一种双矢量传感器声探头超指向性波束图设计方法与流程

本发明属于声探头波束图设计方法，涉及一种双矢量传感器声探头超指向性波束图设计方法，适用于方位估计、目标定位、语音识别、助听器和音乐录制等领域，属于声学阵列信号处理、语音信号处理等领域。

背景技术：

单指向性声探头在方位估计、目标定位、语音识别、助听器和音乐录制等领域具有广泛应用，这是由于其尺寸较小但指向性较好。文献1“auni-directionalribbonmicrophone,j.acoust.soc.am.3,315-316(1932)”公开的方法，由两个声压传感器构成声探头，通过组合声压和一阶声压梯度获得心形波束图，但该方法得到的声探头指向性最高仅为6.02db，难以满足日益提高的应用要求。文献2“unidirectionalacousticprobebasedontheparticlevelocitygradient,j.acoust.soc.am.139,el179-el183(2016)”公开的利用双振速传感器的声探头也可以获得较高的指向性，指向性指数可达8.75db，然而该方法设计得到的声探头的指向性图是固定的，难以根据实际需求进行灵活调整。文献3“一种基于双振速传感器声探头灵活指向性图的设计方法，申请号：201810519218.6”公开的方法，对文献3公开的方法进行了推广，可以针对双振速传感器的声探头获得灵活的波束图，且最大指向性指数能达到9.03db。然而，文献2和文献3公开的方法所能获得的指向性仍然有限，需进一步提高。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种双矢量传感器声探头超指向性波束图设计方法，避免现有技术设计出的声探头指向性仍然不够高的不足。

技术方案

一种双矢量传感器声探头超指向性波束图设计方法，其特征在于：以两个包含一个声压通道和一个振速通道的单个矢量传感器构成声探头，波束图设计步骤如下：

步骤1：给定一般化期望波束图权值系数

bd(θ)＝α0p0(cosθ)+α1p1(cosθ)+α2p2(cosθ)+α3p3(cosθ)

其中：pn(cosθ)为第n阶勒让德函数，θ为入射平面波的俯仰角；所述αn为给定的期望指向性图权值系数，其值为实数且满足

步骤2：计算双矢量传感器声探头的权值系数ω0，ω1，ω2和ω3

所述：

其中β＝π；

ρpp,0＝1，ρpp,1＝j0(kd)，ρpr,0＝0＝ρrp,0，ρpr,1＝-ij1(kd)＝-ρrp,1，

其中：k＝2π/λ为波数，λ为信号波长，a为两矢量传感器之间距离d的一半，jn(·)为第一类n阶球形贝塞尔函数，(·)′表示求导，上标“*”表示求共轭，

步骤3：计算双矢量传感器声探头的指向性图

将步骤2的权值系数代入下式，即得到双矢量传感器声探头的指向性图b(θ)：

其中：p0和p1分别是矢量传感器中两个声压通道接收到的归一化声压信号，表达式分别为p0(θ)＝exp(ikacosθ)和p1(θ)＝exp(-ikacosθ)；v0和v1分别为矢量传感器中两个振速通道接收到的归一化振速信号，表达式分别为v0(θ)＝cosθexp(ikacosθ)和v1(θ)＝-cosθexp(-ikacosθ)。

有益效果

本发明提出的一种双矢量传感器声探头超指向性波束图设计方法，以双矢量传感器为基础，每个单个矢量传感器包含一个声压通道和一个振速通道。利用两个这样的矢量传感器构成声探头；利用勒让德函数，将期望指向性图表示成一般形式，双矢量传感器声探头的权值系数可表示成一般化期望指向性图权值系数的解析函数形式，通过改变一般化期望指向性图的权值系数可以得到不同的具有超指向性的声探头波束图。

有益效果体现在：

1.本发明公开的方法设计出的声探头波束图的指向性大于文献1、2、3公开的方法设计出的声探头波束图的指向性。

2.本发明公开的方法可根据实际需求设计不同的声探头波束图，比文献1和2公开的方法更灵活。

附图说明

图1是双矢量传感器声探头的坐标表示。

图2(a)是三个设计实例对应的波束图。图2(b)是三个设计实例对应的指向性指数。图2(c)是三个设计实例对应的误差敏感度函指数。

图3(a)是设计得到的对应例1的宽带波束图。图3(b)是设计得到的对应例2的宽带波束图。图3(c)是设计得到的对应例3的宽带波束图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明涉及一种双矢量传感器声探头超指向性波束图的设计方法，单个矢量传感器包含一个声压通道和一个振速通道，利用两个这样的矢量传感器构成声探头；利用勒让德函数，将期望指向性图表示成一般形式，双矢量传感器声探头的权值系数可表示成一般化期望指向性图权值系数的解析函数形式，通过改变一般化期望指向性图的权值系数可以得到不同的具有超指向性的声探头波束图。其过程为：

一种双矢量传感器声探头超指向性波束图设计方法，其特征在于步骤如下：

1.给定一般化期望波束图权值系数。

一般化期望波束图bd(θ)如下式所示：

bd(θ)＝α0p0(cosθ)+α1p1(cosθ)+α2p2(cosθ)+α3p3(cosθ)(1)

其中pn(cosθ)为第n阶勒让德函数，θ为入射平面波的俯仰角；所述αn为给定的期望指向性图权值系数，其值为实数且满足

参照图1和图2。对于图1所示的双矢量传感器声探头，给出三个设计实例，其对应的一般化期望指向性图的权值系数分别为：例1：对应的期望波束图具有理论最大指向性指数(12.04db)，包含6个零点；例2：α0＝0.0172,α1＝0.1873,α2＝0.4828,α3＝0.3127，对应的期望波束图有5个零点，理论指向性指数为11.39db；例3：对应的期望波束图仅有1个零点，理论指向性指数为9.80db。对应的期望指波束图如图2(a)所示，三种期望波束图均是上下对称的，其中例1和例2的期望波束图具有相似的主瓣，但旁瓣各不相同，例3的主瓣较宽。图1所示三种期望波束图的指向性指数分别是三种实例中双矢量传感器声探头所能获得的指向性指数的理论上限。

2.计算双矢量传感器声探头的权值系数。

双矢量声探头对应的权值系数分别为ω0，ω1，ω2和ω3，分别由下面各式进行计算：

所述其中m＝0,1。

所述其中β＝π。

所述ρpp,0＝1，ρpp,1＝j0(kd)，ρpr,0＝0＝ρrp,0，ρpr,1＝-ij1(kd)＝-ρrp,1，其中k＝2π/λ为波数，λ为信号波长，a为两矢量传感器之间距离d的一半，jn(·)为第一类n阶球形贝塞尔函数，(·)′表示求导，上标“*”表示求共轭，

3.计算双矢量传感器声探头的指向性图。

将式(2)至(5)计算得到的权值系数代入下式，即可得到双矢量传感器声探头的指向性图b(θ)：

所述p0和p1分别是矢量传感器中两个声压通道接收到的归一化声压信号，表达式分别为p0(θ)＝exp(ikacosθ)和p1(θ)＝exp(-ikacosθ)；v0和v1分别为矢量传感器中两个振速通道接收到的归一化振速信号，表达式分别为v0(θ)＝cosθexp(ikacosθ)和v1(θ)＝-cosθexp(-ikacosθ)。

参照图1。对应于图1所示的双矢量传感器声探头，两个声压通道对应的接收信号分别为p0和p1，振速通道对应的接收信号分别是v0和v1。

参照图2。仿真时所使用的声速为344.63m/s，双矢量传感器之间的距离为27mm。图2(b)是例1、2和3三种声探头波束图的指向性指数随频率的变化曲线。当频率逐渐变小时，三个实例中的指向性指数逐渐达到理论值。图2(c)是例1、2和3三种声探头波束图的误差敏感度指数随频率的变化曲线。随着频率的降低，稳健性会下降，导致对误差的敏感性变大。

参照图3。图3(a)～(c)依次是设计得到的对应例1、2和3三个实例的宽带波束图。由图示结果可知，三种实例对应的宽带波束图在较宽的频率范围内与期望波束图吻合得较好，其指向性指数比双声压传感器探头和双振速传感器探头的指向性指数更高，且具有明显的频率不变响应特性，应用前景较好。