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中科聲玄（蘇州）科技有限公司
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更新時間：2023-08-21 16:29:33瀏覽次數(shù)：199次
聯(lián)系我時，請告知來自 環(huán)保在線追求品質：一文帶您了解噪聲與異響檢測設備的關鍵因素
摘要：本文提出一種在，該設備是依托麥克風采集產品聲音信號的非接觸式方法，并將采集的聲信號進行分析計算，可以在一定程度上替代傳統(tǒng)依靠人耳識別異音異響的方法。相比人耳的主觀性判斷，機器判定異響和噪聲更加客觀和參量化。本設備包含三大部分：箱、信號采集系統(tǒng)、聲學分析軟件。
隨著消費品質的提升，產品或者零部件的噪聲與異音異響，已經(jīng)成為消費者普遍關注和投訴的重點，非正常的異音異響也涉及到產品安全和使用壽命問題，因此在工業(yè)制造領域，產品或者零部件的噪聲與異響的檢測越來越成為一個重要檢測指標，涵蓋汽車、醫(yī)療、家電、3C、其他工業(yè)制造領域。對于在實際使用過程中會發(fā)出噪聲的整機產品或零部件，在產品制造流水線下線之前需要對聲音和異響檢測，將噪聲不超標、無異音異響的產品識別出來才能往市場上銷售。傳統(tǒng)的檢測方法，是通過人耳來辨別產品異音異響，廠商會招募一批耳朵靈敏的年輕操作工人，進行必要的訓練后，安排在產線上進行辨別產品噪聲合格品與不良品。這種方法的問題是判斷依據(jù)全屏個人主觀感覺，沒法量化指標參數(shù)，導致誤判幾率偏高，假如一部分不良品因為誤判而流入到市場上，將給企業(yè)帶來負面影響。
制造廠商目前還采用人耳判斷的模式，主要原因是市場上暫時沒有一種標準化的測量異音異響的儀器設備。這里要區(qū)分一下，噪聲和異響是兩個不同的概念，噪聲是產品運行時固有的物理屬性，我們允許產品有噪聲存在，只要不超過一定的數(shù)值就行；而異音異響意味著不正常的噪聲屬性，比如摩擦異響、傳動軸不平衡導致的嗡嗡偏振、異物掉入導致的沙沙異響等，也就意味著屬于不良現(xiàn)象。噪聲的測量比較容易，市場上有很多成熟的精密度高的測量儀器可以滿足測量和做常規(guī)的分析，但是異響檢測手段靠常規(guī)的儀器很難檢測，除了人耳主觀判斷之外，還得依靠聲學算法來識別，截至目前暫時還沒有一種通用的算法能識別所有產品的異音異響，即便同一廠商、同一類型不同型號的產品，可能也需要不同的算法來識別，需要聲學研發(fā)人員尋找異響的評價特征并設定相關閾值來判定，或者采用人工智能來訓練異響識別模型。
下面介紹一種可以替代人耳在產線上檢測產品噪聲和異響的設備和方法：
這種設備是一個系統(tǒng)，架構為：測試箱+聲學測量硬件+聲學信號分析處理軟件。
但凡是測量儀器，都要求具備必要的測試精度，否則測出來的結果是有偏差的。該類型的噪聲與異響檢測系統(tǒng)也一樣，需要對整個系統(tǒng)的精度做必要的測試或者校準才能投入使用，包括三大部分，其一是測試環(huán)境：測試箱的底噪和聲場精度作必要測試；其二是測量硬件：麥克風的精度校準、動態(tài)信號數(shù)據(jù)采集卡精度測試；其三是軟件：聲學分析軟件精度測試分析等等。
以下分別展開介紹：
測試箱又叫聲學測試箱、無響箱、隔音箱、噪聲測試箱等，國內暫時沒有一種標準的統(tǒng)一名稱，根據(jù)大家習慣不同叫法有所不同。其主要特點為：具有一定的隔聲量（STC），能抑制或消除外界噪聲，為產品測量提供一個相對比較安靜的測試環(huán)境。由隔聲材料、吸聲材料、甚至減振部件構成一個封閉空間，在封閉空間內具有足夠低的本底噪聲，和 具有一定的聲場精度。體積相對小，能靈活布置于產線或者研發(fā)實驗室等。
標準的噪聲測量環(huán)境，應該在半消聲室或全消聲室內測量而不是在箱里（或者隔音房測量），消聲室是有專門的國標和國際標準的，國標為GBT 6882-2016，國際標準為ISO3745-2012，二者是同一標準。
是一種嚴格的自由場或半自由場聲環(huán)境，因為消聲室內安裝布置有吸聲尖劈，聲源在該環(huán)境下所測得的數(shù)值是非?？陀^準確的。吸聲尖劈的作用是吸收反射聲，主要是吸收室內表面墻體、頂面或地面的反射聲，根據(jù)吸收聲音效率的不同，尖劈的長度與聲波頻率關系可以由一個公式求得：L=C/4f（L是尖劈的長度，C是標準大氣壓下空氣中聲速，f是聲波頻率）。根據(jù)公式，一個長度為0.85M的尖劈，可以將100Hz以上的聲波吸收掉99.9%，這個頻率節(jié)點稱之為截止頻率（假如消聲室需要達到50Hz的截止頻率，則尖劈的長度理論上需要1.7M，實際工程應用上，如果選用超細離心玻璃棉，不需要1.7M長度，大約1.5M長度的吸聲尖劈也能達到50Hz截至頻率）；在截至頻率以下的聲波，因為尖劈的吸聲效率達不到99.9%，因此聲波傳遞到尖劈上時，聲阻抗不匹配導致會有不同程度的聲反射（頻率越低反射越嚴重），當反射回來的聲波與測試產品聲源的直達聲相互疊加時，此時儀器所測得的聲源數(shù)值就不準確了，所以通常在測量聲源的聲壓級時，消聲室的截至頻率應該能覆蓋聲源的主要頻率下限。
另一個指標是自由聲場半徑，自由聲場是指消聲室內部的聲場滿足自由場條件時，聲壓和距離的平方成反比例關系。自由場條件指的是當聲波在自由空間中傳播時，不存在任何反射、衍射和吸收等影響聲波傳播的因素。消聲室的自由場半徑是衡量消聲室內部聲學性能的重要指標。當聲場在自由場半徑范圍內時，聲波會減弱到相對較小的幅度，而在自由場半徑之外的位置，聲波的幅度會進一步衰減，但是衰減的幅度不嚴格滿足距離平方反比關系。產品測試時，為了獲得嚴格準確的測量數(shù)值，只能在自由場范圍內測量。在自由場范圍之外測量，因為聲場會出現(xiàn)波動和不均勻性，測得數(shù)值將會有不同程度的誤差。以下兩張圖可以看到自由場和非自由差的差別：
消聲室還有一個重要指標：本底噪聲，本底噪聲是指消聲室內的空間本身噪聲聲壓級數(shù)值，這個數(shù)值越低，所能測量的噪聲范圍越大，通常，本底噪聲要低于產品噪聲（聲源噪聲）15分貝，測得的數(shù)值是不需要任何修正的。再舉個例子：假如產品噪聲是30分貝，如果放在本底噪聲為25分貝的消聲室內測量，其測得的數(shù)值是不精確的，只有放置在本底噪聲不超過15分貝的消聲室內測量才精確。本底噪聲取決于消聲室的圍護結構隔聲性能。
以上，花了大量篇幅介紹了消聲室，目的是分析噪聲測量的標準環(huán)境是怎樣的一種環(huán)境。在其他環(huán)境里測量噪聲都是不滿足規(guī)范要求的，包括測試箱，隔音房、房，這類環(huán)境至少不具備噪聲測量的兩大指標：截止頻率和足夠的自由場半徑。
然而，對于工業(yè)制造領域，在產線上建造一個消聲室來做檢測，尤其是產品下線檢測，是非常不切實際的，因為消聲室占用空間比較大，建造費用高昂，使用效率比較低。所以市場上衍生出了一些替代消聲室的物理空間，常見的有箱、隔音房（房）等，用于測量產品噪聲。
這里稍微對產線上使用的房（或者叫隔音房）做簡單的介紹：之所以稱之為“房"或者“室"，是以體積特征來表述的，相比箱體，體積要大。操作人員進入房間內測量產品噪聲或辨別異響。如果要在此類房間里測量噪聲數(shù)值，也是存在極大誤差概率的，其一是沒有嚴格的自由場，其二是人員呆在室內，會產生各種額外噪聲干擾正常測試。
以下重點闡述箱在產線上怎么應用。
（噪聲測試箱、無響箱）盡管不是一種精密的噪聲測試環(huán)境，但它因為體積小、造價相對消聲室便宜很多，而且可以整合自動化工裝機構，靈活布置于工業(yè)產線和實驗室，已經(jīng)被廣泛應用于汽車、電子產品、科研和家用電器等工業(yè)制造領域。雖然箱體內的聲場精度誤差相比消聲室是客觀存在的，但截至目前，工業(yè)制造行業(yè)似乎還沒有找到其它更好的解決方案，國際上一些的大廠已經(jīng)開始在想辦法攻克這個聲場精度問題了。
上文提到消聲室內安裝吸聲尖劈來實現(xiàn)室內聲場的均勻性，受尺寸限制，在箱體內安裝大尺寸的吸聲尖劈是不切實際的，只能安裝一些薄的吸聲材料，盡可能改善聲場，提升中高頻段的聲場精度。
另外，小型空間內的聲場精度還跟空間模態(tài)分布有關系，我們知道任何封閉的幾何空間都有一定數(shù)量的簡正振動模式。對于一個小尺寸空間，從20Hz到20KHz的1/3倍頻帶，簡正振動模式從幾個到數(shù)千個不等，當內部的吸聲材料吸聲能力不足時，反射聲與直達聲疊加使空間內產生各種方向各個頻率的駐波，若不同方向的駐波發(fā)生在同一頻率時，會發(fā)生駐波簡并化，導致該頻率的駐波加強，進而極大影響測量精度。怎么解決駐波簡并化帶來的測量精度問題呢？有兩種途徑，一是通過調節(jié)箱體的幾何尺寸，長寬高比例合適的時候，在低頻段的同一頻率駐波數(shù)趨近于最小數(shù)量且簡正模式分布均勻，中高頻段的駐波（簡正振動模式）數(shù)量一般數(shù)量較多，表現(xiàn)為聲場擴散程度良好。因此，一定程度減少駐波簡并化可以有效減少測量誤差。
另外需要盡可能設置高吸聲系數(shù)的材料，均勻布置于箱體內壁，這里需要分享一個經(jīng)驗，市場上常見在箱體內安裝海綿材質的吸聲尖劈，根據(jù)筆者在實驗室實際測試的數(shù)據(jù)，一個厚度為250MM的海綿吸聲尖劈，其吸聲系數(shù)比厚度為120MM厚的超細離心玻璃棉板的要差，因此，從節(jié)約空間和聲學效果的角度來看不建議在箱體內安裝海綿材質的吸聲尖劈。
當然，以上提到的兩點是沒辦法將小型測試箱體內的聲場做到像消聲室一樣標準的，就看各箱的制造廠商的科研攻關能力了，測試箱體內的聲場精度越高，測量誤差將越小，對于工業(yè)產線檢測而言，測量誤差決定了質檢的良品率，也就決定了生產制造成本和產品在市場上的競爭力。
箱體還有個指標是STC（Sound Transmission Class），指的是箱體的降噪能力，大部分工業(yè)制造車間的噪聲數(shù)值在70~85dB(A)，而且有不同程度的振動能量，能在這個環(huán)境下將箱體的本底噪聲控制在25分貝以下的，算是比較不錯的了，能控制在15分貝以下的更不容易了（噪聲數(shù)值降低6分貝，意味著噪聲能量減半）。本底噪聲與測試產品噪聲數(shù)值差值15分貝時，必須要修正，差值10分貝時，需要修正，不過修正值比較小，如果測量精度誤差要求不高，也可在10分貝差值的箱體內測試。當然，測試箱體的STC越大，意味著制造成本越大，聲學工程師其中一個使命就是設計成本低廉、隔聲性能*、質量輕的材料來做箱體的隔聲材料。
另外，箱體（無響箱）為了更多的滿足產線測試需求，將工裝治具，自動化半自動化機構結合在一起，滿足流水線半自動或全自動測試。需要指出的是，箱體內部安裝了各種工裝治具或機構，將會對聲場有不同程度的影響，也就是意味著對測試結果的精確性有不同程度的測量誤差。
結論：測試箱已經(jīng)成為主流的替代消聲室來檢測產品噪聲與異響的測試環(huán)境，雖然不能與消聲室媲美，但可以通過技術手段使得在形體內的測試結果能與消聲室測試數(shù)值相接近。這里要特別說明的是：市場上生產箱體廠商的技術研發(fā)能力各不相同，這也導致各廠商的精度也是有差異的。
2、測量儀器硬件：
測量儀器硬件也是一個系統(tǒng)，包含傳感器，麥克風或加速度傳感器；數(shù)據(jù)采集卡；信號數(shù)據(jù)傳輸線等
聲學測量麥克風是用于聲學測量和聲學分析的一種專業(yè)麥克風。它們具有高精度、高靈敏度和寬頻響應等特點，可以測量聲波的各種參數(shù)，如聲壓級、聲場均勻度、頻率響應、諧波失真等。聲學測量麥克風通常使用電容式、壓電式或光學式傳感器，并使用精密的電路和信號處理技術，以確保測量結果的準確性和可靠性。此外，聲學測量麥克風還具有良好的線性度、低噪聲和防抖動等特點，以確保在各種復雜的測量環(huán)境下均能提供穩(wěn)定的測量結果。
加速度傳感器是一種用于測量物體振動加速度的傳感器。它通常采用壓電陶瓷、壓電電解質、壓阻式或電容式等技術制成，通過測量物體表面振動時產生的微小電信號來得到加速度值。振動加速度傳感器的性能指標包括測量范圍、靈敏度、頻率響應、線性度、溫度穩(wěn)定性、噪聲水平等。其中，靈敏度是指傳感器輸出信號與物體加速度之間的比例關系，通常用mV/g表示，是一個重要的性能指標。頻率響應是指傳感器的輸出信號在不同頻率下的變化情況，也是一個關鍵的性能指標。傳感器的靈敏度和頻率響應一般會受到一定的溫度和濕度的影響，因此傳感器的溫度穩(wěn)定性和濕度穩(wěn)定性也是重要的性能指標之一。
動態(tài)信號采集卡（Dynamic Signal Acquisition Card）是一種專門用于測量、記錄、處理和分析動態(tài)信號的硬件設備。它通常由數(shù)據(jù)采集模塊、信號處理器和數(shù)字轉換器等組成。動態(tài)信號采集卡的主要應用領域包括振動測試、噪聲分析、聲學測量、結構動力學分析、控制系統(tǒng)測試、聲音與振動的信號處理等。其應用范圍廣泛，從工業(yè)生產到科學研究都有涉及。例如，在振動測試中，動態(tài)信號采集卡可以實時采集振動信號并通過軟件對振動信號進行分析和處理，以了解機械設備的運行狀況、檢測故障等。動態(tài)信號采集卡的性能指標包括采樣率、分辨率、信噪比、動態(tài)范圍、帶寬等。其中，采樣率和分辨率是關鍵指標之一。采樣率指每秒鐘采樣的數(shù)據(jù)點數(shù)，通常用赫茲（Hz）表示，較高的采樣率可以更精細地記錄信號變化；分辨率指每個采樣點的位數(shù)，通常用位（bit）表示，分辨率越高，信號的細節(jié)就可以被更精確地記錄。信噪比是指采集到的信號中有用信號和噪聲的比例，通常用分貝（dB）表示，信噪比越高，信號的質量就越好。動態(tài)范圍是指采集卡可以測量的信號幅度范圍，通常用分貝（dB）表示，較高的動態(tài)范圍可以測量較小和較大的信號。帶寬是指采集卡可以測量信號的頻率范圍，通常用赫茲（Hz）表示，較高的帶寬可以測量更高頻率的信號。
噪聲與異響分析軟件是一種用于處理聲音和振動數(shù)據(jù)的計算機程序，應用于工業(yè)產線對產品的聲頻型號進行分析，并判斷噪聲大小，以及識別異音異響。
噪聲與異響分析軟件的主要功能包括：數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)采集模塊，將聲音和振動信號從傳感器中讀取，并將其轉換為數(shù)字信號。信號處理：對采集的信號進行濾波、去噪、時域分析、頻域分析、諧波分析、共振分析等處理，以確定設備存在的噪音和異響問題。結果顯示：將分析結果以圖形、表格等形式呈現(xiàn)，使工程師和技術人員能夠更好地理解和診斷問題。故障診斷：軟件可以根據(jù)分析結果自動識別并定位問題，并提供解決方案和建議。噪聲與異響分析軟件的性能指標包括計算速度、分析精度、數(shù)據(jù)處理能力等。一些商業(yè)軟件還提供了高級功能，如聲源定位、聲音合成、設計優(yōu)化等。
這里介紹一下異音異響識別算法，產品的異音基本上只能靠異響識別算法來識別，通?；谛盘柼幚?、模式識別、機器學習等技術，其基本流程包括：
信號采集：通過麥克風等傳感器獲取設備運行時的聲音信號。
特征提?。簩Σ杉穆曇粜盘栠M行時域分析、頻域分析等處理，提取聲音的特征參數(shù)，如頻率、能量、譜形等。
模式匹配：將采集到的聲音特征參數(shù)與已知的正?；虍惓Ｂ曇暨M行比對，利用相關的算法進行模式匹配和相似度計算。
異常檢測：通過比對分析，判斷設備運行時是否存在異常聲音，并對異常聲音進行定位和識別。
結果顯示：將分析結果以圖表等形式呈現(xiàn)，提供給操作員進行進一步分析和處理。
常用的異響識別算法包括基于統(tǒng)計學方法的平均偏差法、平均能量比法，基于機器學習的支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡等。
異響識別算法在機械設備運行監(jiān)測、故障診斷、維護管理等方面具有重要的應用價值。目前在汽車、航空、軌道交通、工業(yè)制造等領域，異響識別算法已經(jīng)成為一種常用的技術手段。
綜上所述，采用測試箱+聲學測量硬件+聲學信號分析處理軟件的新模式，能夠靈活布置在工業(yè)制造生產線上，替代傳統(tǒng)依靠人耳來判斷異響的方式。數(shù)據(jù)客觀、異響判定規(guī)則可參數(shù)化定義，檢測結果可追溯化，同時也降低了勞動成本投入，利用自動化手段與流水線結合，極大提升檢測節(jié)拍。該檢測模式已經(jīng)逐步在一些大廠開始應用，在未來將成為一種主流的檢測方法，逐步應用于各行各業(yè)。
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