聲學診斷

RK3308 八麥陣列聲學診斷

麥克風陣列不是通用耳朵，而是一台帶通儀器。這篇筆記從陣列幾何推出 8 陣元的可用頻帶，把 22 個現場場景放到同一張規格網格上，並明確交代哪些判據可以留在裝置本地。

標註 [晶片] 的資料來自瑞芯微 RK3308 產品頁與資料手冊；[物理] 資料由聲速與陣列幾何在本文現算得出；[產業] 頻帶為振動監測、聲射與結構健康監測的通行範圍；[工程] 說法是由上述事實推演所得，不是實測。

為什麼要陣列

單麥只能告訴你「出事了」，陣列能告訴你「在哪、是誰」

8 個陣元比單只麥克風多買到的三件事。

空間濾波

八個通道可以對著目標做波束、對著主要干擾做零點。在機房裡，這就是「聽軸承」和「聽旁邊那台風機」的差別。

冗餘容錯

一只被遮擋、進水或失效的麥克風，還剩下七個通道。你可以在系統裡識別並剔除壞通道，而不是把整個監測點作廢。

空間可分

波束能把「源動了」和「源變了」分開 —— 這兩件事在單麥上簽名一模一樣，對應的檢修動作卻完全不同。

硬體 VAD 保留檢測前緩衝：事件發生的那一刻，起始段已經錄在本地了。

孔徑

8 個陣元只給你 1.8 個倍頻程 —— 把間距拉大也變不寬

陣列的可用頻帶被兩個臨界頻率夾住：低於 c/D 沒有指向性增益，高於 c/2d 出現柵瓣混疊。兩者之比恆為 log₂((N−1)/2)，與間距無關。間距只能把同一個 1.8 倍頻程的視窗在頻譜上平移。

陣元間距 d	陣列總長 (N−1)d	可用下限 c/D	混疊上限 c/2d	適用場合
20 mm	140 mm	2.4 kHz	8.6 kHz	模組內嵌陣列。只做高頻瞬態 —— 玻璃破碎、衝擊。
40 mm	280 mm	1.2 kHz	4.3 kHz	設備面板陣列。手工具、小型齒輪箱、爐具與管線噪音。
100 mm	700 mm	490 Hz	1.7 kHz	機櫃或房間陣列。中頻段 —— 通風風機、水泵、輪軌。
300 mm	2100 mm	163 Hz	572 Hz	設備或立桿陣列。低頻機械與水流噪音。
1000 mm	7000 mm	49 Hz	172 Hz	戶外構築物或塔架。結構模態、塔架擺動、索力。

這句要當約束讀，不要當缺陷讀。20 公釐的模組陣列做玻璃破碎與落石極好，但對風力發電機 15 Hz 的主軸承就是瞎的。選陣列，等於選你被允許問哪些問題。

圖 1 —— 8 陣元陣列在各種孔徑下的有效波束頻帶。下限 c/D，上限 c/2d，均由 c = 343 m/s 推出。

工程上的直接後果：多數專案需要兩個孔徑而不是一個 —— 一個密陣管瞬態，一個稀疏大孔徑管結構低頻，共用一塊板。單個孔徑的覆蓋範圍沒法加寬，加陣元可以：16 個陣元就是 2.9 個倍頻程，而不是 1.8。

場景矩陣

22 個場景，一張規格網格

每一行都由同樣四個數固定下來：你必須敏感的頻帶、由此推得的取樣率、判據要多快給出，以及這個判據能住在哪裡。

組	場景	關注頻帶	建議取樣率	觸發時間尺度	判定落點
旋轉與往復機械（工業現場）	馬達 / 泵浦 — 不平衡、不對中、軸承	10 Hz – 10 kHz	≥ 24 kHz	小時	本地閉環
旋轉與往復機械（工業現場）	齒輪箱 / 減速機 — 嚙合、斷齒	100 Hz – 20 kHz	≥ 48 kHz	小時	本地閉環
旋轉與往復機械（工業現場）	沖壓 / 工具機 — 衝擊、刀具磨耗	200 Hz – 20 kHz	≥ 48 kHz	毫秒	本地閉環
能源設施	風力發電機 — 主軸承、葉片、偏航	0.1 Hz – 10 kHz	≥ 24 kHz + 慢取樣	小時	本地觸發 + 雲端複核
能源設施	塔架 / 葉片 — 模態與低頻結構響應	0.1 – 20 Hz	≥ 100 Hz	分鐘	本地觸發 + 雲端複核
能源設施	變壓器 / 電抗器 — 嗡鳴異常	50 Hz – 5 kHz	≥ 12 kHz	小時	本地閉環
養殖場	通風 / 降溫風機 — 軸承、皮帶、堵轉	20 Hz – 10 kHz	≥ 24 kHz	分鐘	本地閉環
養殖場	動物聲音 — 咳嗽、驚群、產仔	50 Hz – 8 kHz	≥ 24 kHz	秒	本地閉環
養殖場	飼料線 / 清糞機 — 卡阻與異常撞擊	20 Hz – 8 kHz	≥ 24 kHz	分鐘	本地閉環
水文與地質災害	河川水聲 — 流量與紊流突變	20 Hz – 5 kHz	≥ 12 kHz	分鐘	本地閉環
水文與地質災害	土石流 / 山洪 — 低頻轟鳴 + 持續沖刷	10 Hz – 2 kHz	≥ 6 kHz	分鐘	本地判定 + 雲端解釋
水文與地質災害	坍方 / 落石 — 衝擊瞬態 + 滾石節奏	100 Hz – 20 kHz	≥ 48 kHz	毫秒	本地閉環
交通與結構	橋梁 — 車輛通過響應、伸縮縫衝擊	1 Hz – 2 kHz	≥ 6 kHz	秒	本地判定 + 雲端解釋
交通與結構	路面 — 輪胎噪音反推鋪面破損與積水	200 Hz – 5 kHz	≥ 12 kHz	秒	本地閉環
交通與結構	鐵路軌道 — 輪軌噪音、接頭、波磨、道岔	100 Hz – 20 kHz	≥ 48 kHz	毫秒	本地閉環
交通與結構	纜繩 / 斜張索 — 索力、斷絲、風雨振	0.5 Hz – 5 kHz	≥ 12 kHz	分鐘	本地觸發 + 雲端複核
交通與結構	大樓 — 帷幕牆、結構異響、電梯、給排水	50 Hz – 10 kHz	≥ 24 kHz	秒	本地閉環
室內與家庭	玻璃破碎	2 – 8 kHz	≥ 24 kHz	毫秒	本地閉環
室內與家庭	跌倒 — 衝擊 + 振動	20 Hz – 2 kHz	≥ 8 kHz	毫秒	本地閉環
室內與家庭	爐具乾燒 — 哨音、汽化、空燒	1 – 16 kHz	≥ 40 kHz	秒	本地閉環
室內與家庭	管線 — 漏水、氣蝕、堵塞	100 Hz – 50 kHz	≥ 100 kHz	分鐘	本地閉環
安防	無人機入侵 — 槳葉通過頻率及諧波	100 Hz – 8 kHz	≥ 24 kHz	秒	本地閉環

頻帶為 [產業] 通行範圍，不是實測值；取樣率為 [工程] 口徑 —— 按頻帶翻倍留餘量，再落到 RK3308 音訊通路真能產生的取樣率上。

擷取通路

三條擷取通路，三種分工

RK3308 有三條路把麥克風接進來。你需要哪一段頻帶，就決定走哪一條。

PDM — 單通道最高 192 kHz

5 線介面帶 8 個通道，16–24 bit。這是唯一能摸到管線洩漏與衝擊那兩行所需高頻段的通路。答案在 20 kHz 以上時走它。

I2S / TDM — 2 路 × 8 通道 @ 48 kHz

標準數位麥與中頻段的主力。兩路互相獨立，可以同時跑一路 48 kHz 密陣和一路慢速結構通道。

內嵌 CODEC — 8 × ADC，24 bit

類比麥直接上 SoC：支援差分與單端、可程式增益、兩路麥克風偏壓（最高 0.85 × AVDD3V3）。周邊元件最少，也是唯一能用一般類比量測麥的通路。

93 GB單節點每日（48 kHz / 24 bit / 8 通道）

371 GB單節點每日（192 kHz）—— 連續擷取不可行的直接原因

3.86 GB/h一小時 8 通道原始音訊

硬體 VAD 的價值比它看起來大。它支援類比麥、I2S 數位麥與 PDM 數位麥，對多麥陣列保留 pre / post 兩種緩衝 —— 也就是說觸發那一刻，紀錄裡已經有了觸發之前的樣本。對衝擊類事件，起始段就是診斷資訊本身；等過了門檻才開始錄的系統，恰恰把要的東西丟掉了。

判定分層

本地判定，雲端解釋

RK3308 沒有 NPU。這是一條規格，不是缺陷 —— 它只是把問題的一半固定在了本地。

層	跑在哪	決定什麼	輸出
特徵擷取	RK3308	1/3 倍頻程與 mel 譜、包絡、波峰因數、峭度、跨通道相干與 TDOA	每幀一個特徵向量
基線與新穎度	RK3308	與這台設備 / 這座結構投運指紋的偏離	一個分數，以及是哪一段頻帶造成的偏離
分類與分級	RK3308 + 小模型	已知事件類別與粗分級；其餘走經典 DSP 判據	帶類別與等級的事件
解釋與行動	雲端	這個偏離大概意味著什麼、該查哪個部件、該開哪張工單、這台與同型號機隊相比如何	語言、工單、趨勢敘述

這個分工是刻意的。毫秒級必須觸發的判據不可能等一次往返；需要機隊脈絡的敘述也不可能住在沒有 NPU 的 1.3 GHz 核上。同時，只上報特徵向量與事件、不上報音訊，意味著原始錄音根本不出場站 —— 這通常本來就是合規要求。

現場坑位

裝完之後把訊號悄悄改掉的五個地方

坑	症狀	怎麼處理
風與雨打振膜	低頻段整體抬高，把設備簽名壓掉	防風罩加硬體高通；不要在 ADC 已經削頂之後再用軟體濾
通道沒標定	波束偏一點點，零點落到了錯誤的一側	用單一音源做投運標定，存下每通道增益與時延偏移；換過麥克風後必須重標
節點間時鐘不同步	跨節點 TDOA 緩慢漂移，分散式定位失效	一個陣列內共時鐘域；節點同步到統一時基，並在擷取點打時間戳，而不是上傳時打
安裝共振	譜上多出一個屬於支架、不屬於設備的峰	先測空結構，把這條譜併入投運指紋
連續原始擷取	儲存幾天就滿，真正有事的那一小時被覆蓋掉	用 VAD 前後緩衝，只在事件附近留原始波形，特徵則連續留存

這些都不稀奇。它們正是聲學監測測試點在演示之後失敗的原因：演算法沒問題，是安裝把訊號悄悄改掉了。

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資料來源

晶片能力 [晶片]：瑞芯微 RK3308 產品頁與資料手冊 — 8 通道 PDM，單通道最高 192 kHz、16–24 bit、5 線介面；2 × 8 通道 I2S/TDM @ 48 kHz；內嵌 CODEC 含 8 × 24 bit ADC；硬體 VAD 支援類比麥、I2S 麥與 PDM 麥，多麥陣列支援檢測前 / 檢測後緩衝。孔徑資料 [物理]：由 c = 343 m/s 與 8 個陣元、總長 (N−1)d 在本地現算。資料率 [物理]：按 8 通道 × 24 bit 與標註取樣率計算，以二進位 GB 表示。場景頻帶 [產業]：振動監測、聲射與結構健康監測的通行範圍，屬工程導引而非實測。本文不含任何已部署 RK3308 陣列的現場實測資料。