专利名称：一种双向螺旋分布的多模式立体传声器阵列的制作方法
技术领域：
本发明属于声学测量传声器阵列领域，尤其是一种双向螺旋分布的多模式立体传声器阵列。
背景技术：
传声器阵列对噪声测量的声像分离频率下限与无虚像测量频率上限是一对矛盾的指标，前者是由阵列的分辨能力决定，传声器阵列所能够分辨出两个声源的最低频率，其理论值是频率下限对应的波长应小于阵列孔径，后者是由阵列的最小阵元间距决定的，定义为在摄像头视角范围内不出现虚像的最高频率，其理论值是频率上限对应的波长不小于最小间距。由于声像分离辨率下限是由阵列的孔径决定的，而无虚像频率上限是由阵上传感器的密度决定的，因而存在三个互相关联的问题:(1)为了降低可分离的频率下限，需要扩大阵列的孔径，进而将阵列做的很大；(2)由于阵列上传感器的数量有限，在扩大孔径后，传感器的密集度降低导致间距扩大，进而使阵列对高频声音的成像测量频率上限降低，当测量高频时，容易出现虚像；(3)平面阵分不清前后，导致了一般的平面螺旋阵在使用中受到了很多局限。目前所有的传感器阵列产品，包括丹麦B&K公司比萨饼阵、比利时LMS公司的MON-SN型三环形阵、德国GiFi公司环形阵、德国BBM公司的平面螺旋阵、德国HeadAcoustic的平面螺旋阵列、挪威Nor Sonic公司的Nor848平面阵、美国Acoustic Camera公司48channel Ring Array、法国ACB公司的AcVs型阵、韩国SM Instruments公司的平面螺旋阵、法国CAE公司的48元螺旋立体阵、北京声望公司的平面螺旋阵和支条阵、中国科学院声学研究所的InSYS2010型平面螺旋阵、北京世纪思创声学技术有限公司的8 X 8平面矩形阵、广州章和公司的IOX 10平面矩形阵、北京东方振动和噪声研究所的5X5平面矩形阵、北京神洲普惠公司的36元平面螺旋阵、北京大学的平面阵螺旋阵实验装置、清华大学的矩形阵实验装置、西工大的环形阵实验装置等国内外平面阵型产品，都没有做到既降低声像分离频率下限到200Hz，又能使无虚像频率上限达到20kHz。美国专利US6473514B1公开了一`种可折叠的均匀分布的直线阵列，其类似多节鞭状结构，阵型简单，定位功能不强，也不具有多种折叠的工作状态，折叠主要是为了方便运输。W02008/040991A3公开了一种利用多感器立体折叠分布的球谐函数接收方法来获得空间宽频带声场的精确声压值的阵列，该阵列的特点是阵元传感器无指向性，而阵列并非形成了一定的空间增益，不能实现对声源的成像检测。综上所述，现有的传声器阵列都是相对固定的形态，没有多模式可变立体传声器阵列，不能同时针对空间二维声场和三维声场的测量而兼顾扩大孔径和提高阵元密集度的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构稳定、形式多变、精度高、测量频率范围宽、具有全空间分辩能力、能够获得不同景深的声像图的双向螺旋分布的多模式立体传声器阵列。本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的:—种双向螺旋分布的多模式立体传声器阵列，包括主框、侧翼和阵元节点，所述的侧翼可前后折叠地安装在主框侧边上，所述主框和侧翼为平面刚性支架组合，所述的阵元节点安装在以中心点为圆心的八条逆时针旋转的螺线、四条顺时针旋转的螺线上以及两种螺线的交叉点上。而且，所述的阵元节点的数量为80个，每条逆时针螺线和每条顺时针旋转螺线上均有8个阵元，所有阵元节点均安装在平面刚性支架的边沿上。而且，所述的阵元节点包括阵元传声器、阵元底座放大器、阵元安装绝缘环、阵元安装锁紧螺套和阵元信号线，阵元传声器安装在阵元底座放大器上，该阵元底座放大器通过阵元安装绝缘环和阵元安装锁紧螺套安装在平面阵列刚性支架上设有的安装孔内，所述的阵元信号线穿过阵元安装锁紧螺套的内孔被引出。而且，所述的侧翼的数量为1、2、3、或4个。而且，所述的侧翼通过三折铰链与主框相连接，在主框前侧的平面阵列刚性支架上安装有前折叠固定立柱并通过折叠刚性撑杆与侧翼相连接，在主框后侧的平面阵列刚性支架上安装有后折叠固定立柱并通过折叠刚性撑杆与侧翼相连接，通过不同长度的折叠刚性撑杆使侧翼与主框固定为不同的角度以实现至少9阵列工作模式。而且，所述主框的前侧中心位置安装有阵列摄像头，该阵列摄像头通过通过摄像头安装套安装在主框的中心孔内。而且，所述阵列摄像头周围的平面刚性支架上均布设有四个补光灯。而且，所述主框的 后侧中心位置通过四个中心支撑杆安装一主支撑盘，该主支撑盘通过四个斜拉支撑杆与主框的平面阵列刚性支架相连接，在主支撑盘的外侧连接一螺纹环，在该螺纹环上连接有活接，通过该活接连接一个主支撑管。而且，所述的阵元传声器为1/4英寸或1/2英寸测量传声器。而且，所述的平面阵列刚性支架的材料为铝合金、不锈钢或玻璃钢，或者其他能够保证阵列支架足够刚性能材料。本发明的优点和积极效果是:1、本传声器阵列为一种刚性支架宽度小于12mm的平展后呈双螺旋分布的阵列，平展后直径Im的阵列的阵体在平面内的占空比只有13%，平展后直径2m阵列的阵体在平面内的占空比只有6%，因此对声场测量的影响小到可忽略。在此基础上，通过折叠阵列可以实现多种不同形式的阵列，实现了多种模式的立体阵列，既可以使其能够区分前后，又能够实现对高频声音的可分离测量分析。2、本传声器阵列的阵元传声器的位置有两种互为反向的螺旋线分布，有利于提高探测精度，减小虚像。3、本传声器阵列具有九种以上的工作模式，每一种形态的阵列具有各自的测量优势，平展形工作模式可以进行二维的声图像测量，折叠形成的立体阵列模式，可以进行三维的声成像测量，可对声源进行轴向精确定位。4、本传声器阵列的支架采用全刚性结构，三折铰链可保证折叠后结构稳固可靠，避免了阵型误差。
5、本传声器阵列的侧翼向后折叠成水平组合后，与主框叠压起来包装，可缩小尺寸，便于安装到包装箱内，方便携带运输。
图1是本发明的正面爆炸分布图；图2是本发明的背面爆炸分布图；图3是本发明的阵元节点的爆炸分布图；图4是本发明的主框与侧翼的安装关系示意图；图5是本发明第一种模式的主视图(a)和后视图(b)；图6是本发明第二种模式的主视图(a)和后视图(b)；图7是本发明第三种模式的主视图(a)和后视图(b)；图8是本发明第四种模式的主视图(a)和后视图(b)；图9是本发明第五种模式的主视图(a)和后视图(b)；图10是本发明第六种模式的主视图(a)和后视图(b)；图11是本发明第七种模式的主视图(a)和后视图(b)；
图12是本发明第八种模式的主视图(a)和后视图(b)；图13是本发明第九种模式的主视图(a)和后视图(b)；图14是本发明在第一种工作模式下的阵元与螺线分布关系示意图；图15是本发明在第二种工作模式下的的阵元与螺线分布关系示意图；图16是本发明的第一种模式和第二种模式对Im距离处的2kHz声音的探测波束对比；图17是本发明的第一种模式(a)和第二种模式(b)对Im距离处的2kHz声音的成像对比图；图18是本发明的第一种模式和第二种模式对Im距离处的6kHz声音的探测波束对比；。图19是本发明的第一种模式(a)和第二种模式(b)对Im距离处的6kHz声音的成像对比图；图20是本发明的第一种模式和第二种模式对Im距离处的IOkHz声音的探测波束对比；图21是本发明的第一种模式(a)和第二种模式(b)对Im距离处的IOkHz声音的成像对比图；图22是九种模式阵列对30cm距离处的2kHz声音的全方向探测指向对比性图；图23是九种模式阵列对30cm距离处的6kHz声音的全方向探测指向对比性图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明做进一步详述。一种双向螺旋分布的多模式立体传声器阵列，如图1至图3所示，包括主框9、四个侧翼10以及安装在主框和侧翼上的阵元节点，所述的四个侧翼可前后折叠地安装在主框周围。所述的主框和侧翼均由平面刚性支架8组合构成，主框与四个侧翼的具体连接关系为:主框外侧通过三折铰链11与四个侧翼连接在一起，该三折铰链通过插销15相固定。在主框前侧的平面阵列刚性支架上对称安装有四个前折叠固定立柱16并通过折叠刚性撑杆21与侧翼相连接；在主框后侧的平面阵列刚性支架上对称安装有四个后折叠固定立柱14并通过折叠刚性撑杆21与侧翼相连接。在主框的前侧中心通过摄像头安装套6安装一阵列摄像头5，该中心位置为阵列的中心，其光学面为阵列的坐标的基本面。在主框前侧的平面阵列刚性支架的四个对称位置上安装有4个补光灯7，用于在较暗环境下增加亮度。在主框的后侧中心位置通过四个中心支撑杆12安装一个主支撑盘17，四个中心支撑杆与主支撑盘垂直连接固定；在主支撑盘的外侧安装有一个主支撑管20，其具体连接关系为:主支撑盘的外侧连接一螺纹环18，在该螺纹环上连接有活接19，通过该活接与主支撑管相连接，在主支撑盘四周均布设有四个斜拉支撑杆13，四个斜拉支撑杆的另一端固定在主框的平面阵列刚性支架上。在本实施例中，平面阵列刚性支架的宽度为12mm左右，厚度6mm，可采用铝合金、不锈钢、玻璃钢等材料制作，当采用钢时宽度可减小到5_，甚至更小，也可以采用其他能够保证阵列支架具有足够刚性能材料。主框和侧翼的平面刚性支架上共安装有80个阵元节点，这些阵元节点位于以中心点为圆心的八条逆时针旋转的螺线、四条顺时针旋转的螺线上以及两种螺线的交叉点上，每条逆时针螺线和 每条顺时针旋转螺线上均有8个阵元节点，两种螺线上的阵元有部分重叠。如图4所示，每个阵元节点包括阵元传声器1、阵元底座放大器2、阵元安装绝缘环
3、阵元安装锁紧螺套4和阵元信号线，所述的阵元传声器I安装在阵元底座放大器上，该阵元底座放大器通过阵元安装绝缘环和阵元安装锁紧螺套安装在平面阵列刚性支架上设有的安装孔内，阵元信号线穿过阵元安装锁紧螺套的内孔被引出，阵元节点数量可根据实际应用减少。阵元传声器采用带有阵元底座放大器的1/4英寸或1/2英寸测量传声器，阵元节点的总高度约25mm。四个侧翼可前后折叠形成多种工作模式，如图5至图13是常用的九种工作模式，下面以直径为I米的立体传声器阵列进行说明:第一种工作模式，如图5所示，四个侧翼水平展开并将插销插进三折铰链的孔内固定，形成第一种工作模式。第一种工作模式的阵元布局如图14所示，逆时针的螺线上阵元从阵中心向外发散排列的编号依次为:第一条有S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，第二条有S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15，第三条有 S16、S17、S18、S19、S20、S21、S22、S23，第四条有 S24、S25、S26、S27、S28、S29、S30、S31，第五条有 S32、S33、S34、S35、S36、S37、S38、S39，第六条有 S40、S41、S42、S43、S44、S45、S46、S47，第七条有 S48、S49、S50、S51、S52、S53、S54、S55，第八条有S56、S57、S58、S59、S60、S61、S62、S63 ;顺时针的螺线上阵元从阵中心向外发散排列的编号依次为:第一条有S69、S25、S68、S17、Sll、S66、S67、S6，第二条有S73、S41、S72、S33、S27、S70、S71、S22，第三条有 S77、S57、S76、S49、S43、S74、S75、S38，第四条有S65、S9、S64、S1、S59、S78、S79、S54。四条顺时针螺线和八条逆时针螺线中有部分阵元节点是交叉的。平展后直径Im阵的四个侧翼完全展开后，阵元坐标如下表所示:
权利要求
1.一种双向螺旋分布的多模式立体传声器阵列，其特征在于:包括主框、侧翼和阵兀节点，所述的侧翼可前后折叠地安装在主框侧边上，所述主框和侧翼为平面刚性支架组合，所述的阵元节点安装在以中心点为圆心的八条逆时针旋转的螺线、四条顺时针旋转的螺线上以及两种螺线的交叉点上。
2.根据权利要求1所述的一种双向螺旋分布的多模式立体传声器阵列，其特征在于:所述的阵元节点的数量为80个，每条逆时针螺线和每条顺时针旋转螺线上均有8个阵元，所有阵元节点均安装在平面刚性支架的边沿上。
3.根据权利要求1或2所述的一种双向螺旋分布的多模式立体传声器阵列,其特征在于:所述的阵元节点包括阵元传声器、阵元底座放大器、阵元安装绝缘环、阵元安装锁紧螺套和阵元信号线，阵元传声器安装在阵元底座放大器上，该阵元底座放大器通过阵元安装绝缘环和阵元安装锁紧螺套安装在平面阵列刚性支架上设有的安装孔内，所述的阵元信号线穿过阵元安装锁紧螺套的内孔被引出。
4.根据权利要求1所述的一种双向螺旋分布的多模式立体传声器阵列，其特征在于:所述的侧翼的数量为1、2、3、或4个。
5.根据权利要求1所述的一种双向螺旋分布的多模式立体传声器阵列，其特征在于:所述的侧翼通过三折 铰链与主框相连接，在主框前侧的平面阵列刚性支架上安装有前折叠固定立柱并通过折叠刚性撑杆与侧翼相连接，在主框后侧的平面阵列刚性支架上安装有后折叠固定立柱并通过折叠刚性撑杆与侧翼相连接，通过不同长度的折叠刚性撑杆使侧翼与主框固定为不同的角度以实现至少9阵列工作模式。
6.根据权利要求1所述的一种双向螺旋分布的多模式立体传声器阵列，其特征在于:所述主框的前侧中心位置安装有阵列摄像头，该阵列摄像头通过摄像头安装套安装在主框的中心孔内。
7.根据权利要求6所述的一种双向螺旋分布的多模式立体传声器阵列,其特征在于:所述阵列摄像头周围的平面刚性支架上均布设有四个补光灯。
8.根据权利要求1所述的一种双向螺旋分布的多模式立体传声器阵列，其特征在于:所述主框的后侧中心位置通过四个中心支撑杆安装一主支撑盘，该主支撑盘通过四个斜拉支撑杆与主框的平面阵列刚性支架相连接，在主支撑盘的外侧连接一螺纹环，在该螺纹环上连接有活接，通过该活接连接一个主支撑管。
9.根据权利要求1所述的一种双向螺旋分布的多模式立体传声器阵列，其特征在于:所述的阵元传声器为1/4英寸或1/2英寸测量传声器。
10.根据权利要求1所述的一种双向螺旋分布的多模式立体传声器阵列，其特征在于:所述的平面阵列刚性支架的材料为铝合金、不锈钢或玻璃钢及其他能够保证阵列具有较好刚性的材料。
全文摘要
本发明涉及一种双向螺旋分布的多模式立体传声器阵列，其技术特点是包括主框、侧翼和阵元节点，所述的侧翼可前后折叠地安装在主框侧边上，所述主框和侧翼为平面刚性支架组合，所述的阵元节点安装在以中心点为圆心的八条逆时针旋转的螺线、四条顺时针旋转的螺线上以及两种螺线的交叉点上。本发明的侧翼做前后折叠时可形成至少9种稳定的且性能优良的阵列，阵元分布采用双向螺旋，阵元坐标精确度高且不易变化，对声源定位的精度高、虚像小；除第一种模式外的其他8种模式阵列均具有一定的三维声源定位能力，可适用于对不同噪声源分布形状的设备进行测量；同时，侧翼向后折叠成水平组合后，与主框叠压起来包装，便于安装到包装箱内，方便携带运输。
文档编号H04R5/027GK103227971SQ20131000660
公开日2013年7月31日 申请日期2013年1月8日 优先权日2013年1月8日
发明者杨璐馨, 肖颖, 刘迎新 申请人:中科声相(天津)科技有限公司