一种基于矢量传声器阵列的低频噪声源定位装置及方法与流程

本发明属于噪声源定位和阵列信号处理技术领域，特别涉及一种基于矢量传声器阵列的低频噪声源定位装置及方法。

背景技术：

随着电网建设快速发展，变电站噪声问题日益突出。与此同时，社会各界对环保提出的要求也越来越高，变电站噪声治理问题已经成为电力行业环保新热点。

噪声治理方式可以分为三类：控制噪声源、控制传播途径和保护接收者，这三者中控制噪声源是最为有效的方式；控制噪声源的方式需要测量变电站设备噪声源的位置。变电站噪声是20hz到20khz频率的宽带噪声，频谱由连续谱和离散谱两种成分组成，其中离散频率是以50hz为基频的整数离散频率组成，而连续谱主要由风噪声和变压器设备机械振动所产生的低频噪声和周围环境产生的高频噪声组成；其中，对低频噪声源的治理尤为关键。

噪声源定位测量方法主要有传统噪声源定位识别方法和阵列信号处理方法。

传统噪声源定位识别方法主要有主观评价法和声强测量法等。主观评价法是通过人的听觉系统来区分不同的声音，根据经验主观判断声源的位置和频率。这种方法带有很强的主观性，因人而异，不能做到精确测量。声强测量法是利用声强探头的方向特性来进行的；声强测量探头可以区分声波的入射方向，从而确定声波的入射方向，确定噪声位置。这种方法对单一声源效果较好，但是对于复杂复合声源，测量效果就很差；变电站周围声场复杂，非单一声源，很显然传统噪声源定位方法不适合。

阵列信号处理方法可以分为常规波束形成法和高分辨波束形成法。常规波束形成方法是利用声压传声器阵列对空间噪声场进行采样，然后根据不同阵元接收到信号的时间延迟信息对每个传声器接收到的数据进行相位补偿，从而得到噪声源位置。此种方法要求阵列孔径与声源波长相当，阵元间距小于等于波长的一半；由于低频声源波长较大，因此需要的阵列孔径也比较大，一般需要合成孔径实现孔径扩展，但实现合成孔径方法操作复杂。高分辨波束形成方法采用声压传声器对空间噪声场进行采样，然后利用mvdr、music等高分辨方法对接收数据进行处理。此种方法的缺点是对阵元位置比较敏感以及稳定性较差。

综上，亟需一种新型的噪声源定位测量装置及方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于矢量传声器阵列的低频噪声源定位装置及方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明采用矢量传声器阵列能够实现低频噪声源的定位，同时可提高低频噪声源的定位精度。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于矢量传声器阵列的低频噪声源定位装置，包括：

运载车，用于实现所述低频噪声源定位装置的整体移动；

多个矢量传声器，用于采集待测区的噪声信号；

图像采集模块，用于采集待测区的图片或视频信息；

工控机，用于根据所述多个矢量传声器获得的噪声信号和所述图像采集模块获得的图片或视频信息，将噪声能量分布与图片或者视频叠加起来，生成声音图片或者声音视频，显示待测区的噪声分布，获取低频噪声源位置。

本发明的进一步改进在于，还包括：数据采集模块和阵列支撑架；

所述阵列支撑架、所述数据采集模块和所述工控机均固定安装在所述运载车上；

所述多个矢量传声器固定安装在所述阵列支撑架上，所述多个矢量传声器呈网格阵列形式排布；所述多个矢量传声器的方向统一；每个矢量传声器的采集端均用于采集待测区的噪声信号，其信号输出端均与所述数据采集模块的信号输入端相连接，所述数据采集模块的信号输出端与所述工控机的信号输入端相连接；

所述工控机加载有噪声源分析算法程序，所述噪声源分析算法程序基于传声器阵列信号处理的波束形成方法编写。

本发明的进一步改进在于，低频噪声的频率范围为100～500hz。

本发明的进一步改进在于，所述多个矢量传声器呈正方形阵列形式排布。

本发明的进一步改进在于，所述阵列支撑架为可拆卸的镂空支撑架结构。

本发明的进一步改进在于，所述图像采集模块采用高清usb摄像机；所述数据采集模块采用nipxle数据采集系统。

本发明的进一步改进在于，使用时，在所述低频噪声源定位装置与待测区之间的地面上铺设有消声棉；使用时，所述低频噪声源定位装置与待测区的距离满足近场条件。

一种基于矢量传声器阵列的低频噪声源定位方法，包括以下步骤：

步骤1：通过矢量传声器阵列对待测区进行噪声采样；

步骤2：记在待测点处采集到的所有通道数据为x，根据所有通道数据x构造矢量阵列的数据协方差矩阵r；其中，数据协方差矩阵r的构造表达式为：r＝e(xx^h)；构造待测点处矢量传声器阵列的导向向量；

步骤3：根据步骤2获得的数据协方差矩阵和导向向量，求得待测点的能量，表达式为：p＝e(yy^h)＝w^hrw；其中，y＝w^hx；

步骤4：重复步骤2和步骤3直至遍历整个待测平面，获得待测平面的噪声分布，能量最高点作为低频噪声源的位置。

本发明的进一步改进在于，

步骤1中，所述矢量传声器阵列呈网格阵列形式排布；

步骤2中，导向向量的表达式为：

其中，w^(i,p),w^(i,x),w^(i,y),w^(i,z)分别表示第i个阵元的声压、振速x、振速y、振速z通道，r0表示待测点的坐标，rm表示第m个阵元的坐标，c表示空气中的声速，θm和表示以第m个阵元作为坐标原点时待测点的空间方位角和俯仰角。

本发明的进一步改进在于，所述矢量传声器阵列与待测区之间的地面上铺设有消声棉；所述矢量传声器阵列与待测区的距离满足近场条件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的定位装置通过将噪声能量分布与图片或者视频叠加起来，生成声音图片或者声音视频，显示待测区的噪声分布，获取低频噪声源位置；通过在消声室测试对比可知本发明的装置定位效果良好，对比常规声压阵列噪声源定位方法具有测量方便以及传声器数目少、成本低的优点。

进一步地，本发明的低频噪声源定位装置，包括：运载车、阵列支撑架、数据采集模块、图像采集模块、电源模块、工控机和多个矢量传声器，通过系统集成将设备所需模块整合，便于实现装置功能以及拆卸运输。其设置有多个矢量传声器，且方向统一并呈网格阵列形式排布，可以充分利用矢量传声器提供的声压与振速信息，实现对低频噪声源的精准定位。

进一步地，本发明中采用矢量传声器后，使定位装置的噪声测量范围为100hz-500hz，能够实现对具体范围低频声源定位。

进一步地，本发明中矢量传声器呈正方形网格式排列，使阵型相比十字阵、矩形阵、圆阵具有更好的性能。

进一步地，本发明中阵列支撑架采用可拆卸的镂空支撑架结构，减轻了阵列重量，方便运输。

进一步地，使用装置测量噪声时，在所述低频噪声源定位装置与待测区之间的地面上铺设有消声棉，可以有效降低噪声地面发射，抑制反射声对测量结果的干扰。

进一步地，使用装置测量噪声时，所述低频噪声源定位装置与待测区的距离满足近场条件，本装置分析算法基于近场聚焦波束形成编写，满足近场条件使测量结果更加准确。

本发明的定位方法，采用矢量传声器阵列波束形成方法，可以充分利用矢量传声器提供的声压与振速信息，实现对低频噪声源的精准定位。

附图说明

图1是本发明实施例中矢量传声器阵列系统的示意框图；

图2是本发明实施例中矢量传声器阵列系统的阵列结构示意图；

图3是本发明实施例中基于矢量传声器阵列的变压器、电抗器声源定位系统的软件各通道数据预览界面示意图；

图4是本发明实施例中基于矢量传声器阵列的变压器、电抗器声源定位系统的软件进行噪声源定位界面的示意图；

图5是消声室声压阵与矢量阵实验测试结果的对比示意图；图5的(a)为消声室常规声压传声器阵列对500hz测试声源定位结果示意图；图5的(b)为本发明的矢量传声器阵列对相同500hz声源定位结果示意图；

图2中，1为矢量传声器；2为照相机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

请参阅图1和图2，本发明实施例的一种基于矢量传声器阵列的低频噪声源高精度定位装置，可以用于变压器、电抗器声源定位，包括：矢量传声器阵列、阵列支撑履带车、数据采集系统、成像模块及其辅助设备。

矢量传声器阵列是由安装在阵列固定位置的矢量传声器1和直流电源组成。例如，矢量传声器1可以是由国内中电三所自主生产的传声器，用于对变电站、电抗器的低频声源采集定位，供电电源用于对矢量传声器进行供电。本发明阵列采用边长2米的正方形阵列；各个矢量传声器1在阵列上布置为5×5的均匀网格状；阵列上边中间位置安装有照相机2，用于拍摄被观测对象照片，如图2所示。

阵列支撑履带车由履带车和阵列支撑架组成；支撑履带车用于平稳移动矢量传声器阵列，采用电力驱动，遥控器控制行进。阵列支撑架用来将传声器阵列牢固安装在履带车上，同时阵列支撑架具有较大的空间，用于放置工控机、直流电源等系统其他设备。

具体的，数据采集系统包括4个采集板卡，每个采集板卡均通过通信电缆与矢量传声器阵列的每个传声器相连接，实现噪声信号的采集。

成像模块用于观察噪声源位置，噪声源分析算法模块(在matlab平台上进行编写，采用传声器阵列信号处理的波束形成方法，计算扫描平面上声能量分布并生成声能量分布图)，将被测目标实时噪声能量分布与现场图片或者视频叠加起来，生成声音图片或者声音视频，直观显示被测目标的噪声分布。

辅助设备包括电源线盘、鼠标、键盘以及显示器。电源线盘用来对显示器及采集系统供电，显示器、鼠标、键盘用于在现场操作和显示噪声分布情况。

具体的，矢量传声器阵列结构的设计：阵列整体采用2米×2米的正方形布局，正方形的中心安装有直径为0.7米的圆盘，为了减轻阵列重量，此圆盘做成中空环状，在正方形4个边上按照0.5米间距找到三个内点，然后分别从端点和三个内点向正方形中心方向引出支干，支杆到圆环环面进行截断固定，为了减轻重量的同时能够增加结构的稳定性，每两个支杆做成一个中空整体。矢量传声器阵列的各个传声器的布置位置为：在正方形左侧边上的两个端点和间隔0.5米的三个内点分别布置一个矢量传声器；将此5个点分别向右平移0.5米，在5个新点上布置5个矢量传声器，以此类推，直到正方形阵列的右边界布置完5个传声器(总计25个矢量传声器1)。

更具体的可以是，照相机2采用锐尔威视高清usb摄像机。履带车采用极创科技的履带车。传声器电源采用keysighte3634a直流电源。数据采集系统采用nipxl数据采集系统，该系统主要包括：嵌入式控制器和采集卡；嵌入式控制器选用nipxl控制器(配有intel(r)corei5-4400ecpu@2.70ghz2.70ghz处理器和双通道8g内存)，采集卡选用nipxle-4303动态信号采集模块(共4块，每块采集模板可进行32通道动态信号采集以及高精度频域测量)。

本发明的装置，采用矢量传声器阵列采集声场数据，矢量传声器1由传统的声压传感器和三个相互垂直的振速传感器组成，可提供更加完备的声场信息；其相对于常规波束形成技术，能够提供更高的空间分辨能力；同时，采用了较少的传声器数量(本发明可以是2～50个，常规的至少为63个)，可极大地降低成本；采用了较小的阵列孔径(可以是0.5～5m)，无需采用合成孔径的方法就能实现低频声源定位，操作便捷，效率较高。综上，本发明的装置采用正方形矢量传声器阵列使系统能够对低频噪声源具有良好的定位效果，对比声压常规波束形成方法具有测量方便以及传声器数目少的优点。

本发明实施例的一种利用上述矢量传声器阵列进行变压器、电抗器噪声源定位现场测量的安装及操作方法，其步骤如下：

步骤1，系统的搭建与连线：先将履带车开到测试区域，调整好位置，然后将传声器阵列固定到履带车支撑架上，然后将25个矢量传声器1装到阵列相应位置上，每个矢量传声器1都有方向，将其方向统一；例如，可以是振速x正方向水平，振速y正方向垂直，振速z正方向垂直于正方形阵列平面；将各个传声器与采集板卡通过通信线缆连接，将各个传声器与直流电源通过电源线连接；采用电源线盘给直流电源、工控机和显示器进行供电。

步骤2，系统工作状态检测：打开直流电源，观察直流电源的输出电压与电流是否正常(矢量传声器工作电压为12v，工作电流为50ma，所以直流电源输出要保证在12v，0.75a左右)；打开工控机，开启噪声测试软件进行在线采集，观察每个通道接收数据，检查所有传声器是否正常工作，检查每个矢量传声器声压和三个振速通道相位一致性，以及是否有传声器损坏，采集卡是否正常工作。

步骤3，阵列位置选择：矢量传声器阵列应该放在距离变压器较近的地方，由于此系统算法是基于近场条件设计的，因此间距应在保证安全的前提下满足近场条件，即其中d为测量距离，λ为声源波长，l为阵列孔径。传声器阵列中心应对准待测区域，以充分利用阵列扫描范围。由于变压器噪声源传播到传声器阵列时会有地面反射声也会被阵列接收，进而对分析结果产生干扰，在条件允许的情况下在变压器和阵列之间地面铺设消声棉。

步骤4，阵列校准：用于检测阵列接收数据的能量分布图是否与现场照片相对应。检测时采用将两个扬声器分别放在阵列前近场的左上和右下，分别开启两个扬声器，利用在线采集分析声音信号，实时输出声源定位结果，观察对两个扬声器的定位结果是否准确。

步骤5，噪声数据采集：进行现场噪声数据采集时，为了确保实验的有效性尽量减小人为干扰，数据测量需要留余足够的时间，同一个地点，测试多组数据。处理结果进行对比，若多组数据的定位结果相同，则结果有效。

步骤6，阵列拆除：先进行系统断电，然后将传声器及阵列有序拆除。

请参阅图3和图4，本发明实施例的一种基于矢量传声器阵列的低频噪声源高精度定位方法，包括以下步骤：

步骤1：将矢量传声器阵列在预先选定的位置处对噪声采样。

步骤2：记在选定测量点采集到的所有通道数据为x，将所有通道数据按照下式构造矢量阵列的数据协方差矩阵r，数据协方差矩阵r可按照下式求得，表达式为：

r＝e(xx^h)(1)。

步骤3：按照下式构造矢量传声器阵列的导向向量，表达式为：

其中，w^(i,p),w^(i,x),w^(i,y),w^(i,z)分别表示第i个阵元的声压、振速x、振速y、振速z通道，r0表示待测点的坐标，rm表示第m个阵元的坐标，c表示空气中的声速，θm和表示以第m个阵元作为坐标原点时待测点的空间方位角和俯仰角。

步骤4：由

p＝e(yy^h)＝w^hrw(3)

求得待测点r0处的能量，其中y＝w^hx。

步骤5：将r0遍历整个待测平面，则得到测量平面的噪声分布，取能量最高点即为噪声源的位置。

其中，矢量传声器阵列与待测区之间的地面上可以铺设有消声棉；矢量传声器1阵列与待测区的距离满足近场条件。

请参阅图5，图5为消声室声压阵与矢量阵实验测试结果示意图；图5的(a)为消声室常规声压传声器阵列对500hz测试声源定位结果，观察可以发现其主瓣宽度较大；图5的(b)为矢量传声器阵列对相同500hz声源定位结果，观察可以发现主瓣宽度明显小于常规传声器阵列，通过在消声室测试发现本发明的装置具有良好的定位效果，对比常规声压阵列噪声源定位方法具有测量方便以及传声器数目少、成本低的优点。

综上，本发明为解决变压器、电抗器等低频噪声源定位问题，提出了一种基于矢量传声器阵列的低频噪声源高精度定位方法，此种方法采用矢量传声器阵列采集声场数据，矢量传声器1由传统的声压传感器和三个相互垂直的振速传感器组成，可提供更加完备的声场信息，在变电站复杂的噪声环境下，利用矢量传声器阵列在空间位置中采集宽带噪声信号，能够实现对低频噪声源的高精度定位。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。