摘要：本文提出一种在工业生产线上检测产品噪声与异响的新设备，该设备是依托麦克风采集产品声音信号的非接触式方法，并将采集的声信号进行分析计算，可以在一定程度上替代传统依靠人耳识别异音异响的方法。相比人耳的主观性判断，机器判定异响和噪声更加客观和参量化。本设备包含三大部分：静音箱、信号采集系统、声学分析软件。
随着消费品质的提升，产品或者零部件的噪声与异音异响，已经成为消费者普遍关注和投诉的重点，非正常的异音异响也涉及到产品安全和使用寿命问题，因此在工业制造领域，产品或者零部件的噪声与异响的检测越来越成为一个重要检测指标，涵盖汽车、医疗、家电、3C、其他工业制造领域。对于在实际使用过程中会发出噪声的整机产品或零部件，在产品制造流水线下线之前需要对声音和异响检测，将噪声不超标、无异音异响的产品识别出来才能往市场上销售。传统的检测方法，是通过人耳来辨别产品异音异响，厂商会招募一批耳朵灵敏的年轻操作工人，进行必要的训练后，安排在产线上进行辨别产品噪声合格品与不良品。这种方法最大的问题是判断依据全屏个人主观感觉，没法量化指标参数，导致误判几率偏高，假如一部分不良品因为误判而流入到市场上，将给企业带来负面影响。
制造厂商目前还采用人耳判断的模式，主要原因是市场上暂时没有一种标准化的测量异音异响的仪器设备。这里要区分一下，噪声和异响是两个不同的概念，噪声是产品运行时固有的物理属性，我们允许产品有噪声存在，只要不超过一定的数值就行；而异音异响意味着不正常的噪声属性，比如摩擦异响、传动轴不平衡导致的嗡嗡偏振、异物掉入导致的沙沙异响等，也就意味着属于不良现象。噪声的测量比较容易，市场上有很多成熟的精密度高的测量仪器可以满足测量和做常规的分析，但是异响检测手段靠常规的仪器很难检测，除了人耳主观判断之外，还得依靠声学算法来识别，截至目前暂时还没有一种通用的算法能识别所有产品的异音异响，即便同一厂商、同一类型不同型号的产品，可能也需要不同的算法来识别，需要声学研发人员寻找异响的评价特征并设定相关阈值来判定，或者采用人工智能来训练异响识别模型。
下面介绍一种可以替代人耳在产线上检测产品噪声和异响的设备和方法：
这种设备是一个系统，架构为：静音测试箱+声学测量硬件+声学信号分析处理软件。
但凡是测量仪器，都要求具备必要的测试精度，否则测出来的结果是有偏差的。该类型的噪声与异响检测系统也一样，需要对整个系统的精度做必要的测试或者校准才能投入使用，包括三大部分，其一是测试环境：静音测试箱的底噪和声场精度作必要测试；其二是测量硬件：麦克风的精度校准、动态信号数据采集卡精度测试；其三是软件：声学分析软件精度测试分析等等。
以下分别展开介绍：
静音测试箱又叫声学测试箱、无响箱、隔音箱、噪声测试箱等，国内暂时没有一种标准的统一名称，根据大家习惯不同叫法有所不同。其主要特点为：具有一定的隔声量（STC），能抑制或消除外界噪声，为产品测量提供一个相对比较安静的测试环境。由隔声材料、吸声材料、甚至减振部件构成一个封闭空间，在封闭空间内具有足够低的本底噪声，和 具有一定的声场精度。体积相对小，能灵活布置于产线或者研发实验室等。
标准的噪声测量环境，应该在半消声室或全消声室内测量而不是在静音箱里（或者隔音房测量），消声室是有专门的国标和国际标准的，国标为GBT 6882-2016，国际标准为ISO3745-2012，二者是同一标准。
消声室是一种严格的自由场或半自由场声环境，因为消声室内安装布置有吸声尖劈，声源在该环境下所测得的数值是非常客观准确的。吸声尖劈的作用是吸收反射声，主要是吸收室内表面墙体、顶面或地面的反射声，根据吸收声音效率的不同，尖劈的长度与声波频率关系可以由一个公式求得：L=C/4f（L是尖劈的长度，C是标准大气压下空气中声速，f是声波频率）。根据公式，一个长度为0.85M的尖劈，可以将100Hz以上的声波吸收掉99.9%，这个频率节点称之为截止频率（假如消声室需要达到50Hz的截止频率，则尖劈的长度理论上需要1.7M，实际工程应用上，如果选用超细离心玻璃棉，不需要1.7M长度，大约1.5M长度的吸声尖劈也能达到50Hz截至频率）；在截至频率以下的声波，因为尖劈的吸声效率达不到99.9%，因此声波传递到尖劈上时，声阻抗不匹配导致会有不同程度的声反射（频率越低反射越严重），当反射回来的声波与测试产品声源的直达声相互叠加时，此时仪器所测得的声源数值就不准确了，所以通常在测量声源的声压级时，消声室的截至频率应该能覆盖声源的主要频率下限。
消声室另一个指标是自由声场半径，自由声场是指消声室内部的声场满足自由场条件时，声压和距离的平方成反比例关系。自由场条件指的是当声波在自由空间中传播时，不存在任何反射、衍射和吸收等影响声波传播的因素。消声室的自由场半径是衡量消声室内部声学性能的重要指标。当声场在自由场半径范围内时，声波会减弱到相对较小的幅度，而在自由场半径之外的位置，声波的幅度会进一步衰减，但是衰减的幅度不严格满足距离平方反比关系。产品测试时，为了获得严格准确的测量数值，只能在自由场范围内测量。在自由场范围之外测量，因为声场会出现波动和不均匀性，测得数值将会有不同程度的误差。以下两张图可以看到自由场和非自由差的差别：
消声室还有一个重要指标：本底噪声，本底噪声是指消声室内的空间本身噪声声压级数值，这个数值越低，所能测量的噪声范围越大，通常，本底噪声要低于产品噪声（声源噪声）15分贝，测得的数值是不需要任何修正的。再举个例子：假如产品噪声是30分贝，如果放在本底噪声为25分贝的消声室内测量，其测得的数值是不精确的，只有放置在本底噪声不超过15分贝的消声室内测量才精确。本底噪声取决于消声室的围护结构隔声性能。
以上，花了大量篇幅介绍了消声室，目的是分析噪声测量的标准环境是怎样的一种环境。在其他环境里测量噪声都是不满足规范要求的，包括静音测试箱，隔音房、静音房，这类环境至少不具备噪声测量的两大指标：截止频率和足够的自由场半径。
然而，对于工业制造领域，在产线上建造一个消声室来做检测，尤其是产品下线检测，是非常不切实际的，因为消声室占用空间比较大，建造费用高昂，使用效率比较低。所以市场上衍生出了一些替代消声室的物理空间，常见的有静音箱、隔音房（静音房）等，用于测量产品噪声。
这里稍微对产线上使用的静音房（或者叫隔音房）做简单的介绍：之所以称之为“房”或者“室”，是以体积特征来表述的，相比箱体，体积要大。操作人员进入房间内测量产品噪声或辨别异响。如果要在此类房间里测量噪声数值，也是存在极大误差概率的，其一是没有严格的自由场，其二是人员呆在室内，会产生各种额外噪声干扰正常测试。
以下重点阐述静音箱在产线上怎么应用。
静音测试箱（噪声测试箱、无响箱）尽管不是一种精密的噪声测试环境，但它因为体积小、造价相对消声室便宜很多，而且可以整合自动化工装机构，灵活布置于工业产线和实验室，已经被广泛应用于汽车、电子产品、医疗器械和家用电器等工业制造领域。虽然箱体内的声场精度误差相比消声室是客观存在的，但截至目前，工业制造行业似乎还没有找到其它更好的解决方案，国际上一些知名的大厂已经开始在想办法攻克这个声场精度问题了。
上文提到消声室内安装吸声尖劈来实现室内声场的均匀性，受尺寸限制，在静音箱体内安装大尺寸的吸声尖劈是不切实际的，只能安装一些薄的吸声材料，尽可能改善声场，提升中高频段的声场精度。
另外，小型空间内的声场精度还跟空间模态分布有关系，我们知道任何封闭的几何空间都有一定数量的简正振动模式。对于一个小尺寸空间，从20Hz到20KHz的1/3倍频带，简正振动模式从几个到数千个不等，当内部的吸声材料吸声能力不足时，反射声与直达声叠加使空间内产生各种方向各个频率的驻波，若不同方向的驻波发生在同一频率时，会发生驻波简并化，导致该频率的驻波加强，进而极大影响测量精度。怎么解决驻波简并化带来的测量精度问题呢？有两种途径，一是通过调节静音箱体的几何尺寸，长宽高比例合适的时候，在低频段的同一频率驻波数趋近于最小数量且简正模式分布均匀，中高频段的驻波（简正振动模式）数量一般数量较多，表现为声场扩散程度良好。因此，一定程度减少驻波简并化可以有效减少测量误差。
另外需要尽可能设置高吸声系数的材料，均匀布置于箱体内壁，这里需要分享一个经验，市场上常见在箱体内安装海绵材质的吸声尖劈，根据笔者在实验室实际测试的数据，一个厚度为250MM的海绵吸声尖劈，其吸声系数比厚度为120MM厚的超细离心玻璃棉板的要差，因此，从节约空间和声学效果的角度来看不建议在静音箱体内安装海绵材质的吸声尖劈。
当然，以上提到的两点是没办法将小型测试箱体内的声场做到像消声室一样标准的，就看各静音箱的制造厂商的科研攻关能力了，静音测试箱体内的声场精度越高，测量误差将越小，对于工业产线检测而言，测量误差决定了质检的良品率，也就决定了生产制造成本和产品在市场上的竞争力。
静音箱体还有个指标是STC（Sound Transmission Class），指的是箱体的降噪能力，大部分工业制造车间的噪声数值在70~85dB(A)，而且有不同程度的振动能量，能在这个环境下将静音箱体的本底噪声控制在25分贝以下的，算是比较不错的了，能控制在15分贝以下的更不容易了（噪声数值降低6分贝，意味着噪声能量减半）。本底噪声与测试产品噪声数值差值15分贝时，必须要修正，差值10分贝时，需要修正，不过修正值比较小，如果测量精度误差要求不高，也可在10分贝差值的箱体内测试。当然，静音测试箱体的STC越大，意味着制造成本越大，声学工程师其中一个使命就是设计成本低廉、隔声性能优越、质量轻的材料来做箱体的隔声材料。
另外，静音箱体（无响箱）为了更多的满足产线测试需求，将工装治具，自动化半自动化机构结合在一起，满足流水线半自动或全自动测试。需要指出的是，箱体内部安装了各种工装治具或机构，将会对声场有不同程度的影响，也就是意味着对测试结果的精确性有不同程度的测量误差。
结论：静音测试箱已经成为主流的替代消声室来检测产品噪声与异响的测试环境，虽然不能与消声室媲美，但可以通过技术手段使得在形体内的测试结果能与消声室测试数值相接近。这里要特别说明的是：市场上生产静音箱体厂商的技术研发能力各不相同，这也导致各厂商的精度也是有差异的。
2、测量仪器硬件：
测量仪器硬件也是一个系统，包含传感器，麦克风或加速度传感器；数据采集卡；信号数据传输线等
声学测量麦克风是用于声学测量和声学分析的一种专业麦克风。它们具有高精度、高灵敏度和宽频响应等特点，可以测量声波的各种参数，如声压级、声场均匀度、频率响应、谐波失真等。声学测量麦克风通常使用电容式、压电式或光学式传感器，并使用精密的电路和信号处理技术，以确保测量结果的准确性和可靠性。此外，声学测量麦克风还具有良好的线性度、低噪声和防抖动等特点，以确保在各种复杂的测量环境下均能提供稳定的测量结果。
加速度传感器是一种用于测量物体振动加速度的传感器。它通常采用压电陶瓷、压电电解质、压阻式或电容式等技术制成，通过测量物体表面振动时产生的微小电信号来得到加速度值。振动加速度传感器的性能指标包括测量范围、灵敏度、频率响应、线性度、温度稳定性、噪声水平等。其中，灵敏度是指传感器输出信号与物体加速度之间的比例关系，通常用mV/g表示，是一个重要的性能指标。频率响应是指传感器的输出信号在不同频率下的变化情况，也是一个关键的性能指标。传感器的灵敏度和频率响应一般会受到一定的温度和湿度的影响，因此传感器的温度稳定性和湿度稳定性也是重要的性能指标之一。
动态信号采集卡（Dynamic Signal Acquisition Card）是一种专门用于测量、记录、处理和分析动态信号的硬件设备。它通常由数据采集模块、信号处理器和数字转换器等组成。动态信号采集卡的主要应用领域包括振动测试、噪声分析、声学测量、结构动力学分析、控制系统测试、声音与振动的信号处理等。其应用范围广泛，从工业生产到科学研究都有涉及。例如，在振动测试中，动态信号采集卡可以实时采集振动信号并通过软件对振动信号进行分析和处理，以了解机械设备的运行状况、检测故障等。动态信号采集卡的性能指标包括采样率、分辨率、信噪比、动态范围、带宽等。其中，采样率和分辨率是关键指标之一。采样率指每秒钟采样的数据点数，通常用赫兹（Hz）表示，较高的采样率可以更精细地记录信号变化；分辨率指每个采样点的位数，通常用位（bit）表示，分辨率越高，信号的细节就可以被更精确地记录。信噪比是指采集到的信号中有用信号和噪声的比例，通常用分贝（dB）表示，信噪比越高，信号的质量就越好。动态范围是指采集卡可以测量的信号幅度范围，通常用分贝（dB）表示，较高的动态范围可以测量较小和较大的信号。带宽是指采集卡可以测量信号的频率范围，通常用赫兹（Hz）表示，较高的带宽可以测量更高频率的信号。
噪声与异响分析软件是一种用于处理声音和振动数据的计算机程序，应用于工业产线对产品的声频型号进行分析，并判断噪声大小，以及识别异音异响。
噪声与异响分析软件的主要功能包括：数据采集，通过数据采集模块，将声音和振动信号从传感器中读取，并将其转换为数字信号。信号处理：对采集的信号进行滤波、去噪、时域分析、频域分析、谐波分析、共振分析等处理，以确定设备存在的噪音和异响问题。结果显示：将分析结果以图形、表格等形式呈现，使工程师和技术人员能够更好地理解和诊断问题。故障诊断：软件可以根据分析结果自动识别并定位问题，并提供解决方案和建议。噪声与异响分析软件的性能指标包括计算速度、分析精度、数据处理能力等。一些商业软件还提供了高级功能，如声源定位、声音合成、设计优化等。
这里介绍一下异音异响识别算法，产品的异音基本上只能靠异响识别算法来识别，通常基于信号处理、模式识别、机器学习等技术，其基本流程包括：
信号采集：通过麦克风等传感器获取设备运行时的声音信号。
特征提取：对采集的声音信号进行时域分析、频域分析等处理，提取声音的特征参数，如频率、能量、谱形等。
模式匹配：将采集到的声音特征参数与已知的正常或异常声音进行比对，利用相关的算法进行模式匹配和相似度计算。
异常检测：通过比对分析，判断设备运行时是否存在异常声音，并对异常声音进行定位和识别。
结果显示：将分析结果以图表等形式呈现，提供给操作员进行进一步分析和处理。
常用的异响识别算法包括基于统计学方法的平均绝对偏差法、平均能量比法，基于机器学习的支持向量机、神经网络等。
异响识别算法在机械设备运行监测、故障诊断、维护管理等方面具有重要的应用价值。目前在汽车、航空、轨道交通、工业制造等领域，异响识别算法已经成为一种常用的技术手段。
综上所述，采用静音测试箱+声学测量硬件+声学信号分析处理软件的新模式，能够灵活布置在工业制造生产线上，替代传统依靠人耳来判断异响的方式。数据客观、异响判定规则可参数化定义，检测结果可追溯化，同时也降低了劳动成本投入，利用自动化手段与流水线结合，极大提升检测节拍。该检测模式已经逐步在一些知名大厂开始应用，在未来将成为一种主流的检测方法，逐步应用于各行各业。