伞形可重组三维传声器阵列识别声源三维坐标的方法

文档序号:9863946阅读:423来源:国知局
伞形可重组三维传声器阵列识别声源三维坐标的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于结构声学、气动声学、水声学、信号处理、图像处理、噪声一振动控制等 交叉领域,具体的说是一种采用伞形可重组=维传声器阵列识别声源=维坐标的方法。
【背景技术】
[0002] 波束形成器阵列性能的好坏在很大程度上取决于几何阵列本身的设计,阵列布局 的不同对声源识别结果会产生很大的影响。如今已有的Ξ维阵列主要有半球形传声器阵 列、球形传声器阵列、多层立体网格阵列、星形阵列。其中球形传声器阵列适合内声场测量, 复杂度高。多层立体网格阵列优势是在不增加传声器数目的前提下,减少了栅瓣和虚影的 影响。
[0003] 现有波束成形方法和声源定位技术应用于Ξ维声源识别定位时的局限性有:(1) 多层立体网格阵列设计时相邻传声器之在间的间隔和相邻两层之间的间隔是一样的,导致 四棱锥面的倾角固定不变,也就是分析频率范围不变。(2)无法有效区分声源位于阵列的前 侧还是后侧,容易造成前后模糊。

【发明内容】

[0004] 本发明要避免上述技术所存在的不足之处,自行开发设计制作伞形可重组Ξ维传 声器阵列识别声源Ξ维坐标的方法,提供了一种方便快捷的相对最佳的声源识别定位的阵 列。
[0005] 本发明提出的识别声源Ξ维坐标的波束成形方法,是在星形阵列的外观设计上加 W改进,变为伞状结构,通过主轴上安装的滑动把手同时控制Ξ根杆的倾角,和改变布置有 传声器的连杆的倾角来调节阵列的张角,使阵列孔径随张角的变化而变化,并且传声器间 距可调节,从而获得相对最佳的声源识别定位效果。
[0006] 下面对本发明方法做进一步说明。
[0007] (1)开发设计制作一伞形可重组Ξ维传声器,假设其一主轴长为^,每根连杆长均 为L2,每个支杆长均为L3,连杆与支杆联接点到滑动握把距离为以,连杆数均为Ν,选取第一 个传声器到主轴与连杆连接点的距离为do。
[000引 (2)伞形可重组Ξ维传声器阵列的阵元间距山最小约为0.02m,其阵元最大间距约 为λ/?Ζ。,根据空间采样定律,所W其可分析频率范围约为200HZ-8曲Z。
[0009] (3)建立空间直角坐标系,即W主轴与支杆联接点0为原点,主轴为Ζ轴方向,连杆1 在Ζ0Υ平面上。由于Ξ根连杆在圆锥面上是均匀分布的,可计算出连杆与主轴之间夹角0随 滑动握把到小连接环的距离Ζ变化的函数关系,即
[0010]
[0011]
[001^ (4)按照设计要求,连杆与主轴之间夹角祭变化范围为[巧妍,;,、]'当夹角婷为 ,滑动握把运动到极限位置一,阵列具有最小张角也。=18F -知ax,主轴上极限位置一 到原点0的距离为Z1;当夹角0为觀,滑动握把运动到极限位置二,阵列具有最大张角0max = 90°,Ξ根连杆在同一面上,阵列为平面阵列,主轴上极限位置二到原点0的距离为Z2。那 么,滑动握把最大移动范围A Zmax。在极限位置一处标上刻度0min,在极限位置二处标上刻度 6max〇
[OOU] (5)连杆上每个传声器空间坐标(Xij,yij,zij),(i = l,2,3; j = l,···,M/3)随.0变化 的函数关系,那么所有传声器在Χ、Υ、Ζ方向的坐标用矩阵表示如公式所示,其中每行对应每 一个连杆,一行中的每列对应一个连杆上每个传声器位置坐标。即
[0014]
[0015] (6)传声器坐标的具体表达式如下:
[0025] 其中門(Μ)为阵元间距变化函数。
[0026] (7)根据步骤(6)的公式可得到传声器的坐标,再根据识别定位Ξ维声源波束成形 的理论,波束成形原理结合轮福阵列识别定位Ξ维声源的方法,可得伞形可重组Ξ维传声 器阵列得到对声源识别定位的Ξ维识别定位效果。
[0027] 本发明的优点是:在进行声源深度识别时,能消除阵列前侧或后侧的伪声源,区分 声源位于阵列的前侧或后侧,突破了由于平面阵列的局限性造成的前后模糊。WHPWB(即 3地带宽,其物理意义就是功率在减少到一半之前的频带宽度,表示在该带宽内集中了一半 的功率)作为评价指标,伞形可重组Ξ维传声器阵列在Χ、Υ轴方向上对声源的识别定位效果 要明显好于轮福阵列。
【附图说明】
[00%]图1本发明使用的伞形可重组Ξ维传声器阵列结构示意图。
[0029] 图2伞形可重组Ξ维传声器阵列的尺寸标注示意图。
[0030] 图3仿真验证流程图。
[0031] 图4实验验证流程图。
[0032] 图5轮福阵列定位单个声源的结果仿真。
[0033] 图6轮福阵列定位单个声源的实验结果。
[0034] 图7伞形可重组Ξ维传声器阵列识别定位单个声源的结果仿真。
[0035] 图8伞形可重组Ξ维传声器阵列识别定位单个声源的试验结果。
[0036] 图9轮福阵列在X、Υ轴方向上HPBW随声源频率f的变化关系
[0037] 图10形可重组Ξ维传声器阵列在Χ、Υ、Ζ轴方向上HPBW随声源频率f的变化关系。 具体实施方案
[0038] 下面通过具体实施例子对本发明作进一步地描述
[0039] 本实施例子中主要分别展示二维平面轮福阵列对声源识别定位的Ξ维识别定位 效果和伞形可重组Ξ维传声器阵列对声源识别定位的Ξ维识别定位效果。轮福阵列在在X、 Y轴方向上册BW随声源频率f的变化关系和伞形可重组Ξ维传声器阵列在Χ、Υ、Ζ轴方向上 HPBW随声源频率f的变化关系。
[0040] 根据图分别设置仿真和试验参数:设重构的声场为长方体,其中屯、位于坐标原点 0,其边界条件为-lm<xf<lm、-lm<パ<lm、-5m<zf<5m,设X、Y轴方向的间距均为0.01m,Z 轴方向的间距为0.1m。
[0041 ] 假设声源为点声源,暂不考虑背景噪声,声源坐标为(0.04m,-0.08m,Im),声源频 率为4曲z,点源的强度为IPa。
[0042] 根据前面设置的仿真参数,通过图3和图4的操作流程,可W得到二维平面轮福阵 列定位单个声源的仿真结果和实验结果。
[0043] 图5和图6明通过输出最大声场响应|V(Xf ,yf,zk, ω ) |max所在的空间位置,可W识 别定位单个窄带Ξ维声源的位置,但在Z轴对称于轮福阵列的负方向上存在一个伪声源,该 结果验证了理论分析中得出的结论,二维平面阵列结合本方法能够正确地识别定位阵列前 方的Ξ维声源的位置,但是在Z方向存在前后模糊的局限性
[0044] 伞形可重组Ξ维传声器阵列上传声器总数Μ为30,传声器间距变化方式为等比间 距,阵列张角Θ为60度,在阵列孔径保持不变的情况下,根据公式可得到传声器的坐标,
[0045] 再根据图3和图4操作流程可得伞形可重组Ξ维传声器阵列对声源识别定位的Ξ 维识别定位效果。
[0046] 图7和图8表明通过输出OdB所在的空间位置,能识别定位声源X、Υ、Ζ轴方向的坐 标,而且HPBW的空间分布很小,在进行声源深度识别时,不会在对称的巧由方向产生一个伪 声源,能够区分声源位于阵列的前侧或后侧,突破了由于平面阵列的局限性造成的前后模 糊。
[0047] 再验证声源频率f变化对阵列性能的影响。对于轮福阵列,假设声源频率f变化区 间为500化至化曲Z,变化间距为lOOHz,声源的Χ、Υ、Ζ坐标为(0.05111,-0.05111,0.5111),重构点^ 变化区间为-0.5m至Ij0.5m,变化间距为0.01m、yf = y〇、zf = ζ〇,此时可W得到轮福阵列在X轴 方向的HPBW随声源频率的变化关系;当重构点yf变化区间为-ο . 5m到ο . 5m,变化间距为 0.0 Im、xf = Μ、zf = ZO时,可W得到在X、Y轴方向上HPBW随声源频率的变化关系。
[0048] 伞形可重组Ξ维传声器阵列上传声器总数为30,不同的是声源频率f在变化,其变 化区间为500Hz到化化,变化间距为500Hz,然后通过所得的各个声源频率下的实验数据,计 算X、Y轴方向上的HPBW,可得伞形可重组Ξ维传声器阵列的HPBW随声源频率f的变化趋势。
[0049] 图9和图10表明,相比较轮福阵列在较近距离上对声源进行识别定位,其HPBW明显 大于伞形可重组Ξ维传声器阵列,说明WHPWB作为评价指标,伞形可重组Ξ维传声器阵列 在Χ、Υ轴方向上对声源的识别定位效果要明显好于轮福阵列。
【主权项】
1.伞形可重组三维传声器阵列识别声源三维坐标的方法,按如下步骤进行: (1) 开发设计制作一伞形可重组三维传声器,假设其一主轴长为Li,每根连杆长均为L2, 每个支杆长均为L 3,连杆与支杆联接点到滑动握把距离为L4,连杆数均为N,选取第一个传声 器到主轴与连杆连接点的距离为do; (2) 伞形可重组三维传声器阵列的阵元间距cU最小为0.02m,其阵元最大间距约为 根据空间采样定律,其可分析频率范围约为200Hz-8kHz; (3) 建立空间直角坐标系,即以主轴与支杆联接点0为原点,主轴为Z轴方向,连杆1在 Z0Y平面上;由于三根连杆在圆锥面上是均匀分布的,可计算出连杆与主轴之间夹角P随滑 动握把到小连接环的距离z变化的函数关系,即(4) 按照设计要求,连杆与主轴之间夹角炉变化范围为[I,当夹角P为於_,滑 动握把运动到极限位置一,阵列具有最小张角九to = M() -,主轴上极限位置一到原点〇 的距离为Z1;当夹角梦为奶_,滑动握把运动到极限位置二,阵列具有最大张角9 max = 90°,三 根连杆在同一面上,阵列为平面阵列,主轴上极限位置二到原点〇的距离为Z2;那么,滑动握 把最大移动范围A Zmax;在极限位置一处标上刻度0min,0min表示主轴与连杆的最小张角,在 极限位置二处标上刻度9 max,9max表示主轴与连杆的最大张角; (5) 连杆上每个传声器空间坐标(Xij,yij,zij),(i = l,2,3; j = l,…,M/3)随炉变化的函 数关系,Μ表示传声器的总数,那么所有传声器在X、Y、Z方向的坐标用矩阵表示如公式所示, 其中每行对应每一个连杆,一行中的每列对应一个连杆上每个传声器位置坐标;即(6) 传声器坐标的具体表达式如下: xij = 0z3j. = ζ- Pj(M) [cosφ\ 其中h(M)为阵元间距变化函数; (7)根据步骤(5)的公式可得到传声器的坐标,再根据识别定位三维声源波束成形的理 论,波束成形原理结合轮辐阵列识别定位三维声源的方法,可得伞形可重组三维传声器阵 列得到对声源识别定位的三维识别定位效果。
【专利摘要】本发明提供的是一种采用伞形可重组三维传声器阵列识别定位声源三维坐标的方法。该方法基于近场球面波声场,采用波束成形原理,并结合伞形阵列识别定位声源三维坐标。本发明的优点在于能借助伞型阵列消除阵列前侧或后侧的伪声源,突破由于二维平面阵列的局限性造成的前后模糊。以HPWB(即3dB带宽,其物理意义就是功率在减少到一半之前的频带宽度,表示在该带宽内集中了一半的功率)作为评价指标,伞形可重组三维传声器阵列在X、Y轴方向上对声源的识别定位效果要明显好于轮辐阵列。
【IPC分类】G01S5/22
【公开号】CN105629202
【申请号】CN201610167600
【发明人】丁浩, 吴化平, 陈恒, 张征
【申请人】浙江工业大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年3月23日
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