一种手持式传声器阵列及其测试自行装备驾驶舱内噪声分布的方法与流程

本发明属于装备噪声测试技术领域，涉及一种手持式传声器阵列及其测试自行装备驾驶舱内噪声分布的方法。

背景技术：

自行装备属于大型武器设备，复杂机械构件的相互碰撞、摩擦和排气系统产生的噪声量级很大。同时，自行装备的驾驶舱通常为密闭设计，不利于噪声的传播，导致驾驶员和武器操作人员工作的声音环境十分恶劣，不利于自行装备作战效能的发挥。因此，对装备驾驶舱噪声分布进行测试，对控制噪声、改善操作人员的工作环境具有重要意义。

由于装备驾驶舱的空间较小，且通常为密闭设计，使常规的大尺寸阵列测量变得极为困难。目前，在装备舱内噪声测试方面并没有一个较为完善的测试方法，通常采用单点或者多点测量特定点的声级计权的方法，测量结果较为简单，仅能反映总体噪声的量级大小,不能完整描述空间噪声分布，特别是对噪声的来源位置和贡献量无法明确的给出，不利于装备驾驶舱的噪声防护研究和改善。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够完成驾驶舱内稳定噪声的测试并可实现噪声强度分布的声学图像与实物来源相匹配的手持式传声器阵列及其测试自行装备驾驶舱内噪声分布的方法。

为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种手持式传声器阵列及其测试自行装备驾驶舱内噪声分布的方法。

所述手持式传声器阵列包括平板式支架、设置在平板式支架上表面的n×n个传声器和摄像头，其中n≥3；每n个传声器等间距组成一个水平或竖直的直线阵，所述传声器之间的间距分别为D，D的取值范围是0.1～0.2m；n个直线阵平行等间距组成n×n平面正方形阵列，所述n×n平面正方形阵列的行距与所述间距相等；所述摄像头位于所述n×n平面正方形阵列的中心点O。

上述手持式传声器阵列的传声器采用40PH型阵列传声器。

利用所述手持式传声器阵列测试自行装备驾驶舱内噪声分布的方法包括如下步骤：

(1)建立测试平台；

所述测试平台包括手持式传声器阵列、信号调理模块、记录硬件模块和上位机；将手持式传声器阵列中的各传声器以及摄像头的输出端分别接信号调理模块的相应输入端；所述信号调理模块的输出端分别接所述记录硬件模块和上位机的相应输入端；

(2)对测试平台进行调试，确认测试平台可靠运行后发动自行装备，待自行装备持续运行一段时间T，使待测自行装备驾驶舱内噪声稳定后，即可进行自行装备驾驶舱内噪声分布测试；调试时，所述手持式传声器阵列置于待测自行装备驾驶舱内任一位置；其中T≥60s；

(3)确定自行装备驾驶舱内噪分布情况：

以所述n×n平面正方形阵列的中心点O为原点O(0,0)，建立坐标系；所述手持式传声器阵列中第i个传声器记为M_i，其位置向量为其中i＝1,2，…，n²，然后进行下述操作：

(3-1)确定噪声信号到达第i个传声器M_i与到达原点O(0,0)的时间差τ_i；来自方向的噪声信号到达第i个传声器M_i与到达原点O(0,0)的时间差τ_i的计算公式如下：

在(式1)中，为原点O(0,0)到声源平面中待测区域的向量；为第i个传声器M_i到原点O(0,0)的位置向量；c为即时声速；

(3-2)确定频域形式的声源强度

来自方向的频域形式的声源强度计算公式如下：

在(式2)中，ω为声信号的圆频率；w_i为传声器的特征系数；p_i为传声器测得的声信号声压值；其中i＝1,2，…，n²；

(3-3)确定声源的平面波束形成能量输出；

第i个传声器M_i的转向向量计算公式如下：

在(式3)中，k为声信号的波数，k＝ω/c；

来自方向的频率为ω的波束形成能量输出计算公式如下：

在(式4)中，C_ij为第i个传声器M_i和第j个传声器M_j的采集信号互谱，其中，i和j均为1,2，…，n²；i≠j；为第i个传声器M_i的转向向量；为第j个传声器M_j的转向向量；(3-4)确定声源平面的实物噪声分布

利用位于所述n×n平面正方形阵列的中心点O的摄像头，拍摄声源平面的实物光学图像；在待分析的频率为ω处，将原点O(0,0)到声源的向量末端按照逐行扫描的顺序扫描整个声源平面，按步骤(3-1)、(3-1)、(3-3)分别计算出向量所对应的声源平面位置噪声的波束形成能量输出再把声源平面每个位置的能量按照位置排布，得到频率为ω时的噪声分布强度云图；调节噪声分布强度云图的图片参数，使其透明度调整至50％，即半透明程度后，将噪声分布强度云图与声源的实物光学图像进行合并叠加，使噪声分布强度云图处于顶层，实物图像处于底层，即可得到声源的实物噪声分布。

所述信号调理模块采用PM60B型的信号调理器；所述采集记录模块采用PXIe-4499型数据采集卡；所述上位机采用PXIe-8135型控制器。

本发明的技术效果：本发明提出的传声器阵列构建方法，将n²个性质相同的传声器等间距且等行距的组成n×n的平面正方形阵列，这种传声器阵列能够在狭小密闭的驾驶舱内进行有效的测试；本发明提出的方法能够获得驾驶舱内噪声的声学分布图像，并与摄像头获取的实物光学图像进行重合，即可以得到驾驶舱内不同位置的实物噪声强度分布；由本发明得到的结果实时、直观、准确，且操作简单，只需手持传声器阵列在驾驶舱内进行信号和视频采集即可，具有良好的实用及推广价值。

附图说明

图1为本发明手持式传声器阵列结构示意图。

图2为本发明测试平台的电路原理框图。

图3为本发明声信号传播路径示意图。

在图1-3中，1、平板式支架，2、传声器，3、摄像头，5、声源区域，6、声波。

具体实施方式

下面结合附图1-3及实施例对本发明做详细说明。

本发明采用小型手持式传声器阵列，能够完成驾驶舱内稳定噪声的测试，形成噪声强度分布的声学图像，并通过和实物图像重合，实现噪声分布和实物来源的匹配。

一、构建传声器阵列

在平板式支架1上，布置n×n个传声器2，组成n×n平面正方形阵列，传声器2采用GRAS公司的40PH型阵列传声器。如图1-2所示，取n＝4，则手持式传声器阵列包括16个传声器，4个传声器等间距组成一个直线阵，间距为D；4个直线阵平行等间距组成4×4的平面正方形阵，行距为D，D根据测试需求确定，此处取D＝0.1m。

二、设置视频摄像头

在平面正方形阵列的几何中心点O，布置一个视频摄像头3。

测试平台电路原理框图如图2所示，传声器2和摄像头3分别与信号调理模块、采集记录模块和上位机相连接。其中，信号调理模块使用声传科技的PM60B型信号调理器；采集记录模块使用NI公司的PXIe-4499型数据采集卡；上位机使用NI公司的PXIe-8135型控制器。对测试平台进行调试并确认可靠后，操作人员发动自行装备，持续运行一段时间待驾驶舱内噪声稳定后，即可进行测试。

三、确定自行装备驾驶舱内噪声分布情况：

以传声器阵列平面正方形阵列的几何中心点O为原点O(0,0)，建立坐标系。

传声器阵列中的第i个传声器记为M_i(i＝1,2,…,16)，其位置向量分别为然后进行下述操作：

1)确定噪声信号到达第i个传声器M_i与到达原点O(0,0)的时间差τ_i(i＝1,2,…,16)；来自方向的噪声信号到达第i个传声器M_i与到达原点O(0,0)的时间差τ_i的计算公式如下：

在上式中，为原点O(0,0)到声源平面中待测区域的向量；为第i个传声器M_i到原点O(0,0)的位置向量；c为即时声速；

2)确定频域形式的声源强度

来自方向的频域形式的声源强度计算公式如下：

在上式中，ω为声信号的圆频率；w_i为传声器的特征系数；p_i为传声器测得的声信号声压值；其中i＝1,2,…,16；

3)确定声源的平面波束形成能量输出：

第i个传声器M_i的转向向量计算公式如下：

在上式中，k为声信号的波数，k＝ω/c；

来自方向的频率为ω的波束形成能量输出计算公式如下：

在上式中，C_ij为第i个传声器M_i和第j个传声器M_j的采集信号互谱，其中，i和j均为1,2，…,16，且i≠j；为第i个传声器M_i的转向向量；为第j个传声器M_j的转向向量；

4)对准传声器阵列和摄像头的匹配关系

在使用4×4平面正方形阵列的传声器阵列对驾驶舱内噪声进行测试之前，需要将传声器阵列和视频摄像头进行对准，保证测试结果和光学图像的位置能够正确匹配。

设置两个高度和位置均不同的单声源，使用固定频率w₀的白噪声作为声源信号持续发声，发声稳定后进行测试并拍摄光学图像。在频率ω₀处，将原点到声源的向量末端按照逐行扫描的顺序扫描整个声源平面，按步骤1)、2)、3)分别计算出声源平面每个位置声音的相对能量输出，进行汇总形成频率为ω₀时的噪声分布强度云图。将噪声强度分布云图与声源的实物光学图像进行对比，并根据对比结果调整摄像头的位置及焦距，确保在后期使用中传声器阵列测试结果和摄像头拍摄图像能够正确匹配；

5)确定声源平面的实物噪声分布

使用阵列中心的视频摄像头，拍摄声源平面的实物光学图像；在待分析的频率ω处，ω的取值范围是20～3000Hz，将原点到声源的向量末端按照逐行扫描的顺序扫描整个声源平面，按步骤1)、2)、3)分别计算出声源平面每个位置声音的相对能量输出，进行汇总形成频率为ω时的噪声分布强度云图；调节噪声分布云图的透明度至半透明程度后，与声源的实物光学图像进重叠，即可得到声源的实物噪声分布。本发明提出的噪声测试方法能够有效地获得驾驶舱内不同位置的实物噪声分布。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施例的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。