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車輛研測資訊 2008-12 25
放大鏡放大鏡技技術術
任何產品的運轉，包括太空船發射、火車的運
轉、汽車的行駛、甚至磁碟機、助聽器等，或多或
少都會產生聲音。而這些聲音有些是使用者可以接
受的、也有些會帶給人們困擾，若要消除不喜歡的
聲音首先要了解其特性及位置，才能著手去應對。
ARTC的振噪實驗室，除了配備一套穩態聲場
音源轉換(STSF)設備，近兩年又再引進一套暫態聲
場音源轉換(NS-STSF)設備，它可以將看不見也摸
不到的聲音轉化成分佈圖像，協助工程師快速定位
音源位置，也能擷取瞬間的噪音做分析診斷，對國
內未來振動噪音的研究改善，注入了一個更新更強
的能量。
聲音？噪音？
聲音在傳播過程中，人耳對於單純環境下聲音
由何處傳來，通常能辨別大略的方向與位置；但若
同時有很多聲音存在，則將難以辨識每一個聲音的
發生位置；更遑論要從諸多噪音中辨識出某特定頻
率噪音源的位置。
隨著法規的訂定及使用者的要求，各國在振動
噪音方面的規範益發嚴格，因此，十年前首先發展
出聲場音源轉換技術後，近年更進一步發展出暫態
聲場音源轉換系統(NS-STSF)，此系統對許多複雜
噪音環境下要找出噪音源有很大的幫助。它可利用
陣列麥克風對系統進行噪音量測，針對噪音做音源
定位、量化和排序的分析，也可偵測聲音瞬間變化
的情況，迅速找出問題的關鍵點後，對噪音做最有
效的控制。例如，當量測引擎運轉狀態下的噪音問
題，NS-STSF可以量測出不同曲軸角時，聲音傳播
的細微過程。
至於音源轉換技術大致可分為四種，包括比較
聲壓法、聲強法及穩態及暫態聲場，本篇將分別介
紹如下：
一、聲壓法 (Sound Pressure)
本方法成本最低，且為目前大部份業界所採用
的方法，它是利用兩個或更多個麥克風進行簡單的
聲壓測量，並且記錄每個量測點的位置和聲壓值，
可繪製出聲場圖。利用這種技術繪製出的等高線圖
可以表現出穩定噪音源的特徵，但此量測必須在無
響室或半無響室內進行，否則無法分辨出噪音源為
被測物件的輻射或是反射雜訊。
車輛研究測試中心 楊健量
▲ 圖1. 機車引擎NS-STSF測試
「傾聽」的技巧 ~
26 車輛研測資訊 2008-12
http://www.artc.org.tw
二、聲強法 (Sound Intensity)
聲強量測是利用聲強探頭和資料擷取分析系
統，進而量測平均聲壓變化(聲壓梯度)從而計算粒
子振動速度。透過簡單的峰值掃描測量法進行，在
量測面上方移動聲強探頭並分析測得的聲強，即可
了解被測物體的輻射狀況。頻率範圍則取決於麥克
風的間距，一般為50 Hz到10 kHz。
三、穩態聲場音源轉換技術 (STSF)
聲場音源轉換技術【1】是利用陣列麥克風量
測聲音訊號之後，藉由複雜的數學演算得出空間中
聲場的分佈，可準確的將聲場特性轉成可視覺化的
分佈圖像，並依據聲場分佈來找出噪音源的位置，
讓工程人員快速掌握噪音源位置、噪音產生機制及
其傳遞特性等資訊。
量測時以多支麥克風依X-Y軸組成2D平面麥
克風陣列，技術原理則包含(1)二維空間傅立葉轉
換(Fourier Transform)、(2)赫姆赫茲積分方程式
(Helmholtz integral equation)、與(3)特徵矩陣分解等
三部分，其中空間傅立葉轉換可判斷聲波在空間中
傳播的方向；赫姆赫茲積分方程式可以把麥克風陣
列量測到的直接結果，再推算到平行於麥克風陣列
的其他平面的聲音分佈；特徵矩陣分解又稱為主要
元件分析，可用來過濾所有量測訊號中與某一特定
參考訊號有關的部分，例如只評估與參考訊號相關
的部分或將其排除。
聲場音源轉換技術除了以傅立葉轉換求得時間
訊號的頻率特徵外，針對平面陣列上相鄰麥克風之
間也存在著空間頻率的觀念。如圖2為單一軸向上
以等間距(S)排列麥克風量測一聲波的示意圖，若聲
速為C，可計算同一波前通過相鄰麥克風的時間為
______，換算空間頻率域為______；假設聲波與麥
克風排列的軸之間存在一夾角，如圖3，則聲波通
過相鄰麥克風的頻率會變成____________；因此在
X-Y二維平面上某一麥克風，其與相鄰X軸、Y軸麥
克風之間分別會得到空間頻率 f ' x 與 f 'y ；這二個空
間頻率可以很精確的推算出聲波在空間中上的行進
方向，此即二維空間傅立葉轉換的基礎。
換句話說，穩態聲場音源轉換技術運用了近音場
聲音全像技術(Near Field Acoustic Holography)及赫姆赫
茲積分方程式來進行數學運算，透過利用各個量測點
與參考麥克風之間的Cross-spectrum及採用近場全像演
算法轉換來產生聲場3D模型，可在距離原始測量平
面更近或更遠的平面內做詳細的研究探討。
STSF的量測環境須為自由音場(Free field)，且
目標音源必須是穩定且持續之聲音。量測系統可
分成陣列式量測或掃描式量測，陣列式量測為利用
▲ 圖2. 聲波與麥克風軸線平行示意圖
▲ 圖3. 聲波行進方向與麥克風軸線成一夾角
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M×N的麥克風進行一次式的量測；若受限於麥克風
不足，亦可採用掃描式量測，此方式為利用單排麥
克風進行多次的掃描量測，兩種方式之量測面皆須
大於待測物。進行量測時，須把背景雜訊的影響降
至最小，避免雜訊影響結果的正確性。分析頻率範
圍是由陣列上的麥克風間距決定。
四、暫態聲場音源轉換技術 (NS-STSF)
暫態聲場音源轉換技術其基本原理與穩態相類
似，但是多了一個時間參數，因此可觀察到瞬間的
聲場分佈。NS-STSF使用時域全像法(Time Domain
Holography)對隨時間變化的訊號(非穩態)進行計
算，可計算平行於測量面的平面上的所有聲場參
數。由於該技術適用於非穩態訊號，所有通道的資
料必須同時量測，因此不能使用掃描式量測法，但
是量測面仍須大於待測物。分析頻率範圍則是由陣
列上的麥克風間距決定。
NS-STSF與STSF最主要的差別為NS-STSF可記
錄聲音隨時間變化的情況，因此可將分析結果以動
畫展現，讓整個聲音的傳播過程更視覺化。
為使讀者能夠更清楚地了解以上所列四種方法
的各自特性，特整理如下表1。
五、應用案例
最後以兩個實際應用NS-STSF的案例，說明此
系統的實用性及準確性。
第一個案例為機車曲軸噪音測試，主要是為了
研究機車的曲軸噪音的輻射狀況。藉由NS-STSF量
測結果，可以看出曲軸在汽缸內旋轉至不同角度噪
音的瞬間表現。
此案例是以定速測試，使用10 × 10共100支麥
克風陣列，麥克風間距為0.1 m。圖4為暫態聲場音
源轉換量測結果，圖片的排序是量測時間內的聲場
分佈圖形，可以看出噪音經由曲軸的振動透過風扇
的放大，在不同角度下的瞬時變化過程。
第二個案例為抽油煙機噪音測試，量測條件為
一般使用狀況。使用9×9的麥克風陣列(麥克風間距
0.05 m)，架設於排油煙機正前方0.07 m，使量測面
涵蓋整體排油煙機，測件架設圖如圖5所示。
量測後，以Time Averaging的分析結果取頻寬
800~1250 Hz之overall聲強分佈圖，結果顯示最大聲
源主要在中間靠上方的位置(聲壓值為78.1 dB(A))，
且整個內部空間都有聲音迴響，嘗試在抽油煙機頂
▲ 圖4. 機車曲軸噪音測試
聲壓量測 聲強量測 STSF NS-STSF
分析頻寬無限制，根據麥克風的特性而定
50Hz到10kHz
根據陣列麥克風的尺寸和幾何形狀而改變(詳圖3及表2)
根據陣列麥克風的尺寸和幾何形狀而改變(詳圖3及表2)
量測方式 一次式 掃描式一次式或掃描式
一次式
量測速度一次性多通道快速測量
耗時快速(採用掃描式則較慢)
一次性多通道快速測量
被測物 穩態聲源 穩態聲源 穩態聲源 暫態或穩態
結果顯示 平均結果 平均結果 平均結果可動畫展現或平均結果
量測條件不需要參考麥克風
不需要參考麥克風
需參考麥克風不需要參考麥克風
▼ 表1. 四種方法之比較
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部鈑件內貼附吸音棉後，結果顯示最大聲壓值77.9
dB(A)並無明顯變化，但整體空間內部的聲場迴響
則有明顯的改善，如圖6。
總體而言，NS-STSF系統除了原先STSF系統的
優點外，還具有以下的優點：
1. 由NS-STSF所獲得4D的聲場分佈資訊，包含空
間及時間的分佈。
2. 在所記錄之時間訊號中，可以對所設定目標擷
取特定的訊號做分析。
3. 可以計算出空氣粒子的運動模式，進而推估聲
源平面波的運動模式。
4. 設定範圍內的聲音相關參數，例如聲壓、聲強
等，均可自量測平面推估至任何與量測面平行
之平面(3D聲場分佈)。
六、結 論
本篇針對NS-STSF與一些當前的聲場成像和
噪音源識別技術分別做了介紹及特性比較，同時
也呈現出NS-STSF的相對優勢和適用性。特別是
NS-STSF之量測結果以動畫呈現，可讓一般人士也
能快速了解情況及掌握問題點，證明了此系統不但
是一個噪音源識別的重要工具，更是一般業界與專
家進行研究很好的溝通橋樑。也相信ARTC振噪實
驗室所擅長『傾聽的技巧』，對於業者在從事產品
開發時一定能提供莫大的助益。
七、參考文獻
[1] B&K, 2006, "Non-stationary STSF", B&K
Training course.
▲ 圖5. 抽油煙機噪音測試
▲ 圖6. 改善前與改善後測試結果
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