傘形可重組三維傳聲器陣列識別聲源三維坐標的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于結構聲學、氣動聲學、水聲學、信號處理、圖像處理、噪聲一振動控制等 交叉領域，具體的說是一種采用傘形可重組=維傳聲器陣列識別聲源=維坐標的方法。
【背景技術】
[0002] 波束形成器陣列性能的好壞在很大程度上取決于幾何陣列本身的設計，陣列布局 的不同對聲源識別結果會產生很大的影響。如今已有的Ξ維陣列主要有半球形傳聲器陣 列、球形傳聲器陣列、多層立體網格陣列、星形陣列。其中球形傳聲器陣列適合內聲場測量， 復雜度高。多層立體網格陣列優勢是在不增加傳聲器數目的前提下，減少了柵瓣和虛影的 影響。
[0003] 現有波束成形方法和聲源定位技術應用于Ξ維聲源識別定位時的局限性有：（1) 多層立體網格陣列設計時相鄰傳聲器之在間的間隔和相鄰兩層之間的間隔是一樣的，導致 四棱錐面的傾角固定不變，也就是分析頻率范圍不變。（2)無法有效區分聲源位于陣列的前 側還是后側，容易造成前后模糊。
【發明內容】
[0004] 本發明要避免上述技術所存在的不足之處，自行開發設計制作傘形可重組Ξ維傳 聲器陣列識別聲源Ξ維坐標的方法，提供了一種方便快捷的相對最佳的聲源識別定位的陣 列。
[0005] 本發明提出的識別聲源Ξ維坐標的波束成形方法，是在星形陣列的外觀設計上加 W改進，變為傘狀結構，通過主軸上安裝的滑動把手同時控制Ξ根桿的傾角，和改變布置有 傳聲器的連桿的傾角來調節陣列的張角，使陣列孔徑隨張角的變化而變化，并且傳聲器間 距可調節，從而獲得相對最佳的聲源識別定位效果。
[0006] 下面對本發明方法做進一步說明。
[0007] (1)開發設計制作一傘形可重組Ξ維傳聲器，假設其一主軸長為^，每根連桿長均 為L2,每個支桿長均為L3,連桿與支桿聯接點到滑動握把距離為以，連桿數均為Ν，選取第一 個傳聲器到主軸與連桿連接點的距離為do。
[000引 （2)傘形可重組Ξ維傳聲器陣列的陣元間距山最小約為0.02m，其陣元最大間距約 為λ/?Ζ。，根據空間采樣定律，所W其可分析頻率范圍約為200HZ-8曲Z。
[0009] (3)建立空間直角坐標系，即W主軸與支桿聯接點0為原點，主軸為Ζ軸方向，連桿1 在Ζ0Υ平面上。由于Ξ根連桿在圓錐面上是均勻分布的，可計算出連桿與主軸之間夾角0隨 滑動握把到小連接環的距離Ζ變化的函數關系，即
[0010]
[0011]
[001^ (4)按照設計要求，連桿與主軸之間夾角祭變化范圍為[巧妍，;,、]'當夾角婷為 ，滑動握把運動到極限位置一，陣列具有最小張角也。=18F -知ax，主軸上極限位置一 到原點0的距離為Z1;當夾角0為觀，滑動握把運動到極限位置二，陣列具有最大張角0max = 90°，Ξ根連桿在同一面上，陣列為平面陣列，主軸上極限位置二到原點0的距離為Z2。那 么，滑動握把最大移動范圍A Zmax。在極限位置一處標上刻度0min，在極限位置二處標上刻度 6max〇
[OOU] (5)連桿上每個傳聲器空間坐標(Xij，yij，zij)，（i = l，2,3; j = l，···，M/3)隨.0變化 的函數關系，那么所有傳聲器在Χ、Υ、Ζ方向的坐標用矩陣表示如公式所示，其中每行對應每 一個連桿，一行中的每列對應一個連桿上每個傳聲器位置坐標。即
[0014]
[0015] (6)傳聲器坐標的具體表達式如下：
[0025] 其中門(Μ)為陣元間距變化函數。
[0026] (7)根據步驟(6)的公式可得到傳聲器的坐標，再根據識別定位Ξ維聲源波束成形 的理論，波束成形原理結合輪福陣列識別定位Ξ維聲源的方法，可得傘形可重組Ξ維傳聲 器陣列得到對聲源識別定位的Ξ維識別定位效果。
[0027] 本發明的優點是:在進行聲源深度識別時，能消除陣列前側或后側的偽聲源，區分 聲源位于陣列的前側或后側，突破了由于平面陣列的局限性造成的前后模糊。WHPWB(即 3地帶寬，其物理意義就是功率在減少到一半之前的頻帶寬度，表示在該帶寬內集中了一半 的功率)作為評價指標，傘形可重組Ξ維傳聲器陣列在Χ、Υ軸方向上對聲源的識別定位效果 要明顯好于輪福陣列。
【附圖說明】
[00%]圖1本發明使用的傘形可重組Ξ維傳聲器陣列結構示意圖。
[0029] 圖2傘形可重組Ξ維傳聲器陣列的尺寸標注示意圖。
[0030] 圖3仿真驗證流程圖。
[0031] 圖4實驗驗證流程圖。
[0032] 圖5輪福陣列定位單個聲源的結果仿真。
[0033] 圖6輪福陣列定位單個聲源的實驗結果。
[0034] 圖7傘形可重組Ξ維傳聲器陣列識別定位單個聲源的結果仿真。
[0035] 圖8傘形可重組Ξ維傳聲器陣列識別定位單個聲源的試驗結果。
[0036] 圖9輪福陣列在X、Υ軸方向上HPBW隨聲源頻率f的變化關系
[0037] 圖10形可重組Ξ維傳聲器陣列在Χ、Υ、Ζ軸方向上HPBW隨聲源頻率f的變化關系。 具體實施方案
[0038] 下面通過具體實施例子對本發明作進一步地描述
[0039] 本實施例子中主要分別展示二維平面輪福陣列對聲源識別定位的Ξ維識別定位 效果和傘形可重組Ξ維傳聲器陣列對聲源識別定位的Ξ維識別定位效果。輪福陣列在在X、 Y軸方向上冊BW隨聲源頻率f的變化關系和傘形可重組Ξ維傳聲器陣列在Χ、Υ、Ζ軸方向上 HPBW隨聲源頻率f的變化關系。
[0040] 根據圖分別設置仿真和試驗參數:設重構的聲場為長方體，其中屯、位于坐標原點 0，其邊界條件為-lm<xf<lm、-lm<パ<lm、-5m<zf<5m，設X、Y軸方向的間距均為0.01m，Z 軸方向的間距為0.1m。
[0041 ] 假設聲源為點聲源，暫不考慮背景噪聲，聲源坐標為(0.04m，-0.08m，Im)，聲源頻 率為4曲z，點源的強度為IPa。
[0042] 根據前面設置的仿真參數，通過圖3和圖4的操作流程，可W得到二維平面輪福陣 列定位單個聲源的仿真結果和實驗結果。
[0043] 圖5和圖6明通過輸出最大聲場響應|V(Xf ,yf,zk, ω ) |max所在的空間位置，可W識 別定位單個窄帶Ξ維聲源的位置，但在Z軸對稱于輪福陣列的負方向上存在一個偽聲源，該 結果驗證了理論分析中得出的結論，二維平面陣列結合本方法能夠正確地識別定位陣列前 方的Ξ維聲源的位置，但是在Z方向存在前后模糊的局限性
[0044] 傘形可重組Ξ維傳聲器陣列上傳聲器總數Μ為30,傳聲器間距變化方式為等比間 距，陣列張角Θ為60度，在陣列孔徑保持不變的情況下，根據公式可得到傳聲器的坐標，
[0045] 再根據圖3和圖4操作流程可得傘形可重組Ξ維傳聲器陣列對聲源識別定位的Ξ 維識別定位效果。
[0046] 圖7和圖8表明通過輸出OdB所在的空間位置，能識別定位聲源X、Υ、Ζ軸方向的坐 標，而且HPBW的空間分布很小，在進行聲源深度識別時，不會在對稱的巧由方向產生一個偽 聲源，能夠區分聲源位于陣列的前側或后側，突破了由于平面陣列的局限性造成的前后模 糊。
[0047] 再驗證聲源頻率f變化對陣列性能的影響。對于輪福陣列，假設聲源頻率f變化區 間為500化至化曲Z，變化間距為lOOHz，聲源的Χ、Υ、Ζ坐標為(0.05111，-0.05111，0.5111)，重構點^ 變化區間為-0.5m至Ij0.5m，變化間距為0.01m、yf = y〇、zf = ζ〇,此時可W得到輪福陣列在X軸 方向的HPBW隨聲源頻率的變化關系；當重構點yf變化區間為-ο . 5m到ο . 5m，變化間距為 0.0 Im、xf = Μ、zf = ZO時，可W得到在X、Y軸方向上HPBW隨聲源頻率的變化關系。
[0048] 傘形可重組Ξ維傳聲器陣列上傳聲器總數為30，不同的是聲源頻率f在變化，其變 化區間為500Hz到化化，變化間距為500Hz，然后通過所得的各個聲源頻率下的實驗數據，計 算X、Y軸方向上的HPBW，可得傘形可重組Ξ維傳聲器陣列的HPBW隨聲源頻率f的變化趨勢。
[0049] 圖9和圖10表明，相比較輪福陣列在較近距離上對聲源進行識別定位，其HPBW明顯 大于傘形可重組Ξ維傳聲器陣列，說明WHPWB作為評價指標，傘形可重組Ξ維傳聲器陣列 在Χ、Υ軸方向上對聲源的識別定位效果要明顯好于輪福陣列。
【主權項】
1.傘形可重組三維傳聲器陣列識別聲源三維坐標的方法，按如下步驟進行： (1) 開發設計制作一傘形可重組三維傳聲器，假設其一主軸長為Li，每根連桿長均為L2， 每個支桿長均為L 3,連桿與支桿聯接點到滑動握把距離為L4,連桿數均為N，選取第一個傳聲 器到主軸與連桿連接點的距離為do; (2) 傘形可重組三維傳聲器陣列的陣元間距cU最小為0.02m，其陣元最大間距約為 根據空間采樣定律，其可分析頻率范圍約為200Hz-8kHz; (3) 建立空間直角坐標系，即以主軸與支桿聯接點0為原點，主軸為Z軸方向，連桿1在 Z0Y平面上；由于三根連桿在圓錐面上是均勻分布的，可計算出連桿與主軸之間夾角P隨滑 動握把到小連接環的距離z變化的函數關系，即(4) 按照設計要求，連桿與主軸之間夾角爐變化范圍為[I，當夾角P為於_，滑 動握把運動到極限位置一，陣列具有最小張角九to = M() -，主軸上極限位置一到原點〇 的距離為Z1;當夾角夢為奶_，滑動握把運動到極限位置二，陣列具有最大張角9 max = 90°，三 根連桿在同一面上，陣列為平面陣列，主軸上極限位置二到原點〇的距離為Z2;那么，滑動握 把最大移動范圍A Zmax;在極限位置一處標上刻度0min，0min表示主軸與連桿的最小張角，在 極限位置二處標上刻度9 max，9max表示主軸與連桿的最大張角； (5) 連桿上每個傳聲器空間坐標(Xij，yij，zij)，（i = l，2,3; j = l，…，M/3)隨爐變化的函 數關系，Μ表示傳聲器的總數，那么所有傳聲器在X、Y、Z方向的坐標用矩陣表示如公式所示， 其中每行對應每一個連桿，一行中的每列對應一個連桿上每個傳聲器位置坐標;即(6) 傳聲器坐標的具體表達式如下： xij = 0z3j. = ζ- Pj(M) [cosφ\ 其中h(M)為陣元間距變化函數； (7)根據步驟(5)的公式可得到傳聲器的坐標，再根據識別定位三維聲源波束成形的理 論，波束成形原理結合輪輻陣列識別定位三維聲源的方法，可得傘形可重組三維傳聲器陣 列得到對聲源識別定位的三維識別定位效果。
【專利摘要】本發明提供的是一種采用傘形可重組三維傳聲器陣列識別定位聲源三維坐標的方法。該方法基于近場球面波聲場，采用波束成形原理，并結合傘形陣列識別定位聲源三維坐標。本發明的優點在于能借助傘型陣列消除陣列前側或后側的偽聲源，突破由于二維平面陣列的局限性造成的前后模糊。以HPWB(即3dB帶寬，其物理意義就是功率在減少到一半之前的頻帶寬度，表示在該帶寬內集中了一半的功率)作為評價指標，傘形可重組三維傳聲器陣列在X、Y軸方向上對聲源的識別定位效果要明顯好于輪輻陣列。
【IPC分類】G01S5/22
【公開號】CN105629202
【申請號】CN201610167600
【發明人】丁浩, 吳化平, 陳恒, 張征
【申請人】浙江工業大學
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2016年3月23日