The Challenge:
与韩国铁路研究所一起开发一套测试测量系统，实现KTX-Sancheon高速列车上的噪声源的可视化，从而进一步降低环境噪声。

The Solution:
使用NI LabVIEW软件和一套144通道的相控麦克风阵列来开发移动声源波束成形系统。

由Korail运营的高速列车KTX-Sancheon于2010年开始投入使用，它是完全由韩国自身的技术完成建设的。由于列车最高运行时速高达300km/h（186mph），对环境噪声的影响相当显著，这些噪声包含滚动噪声（例如推进系统或机械噪声），车轮与铁轨接触的机械噪声，以及列车运行时车体周围空气流动形成的气流噪声等。为了全面减小这些噪声，我们已经采取了相关的措施来定位所有明显的噪声源。

韩国铁路研究所与SM仪器有限公司(National InstrumentsI Alliance Partner Network成员，专门从事声音与振动相关测试应用)一起在LabVIEW环境中使用相控麦克风阵列开发了移动声源波束成形系统，并使用该系统来实现正常运行的整列火车上的噪声源的可视化。该测试主要是为了对两种不同型号的列车噪声进行对比：一种是KTX-1，由TGV Réseau型演化而来，2004年起投入使用；另一种是新型的KTX-Sancheon(KTX-II)，这是由韩国开发研制的商用高速列车。

图 1. 韩国高速列车

波束成形是使用声学阵列来映射噪声源的方法。它通过检测传到麦克风阵列的声音的时间延迟来辨别声音到底是从哪个方向发出的。如果噪声目标是移动的，那么测试的复杂度会更大，因为对象会移动经过麦克风阵列（例如在通过测试中），多普勒效应将会导致声音的频率失真，这是传统的实时波束成形方法的关键缺点。为了弥补这一点，我们不断调整软件的时间延迟以使其可以匹配移动声源。这种方法可以自动地消除多普勒效应。虽然它需要更多的处理时间，但我们可以将移动波束的功率取平均。我们使用可触发的传感器来明确每一个点上移动噪声源的确切位置。在我们的软件中，我们假设声源有着固定的速度。

图2. 基于LabVIEW开发的SeeSV230声音照相机程序框图

硬件配置和标准的波束成形应用中的基本一致。一个附加功能就是移动声源波束成形需要触发传感器，我们使用了两个光电传感器来进行位置触发并计算列车速度。

为了进行高速列车的测试，我们设计一套144通道的麦克风阵列来提高声音图像的分辨率。我们使用了NI PXI-4496动态信号采集模块来采集测量信号并使用一种特殊的光电传感器来辅助ICP/IEPE麦克风，触发列车位置。在Korail推出高速列车服务之后不久，我们在2006实施了KTX的早期测试，使用了一个48通道的麦克风阵列，成功地在297公里/小时的高速KTX列车上捕捉到了噪声源。

图3. 测试硬件

麦克风阵列的性能受两个参数的影响：(1) 波束功率的主瓣宽度，决定了图像的分辨率 ；(2) 最大旁瓣，决定了图像的重影程序。不同的阵列模式有着不同的性能指标。我们比较了四种不同的模式，螺旋模式表现出非常平衡的结果。

对于144通道麦克风阵列，我们将三种不同的模式融合在一起，以提高性能。每种不同的模式有着相同的形状，但直径尺寸不同。直径较小的模式主要测量高频率分量的低最大旁瓣等级，而直径较大的主要测量高分辨率的低频率分量。为了减小风造成的噪声，我们为麦克风添加了挡风玻璃。

图4. 螺旋形麦克风阵列设计

图5. 检测到的不同频率的噪声

在高频部分，车轮形成的噪声源相当明显。这里显示了每一个车轮都有不同的噪声幅度。因此，该技术极有可能用以监测车轮的工作状态，便于维护。

Figure 6. 车轮噪声源可视化

未来的列车需要进一步提速，这将产生更为严重的噪声，尤其是气流形成的噪声。要研制更安静的列车，首先需要深入地了解列车的噪声源。因为LabVIEW可以实现噪声源的位置和大小的可视化，所以我们可以借助它完成降噪测试。