每種不同的模式有著相同的形狀，但直徑尺寸不同。直徑較小的模式主要測量高頻率分量的低最大旁瓣等級，而直徑較大的主要測量高分辨率的低頻率分量。為了減小風造成的噪聲，我們為麥克風添加了擋風玻璃。

圖4. 螺旋形麥克風陣列設計

圖5. 檢測到的不同頻率的噪聲

在高頻部分，車輪形成的噪聲源相當明顯。這里顯示了每一個車輪都有不同的噪聲幅度。因此，該技術極有可能用以監測車輪的工作狀態，便于維護。

Figure 6. 車輪噪聲源可視化

未來的列車需要進一步提速，這將產生更為嚴重的噪聲，尤其是氣流形成的噪聲。要研制更安靜的列車，首先需要深入地了解列車的噪聲源。因為LabVIEW可以實現噪聲源的位置和大小的可視化，所以我們可以借助它完成降噪測試。