一种测量多源运动声场的非规则声阵列搭建方法与流程

本发明属于声阵列测试的技术领域，尤其涉及一种测量多源运动声场的非规则声阵列搭建方法。

背景技术：

交通噪声是城市声环境的主要污染源。随着交通强度、交通车辆持有量和道路网络的增加扩展，交通噪声级在逐渐增强。行驶车辆噪声是由多个声源(发动机、车身、轮胎等)的声辐射叠加而成，呈现多源、宽频、非连续性和与运动高度耦合的特征。这类多源运动噪声不仅危害比持续噪声严重，而且测量技术方面，多源运动声场相比于静止声场测量困难。因此，多源运动声场测量已成为声学测试研究亟待解决的问题，同时也是进行城市规划和声环境治理的关键。

目前，多源运动声场广泛应用声阵列方法进行测量，但是声阵列方法存在测试精度低、声场重构难、阵列尺度大、经济性差等问题。若能够提高声阵列的声场分辨力和阵列的处理增益，缩减阵列尺度，必将大幅度改善交通噪声这类多源运动噪声的测量，提高此类测试的附加值，同时降低测试成本，促进声学测量快速发展。

随着阵列理论与信息处理技术的发展，改变声阵列结构以提高其测量性能和优化结构尺度，已成为阵列测量技术亟待解决的难题。在现有技术中，针对多源运动声场的声阵列测量，国内外学者从阵列结构形式选择、阵列配置优化、阵列信号处理等方面进行深入研究，分别提出各具特点的测试方法。然而，运动声场的声阵列测试理论研究还不够完善，研究成果相对较少，尤其针对多源运动声场的声阵列研究更少。因此，开展多源运动声场的声阵列搭建方法研究不仅具有重要的理论意义和工程应用价值，而且具有显著的社会意义与经济效益。目前国内外声阵列测量多源运动声场存在以下问题：

(1)声阵列的多声源空间分辨精度低：

因多源运动声源辐射声场的特殊性，声阵列测量性能受声阵列模式混叠、阵元互耦和旁瓣影响，不能清晰分辨出相距较近的多个噪声源，相干声源分辨力低，定位准确性差；

(2)非规则声阵列的虚假声源抑制性和波束稳健性差：

非规则声阵列的辐射模式中旁瓣变得复杂，虚假声源的抑制性变差；波束的稳健性受测量声源的频率影响大，测量频率越宽，波束形成及其稳健性保证就越难；

(3)非规则声阵列结构随机搭建效率和经济性差：

阵列麦克风位置多由经验、优化或统计方法获取，找出一个合理的阵列配置，即阵列麦克风位置优化，计算计算量大、效率低、搭建盲目性强且成本高。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，克服现有测量多源运动声场的声阵列的多声源空间分辨精度低、虚假声源抑制性和波束稳健性差、非规则声阵列结构随机搭建效率和经济性差等问题，提供一种测量多源运动声场的非规则声阵列搭建方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种测量多源运动声场的非规则声阵列搭建方法，包括以下步骤：

(1)：选择基础声阵列的结构形式，测量多源运动声场的频率，根据测量频率范围将基础声阵列进行非规则网格划分，生成网格点的数学模型作为非规则网格基础声阵列；

(2)：设置声阵列结构滤波条件，将步骤(1)中得到的非规则网格基础声阵列划分区域，根据设置的声阵列结构滤波条件对划分出的各个区域进行网格点的筛选，筛选出的网格点用于放置传声器，筛选出的网格点的数学模型作为非规则网格候选声阵列；

(3)：根据设定的性能参数和筛选准则，对步骤(2)中的候选阵进行性能筛选，获取目标声阵列。

优选的，所述步骤(1)中选择同轴圆环阵列为基础声阵列的结构形式。

优选的，所述步骤(1)中根据频率范围将基础阵列进行非规则网格划分是基于多源运动声场的声阵列测量和孔径理论，推导出了非规则网格的划分方法，具体步骤包括：

(1-1)：根据测量多源运动声场的频率范围确定基础声阵列孔径的大小，即同轴圆环阵列的环数和最大环半径；

(1-2)：根据阵列测量运动声源及抗空间混叠和栅瓣性能要求，获得非规则网格的周向尺寸和径向尺寸。

(1-3)：依据步骤(1-2)中获得的非规则网格的周向尺寸和径向尺寸对同轴圆环阵列进行网格划分，周向与径向的交叉点为网格点。

优选的，所述步骤(2)中所述划分区域的方法为采用均一概率密度分布，将所述非规则网格基础声阵列面等面积划分区域，所述非规则网格基础声阵列中的网格点等量分配至各个划分出的区域。

优选的，所述步骤(2)中根据设置的声阵列结构滤波条件对划分出的各个区域由伪随机法随机筛选出一定数量的网格点。

优选的，所述声阵列结构滤波条件包括：

(1)保证非规则网格基础声阵列的环上的阵元数分布符合统计比例，且避免阵元位置的规则性。

(2)规定非规则网格基础声阵列同一区域不同环的阵元数和同环相邻阵元的角度差的大小，以保证大阵列孔径和宽频测量范围。

优选的，所述声阵列结构滤波条件(1)通过限制第i环上的阵元数P_i、阵元极角数Q_i及阵元极角差实现：

第i环上的阵元数其中，N_i代表第i环上的网格点数，J代表区内网格点数，S代表区内阵元数；

第i环上的阵元极角数其中，N_i代表第i环上的网格点数，J代表区内网格点数，S代表区内阵元数；

将随机生成的阵元位置分区极角转化为以极轴正向为起点的坐标极角，形成阵元的极角矩阵其表示第k区不同环的阵元极角，将矩阵ψ的列向量两两相减，得到一个方阵；然后将该方阵与主对角线为2π其他元素为0的同规模方阵相加，构成一个元素均不为零的阵元极角差方阵Ψ，则方阵中所有元素满足：

其中，Ψ_pq代表阵元极角差，C代表阵列分区数，J代表区内网格点数，p代表第p区域，且p＝1,2,…C，q代表第q区域，且q＝1,2…C；

限制同区域(p＝q)和不同区域(p≠q)的阵元位置。

优选的，所述声阵列结构滤波条件(2)依据阵元分布扩散性和不同环网格点的分配方式，规定不同环的阵元数由内而外依次增加，同时限制同环上相邻阵元极角差，即：

极角矩阵ψ的行向量表示同一环不同阵元的极角分布。设第i环阵元极角向量让向量中后列减前列，即第i列减第i-1列，构成同环相邻阵元的极角差向量使其所有元素均不相等。

优选的，所述步骤(3)中所述设定性能参数指主瓣宽度和旁瓣抑制比。

优选的，所述步骤(3)中所述筛选准则为：主瓣最窄，相同主瓣宽度，旁瓣级最小。

优选的，所述步骤(3)中获取目标声阵列后对目标声阵列波束稳健性进行评价，即以测量频段内旁瓣随着测量频率的变化。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用同轴圆环阵列非规则网格的等分区方式，减少了测量盲目性，可保证有效测量孔径大，测量频率宽，同时将阵列的随机生成过程转化为位置点极坐标矩阵的运算，位置收索速度快，针对性强；

(2)本发明依据结构滤波，可在目标阵生成之初，滤出阵列性能差的阵列结构，大大降低生成速度，增强了阵列测量性能，提高其经济性；

(3)本发明设定阵列性能参数主瓣宽度和旁瓣抑制比，可在候选阵中快速准确找出符合性能要求的阵列结构，同时生成阵列的指向性波束，即生成阵列的稳健波束，且在其他非声能量集中方向上，快速衰减，保持鲁棒性，大幅度提高生成速度和效率；

(4)本发明步骤(1)到步骤(3)，三步生成法相互联系又相互独立，便于实现结构和性能优化条件的精确单独控制；同时可针对不同声源类型及频率特征，修改相应约束和参数，提高了该方法应用的普适性和适用性。

附图说明

图1是本发明的整体方法流程图；

图2是实施例1非规则网格点和阵列面分区示意图；

图3是实施例1非规则声阵列结构示意图；

图4是实施例1非规则声阵列主瓣与旁瓣关系图；

图5是实施例1非规则声阵列模式三维波束示意图；

图6是实施例1非规则声阵列波束旁瓣频率变化图；

图7是实施例2非规则网格点和阵列面分区示意图；

图8是实施例2非规则声阵列结构示意图；

图9是实施例2非规则声阵列主瓣与旁瓣关系图；

图10是实施例2非规则声阵列模式三维波束示意图；

图11是实施例2非规则声阵列波束旁瓣频率变化图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种测量多源运动声场的非规则声阵列搭建方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)：选择基础声阵列的结构形式，测量多源运动声场的频率，根据测量频率范围将基础声阵列进行非规则网格划分，生成网格点的数学模型作为非规则网格基础声阵列；

(2)：设置声阵列结构滤波条件，将步骤(1)中得到的非规则网格基础声阵列划分区域，根据设置的声阵列结构滤波条件对划分出的各个区域进行网格点的筛选，筛选出的网格点用于放置传声器，筛选出的网格点的数学模型作为非规则网格候选声阵列；在下述实施例中所述传声器均采用麦克风；

(3)：根据设定的评价原则，对步骤(2)中的候选阵进行性能筛选，获取目标阵列；所述评价原则包括性能参数和筛选准则。

所述步骤(1)基于运动声场的声阵列测量和孔径理论，推导了非规则网格的划分依据、原则和规划方案；

所述步骤(1)中的所述运动声场的声阵列测量是指采用波束形成技术进行运动声场的测量，基于多源运动声场的声辐射特征、波束形成和阵列结构性能间的关系，给出基础圆环阵非规则网格划分定量依据，并结合孔径理论确定网格划分方案。

所述步骤(1)的具体步骤包括：

(1-1)：选择同轴圆环阵列为基础声阵列的结构形式；

(1-2)：根据测量多源运动声场的频率范围确定基础声阵列孔径的大小，即同轴圆环阵列的环数和最大环半径；设阵列测量入射波的最小和最大波长分别为λ_min和λ_max。阵列孔径为P个半波长入射波，它表示阵列可测量频率范围内任意波长数量为P/2个，P取整数。

(1-3)：根据阵列测量运动声源及抗空间混叠和栅瓣性能要求，获得非规则网格的周向尺寸和径向尺寸。在同轴圆环阵上采用周向等间隔、径向非等间隔的方式进行非规则网格划分。进一步为抑制阵列栅瓣，周向间隔d、径向第1环半径ρ₁、最外环半径ρ_out和相邻环半径差ρ_Δ，满足：

0.25≤d≤0.5

ρ₁＝λ_min/2

ρ_out＝Pλ_max/2

0.5≤ρ_Δ＜1

上述参数均以波长为单位。

(1-4)：依据步骤(1-3)中获得的非规则网格的周向尺寸和径向尺寸对同轴圆环阵列进行网格划分，周向与径向的交叉点为网格点。由此构建非规则网格及网格点。

每个网格点均可成为阵元的布置位置，利用极坐标生成每个网格点的极径和极角，所有网格点形成相应极径矩阵和极角矩阵。

所述步骤(2)中所述划分区域的方法为采用均一概率密度分布，将所述非规则网格基础声阵列面等面积划分区域，所述非规则网格基础声阵列中的网格点等量分配至各个划分出的区域。

所述步骤(2)具体包括以下步骤：

(2-1)：设置声阵列结构滤波条件；

(2-2)：针对步骤(1)获取的非规则网格基础声阵列面进行等面积区域划分，各个区域等数量分配网格点；

(2-3)：在各个区域筛选2个网格点放置阵元，总阵元数量。

(2-4)：根据步骤(2-1)中设置的所述声阵列结构滤波条件，由伪随机生成筛选出满足滤波条件的候选阵结构；

(2-5)：从基础阵网格点的极径、极角矩阵中生成阵元位置的极径、极角矩阵，获取候选阵数学模型作为非规则网格候选声阵列。

设需生成一个24阵元的非规则阵列，分区数为12，各分区内网格点12个，从中选出2个阵元位置。每个分区内的网格点编号依次1,2，…，8，使不同分区内相同位置的网格点编号相同，则生成的极径矩阵R为12*12维，其中每一列向量均为r_i＝(r₁,r₂,.r_j.,r₈)^T，向量中的元素r_j表示编号为j的网格点所在极径长度；同理生成极角矩阵Φ，极角矩阵Φ定义为每个区域中以逆时针为正方向的起始分区线到各阵元的旋转角度。则极径矩阵R和极角矩阵Φ依次表示为：

上述矩阵的列数表示分区数，行数表示每个区内网格点数。

所述步骤(2)中所述声阵列结构滤波条件包括：

(1)保证非规则网格基础声阵列的环上的阵元数分布符合统计比例，且避免阵元位置的规则性。

(2)规定非规则网格基础声阵列同一区域不同环的阵元数和同环相邻阵元的角度差的大小，以保证大阵列孔径和宽频测量范围。

优选的，所述声阵列结构滤波条件(1)通过限制第i环上的阵元数P_i、阵元极角数Q_i及阵元极角差实现：

第i环上的阵元数其中，N_i代表第i环上的网格点数，J代表区内网格点数，S代表区内阵元数；

第i环上的阵元极角数其中，N_i代表第i环上的网格点数，J代表区内网格点数，S代表区内阵元数；

将随机生成的阵元位置分区极角转化为以极轴正向为起点的坐标极角，形成阵元的极角矩阵其表示第k区不同环的阵元极角，将矩阵ψ的列向量两两相减，得到一个方阵；然后将该方阵与主对角线为2π其他元素为0的同规模方阵相加，构成一个元素均不为零的阵元极角差方阵Ψ，则方阵中所有元素满足：

其中，Ψ_pq代表阵元极角差，C代表阵列分区数，J代表区内网格点数，p代表第p区域，且p＝1,2,…C，q代表第q区域，且q＝1,2…C；

限制同一区域(p＝q)和不同区域(p≠q)的阵元位置。

所述声阵列结构滤波条件(2)依据阵元分布扩散性和不同环网格点的分配方式，规定不同环的阵元数由内而外依次增加，同时限制同环上相邻阵元极角差，即：

极角矩阵ψ的行向量表示同一环不同阵元的极角分布。设第i环阵元极角向量让向量中后列减前列，即第i列减第i-1列，即第3列减第2列，第4列减第3列，依次类推，至第1列减第C列，构成同环相邻阵元的极角差向量使其所有元素均不相等，以满足所述声阵列结构滤波条件(2)。

同时满足上述2个约束条件的阵列结构称为候选阵，可形成大量候选阵。这些候选阵的数学模型即极径、极角矩阵可从同轴圆环非规则网格点的极径矩阵R和极角矩阵Φ中产生，即：

所述步骤(3)中所述设定性能参数指旁瓣抑制比和主瓣宽度。

所述步骤(3)中所述筛选准则为：主瓣最窄，相同主瓣宽度，旁瓣级最小。

(1)旁瓣抑制比r_sp：

r_sp＝20lg(h_p/h_s)

经大量仿真分析的统计得出：

式中，h_p为主瓣宽度峰值，h_s为最大旁瓣峰值，M为阵列中阵元个数。

(2)主瓣宽度

以3dB主瓣宽度为主瓣评价参数。它受阵列孔径影响显著，可由阵列分区数C控制。二维阵列孔径可表述为阵列面上阵元距离阵列中心的平均散开程度。定义阵元扩散度a描述，表示为：

N为阵元数，(x_i,y_i,z_i)为第i阵元位置，(x₀,y₀,z₀)为阵列形心，即：

由24阵元随机阵的数值仿真分析，得出分区数C和扩散度a对主瓣和旁瓣分布的影响。随分区数增加，阵元扩散度增加，主瓣宽度分布范围缩小，窄主瓣阵列结构的数量增多，旁瓣抑制比值分布范围变化不大。由此比较选出24阵元随机阵的分区数为12。

所述步骤(3)中获取目标声阵列后对目标声阵列波束稳健性进行评价，即以测量频段内旁瓣随着测量频率的变化。

实施例1：

本实施例为一种测量两个声源运动声场的非规则圆环声阵搭建方法，如图2-图6所示，本实施例测量两个声源的非规则阵搭建如下：

滤波条件：测量出的两声源频率分别为800-1000Hz和2000-2600Hz宽频，取圆环声阵列为基础网格阵，网格点尺寸周向1/4波长，径向环半径分别为：0.5，1.0，2.0，2.5个波长，环数设为4环，阵元数为24个，中心设置1个阵元，共25个阵元，阵元类型一致。

(1)根据测量的声源频率，将目标声源区域沿极轴逆时针进行网格划分和等面积分区，分区数为12个，每个区可供选择的位置数为12个，设定每个分区仅选择2个位置点为阵元位置，各环上的阵元数分别为：2，4，8，10个，如图2所示。

(2)根据阵列结构优化参数，在各分区中随机生成一定数量的候选矩阵。

(3)根据设定性能参数和筛选准则，对步骤二中的候选阵进行性能筛选，获取目标声阵列，如图3所示。如图4所示，依据阵列波束主、旁瓣关系得出性能参数：主瓣宽度为12度，旁瓣抑制比为14dB；且获得相应波束，如图5所示。

波束稳健性的频率测量，即测量频段内阵列波束旁瓣随频率的变化，如图6所示。

实施例2：

本实施例为一种测量三个声源运动声场的非规则圆环声阵搭建方法，如图7-图11所示，本实施例测量三个声源的非规则阵搭建如下：

滤波条件：识别三个声源频率分别为800Hz，1500Hz，2000-2500Hz，阵元取非规则圆环阵为基础网格阵，网格点尺寸周向1/2波长，径向环半径分别为：0.5，1.0，1.6，2.4个波长，环数设为4环，阵元数为24个，中心设置1个阵元，共25个阵元，阵元类型一致。

(1)根据声源频率，将目标声源区域沿极轴逆时针进行网格划分和等面积分区，分区数为8个，每个区可供选择的位置数为10个，设定每个分区仅选择2个位置点为阵元位置，各环上的阵元数分别为：2，4，6，12个，如图7所示。

(2)根据阵列结构优化参数，在各分区中随机生成一定数量的候选矩阵：

(3)根据设定性能参数和筛选准则，对步骤二中的候选阵进行性能筛选，获取目标声阵列，如图8所示。如图9所示，依据阵列波束主、旁瓣关系得出性能参数：主瓣宽度：12度，旁瓣抑制比：14dB；且获得相应波束，如图10所示。

波束稳健性的频率测量，即测量频段内阵列波束旁瓣随频率的变化，如图11所示。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用同轴圆环阵列非规则网格的等分区方式，减少了测量盲目性，可保证有效测量孔径大，测量频率宽，同时将阵列的随机生成过程转化为位置点极坐标矩阵的运算，位置收索速度快，针对性强；

(2)本发明依据结构滤波，可在目标阵生成之初，滤出阵列性能差的阵列结构，大大降低生成速度，增强了阵列测量性能，提高其经济性；

(3)本发明设定阵列性能参数主瓣宽度和旁瓣抑制比，可在候选阵中快速准确找出符合性能要求的阵列结构，同时生成阵列的指向性波束，即生成阵列的稳健波束，且在其他非声能量集中方向上，快速衰减，保持鲁棒性，大幅度提高生成速度和效率；

(4)本发明步骤(1)到步骤(3)，三步生成法相互联系又相互独立，便于实现结构和性能优化条件的精确单独控制；同时可针对不同声源类型及频率特征，修改相应约束和参数，提高了该方法应用的普适性和适用性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。