一种孔径可调节的刚性声阵列装置的制作方法

1.本实用新型涉及声音信号采集技术领域，尤其是涉及一种孔径可调节的刚性声阵列装置。


背景技术：

2.近几十年来，利用传感器阵列对声源信号进行噪声抑制、识别和定位渐渐地成为声源定位领域的热门技术。在室内的复杂环境中，传感器拾取的声源信号除了受环境噪声的干扰外，还会受其它方向的方向性噪声和经多路反射形成的混响影响。此外，对于单通道的声源信号采集和识别需要传感器的位置能够不断变化。如果目标声源所在位置在传感器方向选择性范围之外，就会造成传感器采集的声压信号中掺杂着大量的噪声，采集的质量很差。与单个传感器相比，传感器阵列在声源信号采集时可以获得信号的空间信息，它能更好的消除环境噪声和抑制其它方向的干扰噪声，达到提高信号采集质量的目的，并且传感器阵列在方向上具有选择性，不要求声源的位置固定。因此，传感器阵列更加适应复杂的环境，如：车载环境、远程会议环境、助听器、多媒体教室等。
3.传感器阵列阵元的几何分布会影响阵列的自身特性，如指向性，而这些特性对于声源的识别分辨率和抗噪性能具有重要影响。传统的一维线性传感器阵列的优点是使用起来简单方便，但是在后续处理过程中需要假声源，使直线一维线性阵列存在局限性，很多学者开始研究二维平面传声器阵列，从二维平面传声器阵列的发展和应用发现，它要求所有声源位于阵列面的一侧，然而在实际测量中，阵列面背对目标声源的一侧往往存在着干扰声源或墙面等造成的声反射和声散射，自由声场的条件很难满足，如果直接利用测量的混合声场信息进行重建，很容易造成重建结果与实际目标不符，因此需要移除所有背景干扰。一般来说，在声场测量之前直接移除背景干扰的难度较大，取而代之，人们提出通过后处理测量数据实现间接移除背景干扰的方法，如部分场分解技术、多源相干声场重建技术和声场分离技术，其中部分场分解技术和多源相干声场重建技术都需要预知声源的位置信息，这在一定程度上限制了两者在工程中的应用。而声场分离技术则不受此限制，因此得到了研究人员的广泛关注。
4.阵列参数对性能的影响主要体现于分辨率和截止频率上，而传声器布置形式对阵列性能的影响主要体现于其抑制旁瓣、衰减鬼影和防止混叠的能力。此外，在实际工作中使用的一般是有限测量孔径和离散传感器阵列，两者分别造成了有限孔径误差和卷绕误差。当声源强度较大导致孔径边缘处声压衰减不足时，还会造成gibbs效应，产生额外的误差。现有的线性阵列、圆型阵列声阵列装置大多无法改变其孔径，而传感器间距与波束宽度有着显著的关系，即阵列波束宽度随着间距的增加而减小，为了获得更加尖锐的波束，可以简单的增加间距，这将会要求更大的孔径半径。解决上述问题的传统途径是通过增加传感器数量来扩大测量孔径尺寸，这无疑提高了测量成本，也加大了标定校准和处理数据的工作量。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种孔径可调节的刚性声阵列装置，能够增大的测量孔径并去除阵列面反面的噪声干扰，在提升声压信号采集分辨率和精度的同时，降低成本并减少标定校准和处理数据的工作量。
6.本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种孔径可调节的刚性声阵列装置，包括三脚架、安装于三脚架上的调节机构以及分别安装于调节机构上的中心面和声阵列块，所述的调节机构包括安装于三脚架上的主轴以及分别安装于主轴上的旋转展开组件和铺平组件，所述的声阵列块上均匀开设多个传感器安装孔，所述的传感器安装孔用于安装传声器，包括分别与旋转展开组件和铺平组件连接的多个第一声阵列块和多个第二声阵列块，所述的第一声阵列块、第二声阵列块和中心面能够相互配合组成第一声阵列面或第二声阵列面。
8.进一步地，所述的第一声阵列面由多个第一声阵列块相互配合形成，此时所述的中心面和第二声阵列块依次设置于第一声阵列面后侧，所述的第二声阵列块设置于各第一声阵列块的交界处，所述的中心面与主轴同轴设置，第二声阵列块和中心面全都藏在第一声阵列面后面，不会对第一声阵列面的采集过程造成影响。
9.进一步地，所述的第二声阵列面由中心面、多个第一声阵列块和多个第二声阵列块共同配合形成，此时所述的中心面、多个第一声阵列块和多个第二声阵列块处于同一平面，所述的中心面与主轴同轴设置，所述的第一声阵列块和第二声阵列块分别设置于中心面的相互交替设置，第二声阵列面的半径可达到第一声阵列面的两倍，有效增大了阵列面孔径，无需通过增加传感器的方式来增大孔径的尺寸。
10.进一步优选地，所述的第一声阵列块和第二声阵列块均为刚性声阵列块，可以反射或漫射背面的干扰噪声，实现声场声源的分离，减少对于采样数据的后处理，所述的第一声阵列块为扇形，所述的第一声阵列面和第二声阵列面均为圆形声阵列面，能够在半空间域内获得较为全面的声场信息。
11.调节机构能够控制第一声阵列块和第二声阵列块的运动，包括展开运动和平移运动，多个扇形的第一声阵列块组成圆形的第一声阵列面，当需要增大阵列面孔径时，旋转主轴，调节机构的旋转展开组件控制第一声阵列块和第二声阵列块旋转并向外展开，同时调节机构的铺平组件控制第一声阵列块向后移动，第二声阵列块向前移动，使两者与中心面处于同一平面，并且三者相互贴合形成第二声阵列块。
12.进一步地，所述的旋转展开组件包括连杆、导轨连接件以及分别设置于主轴上的曲柄圆盘和关节轴导轨，所述的关节轴导轨以主轴为中心向周围伸出，与声阵列块的数量相等且一一对应，所述的曲柄圆盘与主轴固定连接，所述的导轨连接件的一端分别与第一声阵列块和第二声阵列块固定连接，另一端与对应的关节轴导轨滑动连接，所述的连杆的一端与导轨连接件铰接，另一端与曲柄圆盘靠近边缘处铰接。
13.更进一步地，所述的导轨连接件包括相互连接的垫块和导轨上套，所述的垫块固定设置于第一声阵列块和第二声阵列块上，所述的导轨上套的一端与垫块固定连接，另一端套设于对应的关节轴导轨上，能够沿关节轴导轨滑动。
14.更进一步地，所述的旋转展开组件还包括固定设置于主轴前端的上拨叉，所述的曲柄圆盘固定设置于上拨叉上。
15.旋转展开组件的工作原理如下：
16.旋转主轴，主轴将带动曲柄圆盘转动，连接曲柄圆盘与导轨上套的连杆推动导轨上套在关节轴导轨上滑动，使其沿关节轴导轨作直线运动，从而带动第一声阵列块和第二声阵列块分别朝第一声阵列面的直径方向展开。
17.进一步地，所述的铺平组件包括分别通过套设于主轴上的下拨叉和中拨叉，所述的关节轴导轨包括第一关节轴导轨和第二关节轴导轨，所述的第一关节轴导轨固定设置于下拨叉上，所述的第二关节轴导轨固定设置于中拨叉上，所述的下拨叉和中拨叉能够沿主轴轴向作方向相反的直线运动。
18.更进一步地，所述的下拨叉内侧开设第一凸轮槽，所述的中拨叉内侧开设第二凸轮槽，所述的主轴上安装下拨叉和中拨叉的位置分别设置凸起，所述的凸起分别卡设于第一凸轮槽和第二凸轮槽内，所述的第一凸轮槽和第二凸轮槽的方向相反。
19.在旋转展开组件的作用下，第一声阵列块和第二声阵列块分别向外展开，但是两者并不在同一水平面上，由于下拨叉和中拨叉分别连接第一声阵列块和第二声阵列块，且内开设方向相反的凸轮槽，因此在主轴转动时，两者会沿主轴的轴向向相反反向移动，设置两者的方向，使得在转动主轴展开第一声阵列块和第二声阵列块时，下拨叉和中拨叉相互靠近，从而带动第一声阵列块和第二声阵列块相互平移靠近，直至移动至与中心面处于同一水平面上，旋转展开组件和展平组件共同配合，最终将第一声阵列面改变为第二声阵列面。
20.进一步地，该声阵列装置还包括相互连接的轴承和轴承座，所述的轴承套设于主轴上，所述的轴承座通过螺栓固定安装于三脚架上，所述的轴承和轴承座过盈配合，以减少接触表面的接触摩擦，提高装置整体的使用寿命。
21.与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
22.1)本实用新型能够在第一声阵列面和第二声阵列面之间切换，第二声阵列面的半径可增大一倍之多，能够满足实验所需的孔径半径变化需求，提升声压信号采集的分辨率，从而提高实验的精度，无需通过增加安装传感器数量来增大阵列面孔径，降低装置成本，减少标定校准和处理数据的工作量；
23.2)本实用新型通过设置旋转展开组件和铺平组件，并设计其特定结构，只需转动主轴，就可使两者相互配合控制第一声阵列块和第二声阵列块实现展开和平移运动，快速方便地在第一声阵列面和第二声阵列面之间切换，使用方便，能够非常便捷地调节孔径的大小；
24.3)本实用新型的第一声阵列面和第二声阵列面均为刚性的圆形声阵列面，将传感器均匀分布在圆周上，能够在半空间域内获得较为全面的声场信息，可以测量声场的方向信息，利用刚性表面反射和散射的特性，还能将位于阵列背面或者是侧面的干扰源去除，以达到去除阵列面反面的噪声干扰的目的。
附图说明
25.图1为本实用新型装置的主视图；
26.图2为本实用新型装置的后视图；
27.图3为本实用新型装置的侧视图；
28.图4为本实用新型可旋转刚性声阵列组件示意图；
29.图5为本实用新型可旋转刚性声阵列组件调节机构示意图；
30.图6为本实用新型可旋转刚性声阵列组件展开效果图，其中图(6a)为第一声阵列面示意图，图(6b)为展开后的第二声阵列面示意图。
31.其中：1、第一声阵列块，2、三脚架，3、第二声阵列块，4、传感器安装孔，5、轴承，6、轴承座，7、关节轴导轨，71、第一关节轴导轨，71、第二关节轴导轨，8、垫块，9、连杆，10、曲柄圆盘，11、中心面，12、导轨上套，13、主轴，14、下拨叉，15、上拨叉，16、中拨叉。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
33.实施例：
34.如图1、图2和图3所示，本实用新型提供一种孔径可调节的刚性声阵列装置，包括轴承5、轴承座6、三脚架2、安装于三脚架2上的调节机构以及分别安装于调节机构上的中心面11和声阵列块。
35.三角架2立于地面上，轴承5套设于主轴13上，两者紧密配合，轴承座6通过螺栓固定安装于三脚架2上，轴承5和轴承座6过盈配合。声阵列块上均匀开设多个传感器安装孔4，包括分别与旋转展开组件和铺平组件连接的多个第一声阵列块1和多个第二声阵列块3，第一声阵列块1、第二声阵列块3和中心面11能够相互配合组成第一声阵列面或第二声阵列面，传感器安装孔4上安装传声器。
36.第一声阵列面如图(6a)所示，该声阵列面的直径为300mm，由多个扇形的第一声阵列块1相互配合形成，如图4所示，此时中心面11和第二声阵列块3依次设置于第一声阵列面后侧，第二声阵列块3设置于各第一声阵列块1的交界处，中心面11与主轴13同轴设置，第二声阵列块3和中心面11全都藏在第一声阵列面后面，不会对第一声阵列面的采集过程造成影响。
37.第二声阵列面如图(6b)所示，该声阵列面的直径为600mm，第一声阵列块1和第二声阵列块3向外展开并平移后，与中心面11共同配合形成第二声阵列面，此时中心面11、多个第一声阵列块1和多个第二声阵列块3处于同一平面，中心面11和第二声阵列块3均为不规则的形状，其主要是为了与展开后的第一声阵列块1配合共同构成圆形的第二声阵列面，中心面11与主轴13同轴设置，第一声阵列块1和第二声阵列块3分别设置于中心面11的相互交替设置，第二声阵列面的半径可达到第一声阵列面的两倍，有效增大了阵列面孔径，无需通过增加传感器的方式来增大孔径的尺寸。
38.本实施例中，第一声阵列块1和第二声阵列块3均为刚性声阵列块，能够将位于阵列背面或者是侧面的干扰源去除，第一声阵列块1为扇形，第一声阵列面和第二声阵列面均为圆形声阵列面，圆形的声阵列面可以使声音采集更加均衡，提高采集效果。
39.如图4和图5所示，调节机构包括安装于三脚架2上的主轴13以及分别安装于主轴13上的旋转展开组件和铺平组件，
40.调节机构能够控制第一声阵列块1和第二声阵列块3的运动，包括展开运动和平移运动，多个扇形的第一声阵列块1组成圆形的第一声阵列面，当需要增大阵列面孔径时，旋转主轴13，调节机构的旋转展开组件控制第一声阵列块1和第二声阵列块3旋转并向外展
开，同时调节机构的铺平组件控制第一声阵列块1向后移动，第二声阵列块3向前移动，使两者与中心面11处于同一平面，并且三者相互贴合形成第二声阵列块3。
41.旋转展开组件包括连杆9、垫块8、导轨上套12、设置于主轴13前端的上拨叉15以及分别设置于主轴13上的曲柄圆盘10和关节轴导轨7。
42.曲柄圆盘10中心与主轴13连接，关节轴导轨7以主轴13为中心向周围伸出，与声阵列块的数量相等且一一对应，曲柄圆盘10与主轴13固定连接，垫块8固定设置于第一声阵列块1和第二声阵列块3上，导轨上套12是连接声阵列块和关节轴导轨7的连接构件，其一端与垫块8通过固定孔固定连接，另一端套设于对应的关节轴导轨7上，能够沿关节轴导轨7滑动，连杆9的一端与导轨上套12的中部铰接，另一端通过和曲柄圆盘10靠近边缘处的圆柱台阶与曲柄圆盘10铰接，曲柄圆盘10固定设置于上拨叉15上。
43.旋转展开组件的工作原理如下：
44.旋转主轴13，主轴13将带动曲柄圆盘10转动，连接曲柄圆盘10与导轨上套12的连杆9推动导轨上套12在关节轴导轨7上滑动，使其沿关节轴导轨7作直线运动，从而带动第一声阵列块1和第二声阵列块3分别朝第一声阵列面的直径方向展开。
45.铺平组件包括分别通过套设于主轴13上的下拨叉14和中拨叉16，关节轴导轨7包括第一关节轴导轨717和第二关节轴导轨727，第一关节轴导轨717通过直槽结构固定设置于下拨叉14上，第二关节轴导轨727通过直槽结构固定设置于中拨叉16上，下拨叉14内侧开设第一凸轮槽，中拨叉16内侧开设第二凸轮槽，主轴13上安装下拨叉14和中拨叉16的位置分别设置凸起，凸起分别卡设于第一凸轮槽和第二凸轮槽内，第一凸轮槽和第二凸轮槽的方向相反，使得下拨叉14和中拨叉16能够沿主轴13轴向作方向相反的直线运动。
46.在旋转展开组件的作用下，第一声阵列块1和第二声阵列块3分别向外展开，但是两者并不在同一水平面上，由于下拨叉14和中拨叉16分别连接第一声阵列块1和第二声阵列块3，且内开设方向相反的凸轮槽，因此在主轴13转动时，两者会沿主轴13的轴向向相反方向移动，设置两者的方向，使得在转动主轴13展开第一声阵列块1和第二声阵列块3时，下拨叉14和中拨叉16相互靠近，从而带动第一声阵列块1和第二声阵列块3相互平移靠近，直至移动至与中心面11处于同一水平面上，旋转展开组件和展平组件共同配合，最终将第一声阵列面改变为第二声阵列面。
47.检测声压信号时，整个装置的组装操作简便，选择合适的传感器安装位置以及测量面的大小，在声阵列面上布置传感器，便可进行声压信号的采集实验。其展开方式可以通过旋转曲柄圆盘10带动连杆9实现阵列面的展开，其展开效果图6展示，其孔径的变化范围有2倍，可以提升声压信号采集的分辨率，从而提高实验的精度，无需通过增加安装传感器数量来增大阵列面孔径，降低装置成本，减少标定校准和处理数据的工作量。
48.以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。