专利名称：一种平面螺旋形传声器阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及声学测量领域中的传声器阵列，具体地说，本发明涉及一种平面螺旋 形传声器阵列。
背景技术：
传声器阵列是一种将多个传声器按照某种几何形状分布组合而成的声学探测装 置，该装置结合信号处理软件可以对多声源同步检测，能够测量声源的空间信息，并能对特 定位置声源进行信号增强和抑制背景干扰的处理，可提高设备对目标声音的拾取能力，也 可用于跟踪声源的移动过程，该装置出现在现代声学测量领域的大部分应用中，比如助听 器、电话会议系统、计算机终端设备等，用于实现语音增强、声源定位、声成像检测、舞台定 点声音拾取、远距离采访、机器噪声故障诊断、远距离监测监听等功能。在声学探测设备中通常使用直线分布型传声器阵列、球形分布型传声器阵列或者 平面分布型传声器阵列。直线形传声器阵列上的阵元位于一条线上，具有多种分布形式但 只能对阵列所在直线为界的半个平面进行定位。平面形传声器阵列，阵列单元位于一个平 面上，具有多种分布形式，可以在整个平面对目标进行定位，也可以对阵列所在平面为界的 半个空间进行定位，但不能对整个空间定位。其中，平面螺旋形传声器阵列是一种按平面分 布的结构，其传声器单元位于一系列螺旋线上的节点，具有多种分布形式。平面螺旋阵列通 过测量出空间声像图，并与阵上中心点安装的视频摄像头拍摄的图像重叠显示，用来反映 所测量声源与被测物的位置关系。平面螺旋形传声器阵列可对正前方向的二维空间具有良 好的探测能力，尤其适用于定向探测。平面螺旋阵的探测性能与阵元分布的规律密切相关，平面分布形式的螺旋阵对声 场成像测量的分辨率和探测精度都不相同，性能优良的平面螺旋阵不仅可以精确测量出声 源的位置，得到高信噪比的目标信号，而且，在一定程度上有效降低了虚源效应。现有的平面螺旋形阵列一般用多个螺旋形辐射条组成，阵元数量有24、32、48、60、 128等。如韩国SM Instruments公司的48元螺旋阵有6条螺旋杆，每条杆上的按相同规律 排布的8个阵元；声望公司的35元螺旋阵的阵元分成7组，每组有5个阵元分布在一条螺 线上。但是，由于阵列结构对声场具有一定的影响，阵列的支杆越小，阵体平面内的占空 比越小，对声场测量的影响就越小，所以，平面螺旋阵列一方面要减小支撑杆宽度，减少支 杆数量，而且要求阵列的信号线缩小到不影响声场的程度。另一方面，平面螺旋阵列还要求结构刚性良好，才能保证阵列的探测性能稳定。结 构不稳定就会导致阵元位置误差较大，使得平面螺旋形传声器阵列的有效孔径容易变化， 影响探测精度。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种探测精度高、虚源效应小、结构稳定的平面螺旋形传声器阵列。为实现上述发明目的，本发明提供的一种平面螺旋形传声器阵列，包括设于中心 位置的阵列摄像头、阵列主体和安装在所述阵列主体上的若干传声器，所述的阵列主体为 若干平面螺旋形的刚性辐条；其特征在于，所述的传声器分布在该平面的均勻间隔的nXn 井字形线条的交叉节点附近，n取15或21的整数倍。从理论上讲，一般只要使用这种阵列 中的大部公节点，对少数节点作适应性修改，也可取得本发明的技术效果。所述的平面螺旋形的刚性辐条为8条，每条刚性辐条上有8个阵元，所述的64个 阵元分布在15X 15井字形线条的交叉节点附近。作为优选，所述的8条平面螺旋形的刚性 辐条为两组不同螺线的刚性辐条，间隔均布，64个节点的归一化坐标数据表为 所述的平面螺旋形的刚性辐条为8条，每条刚性辐条上有8个阵元，所述的64个 阵元分布在21X21井字形线条的交叉节点附近。作为优选，所述的8条平面螺旋形的刚性 辐条为两组不同螺线的刚性辐条，间隔均布，64个节点的归一化坐标数据表为 所述的平面螺旋形刚性支架的辐条宽度为9mm 15mm，优选为12mm。
所述的刚性辐条2有阵元安装孔6，该阵元安装孔6上设有安装进线缺口 5 ；所述 的传声器1与对应的前置放大器7通过螺纹连接在一起，所述的前置放大器7上套设安装 绝缘护套8，所述的阵元安装绝缘护套8穿设于刚性辐条2上的阵元安装孔6内；所述的前 置放大器7的后端通过螺纹与阵元安装后座9连接。所述的传声器1上套装有防风罩10。所述的前置放大器7通过信号线与集线插头4软连接信号调理与采集仪3，所述前 置放大器7的信号线从安装进线缺口 5进入所述阵元安装孔6 ；所述的信号线与集线插头4 插在信号调理与采集仪3的底座上。所述的阵列摄像头13通过螺钉安装在所述阵列主体的中心。所述的阵列主体包括阵列折叠部11和阵列主体部件12，阵列折叠部11和阵列 主体部件12之间用螺钉固定。所述的阵列主体部件12的后方固定有支撑杆14，该支撑杆14的另一端部上安装 有所述的信号调理与采集仪3。与现有技术相比，本发明的一种平面螺旋形传声器阵列的虚源效应非常小；另外， 还具有如下技术效果1、本发明结构简单可靠，每个节点处连接的支架臂数量少，对声场影响小，有利于 提高探测精度。2、本发明的一些实施例中支架采用全刚性结构，稳固可靠，避免了由于软连接所 造成的有效孔径变化而带来的误差。3、本发明的结构可以采用细支架臂，有利于进一步提高探测精度。总之，本发明结构简单可靠，每个节点处连接的支架臂数量少，对声场影响小，有 利于提高探测精度；本发明采用全刚性结构，稳固可靠，避免了由于软连接所造成的有效孔 径变化而带来的误差；本发明所包含的阵元传声器数量多，信息采集量大，定位精度高，定 位范围广。
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中
图1是平面螺旋阵的阵元与螺线分布的关系示意图。
图2是平面螺旋阵的各阵元分布规则示意图。
图3是平面螺旋阵列安装示意图。
图4是信号调理与采集仪与集线插头对应关系示意图。
图5是阵列刚性辐射及阵元安装孔位的关系示意图。
图6是阵元传声器单元安装到阵元安装孔位的各部件分解示意图。
图7a是阵元上前置放大器的结构示意图7b是前置放大器的输出端引线定义示意图。
图8是阵元安装绝缘护套和阵元安装后座的分解结构图。
图9是阵元上的防风罩的结构图。
图10是实施方案1的阵列整体结构图。
图11是实施方案1的可折叠阵列的4个阵列折叠部件结构图。
图12是实施方案1的可折叠阵列的阵列主体部件结构图。图13是实施方案1的可折叠阵列的叠合后阵结构图。图14是实施方案2的可折叠阵列结构示意图。图15是实施方案2的可折叠阵列的叠合后阵结构示意图。图16是实施方案3阵元分布在21X21交叉节点上的64元螺旋阵列。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。本实施例是一个64元平面螺旋形传声器阵列，如图3 10所示，包括传声器1， 阵列刚性辐条2，信号调理与采集仪3，集线插头4，安装进线缺口 5，阵元安装孔6，前置放大 器7，阵元安装绝缘护套8，阵元安装后座9，防风罩10，阵列折叠部11，阵列主体部件12，阵 列摄像头13，支撑杆14。如图1和2所示，所述的平面螺旋形的刚性支架共有64个节点，所有节点分布在 一种特殊坐标处。这些节点位于横向均勻间隔的15条线和纵向均勻间隔的15条线交叉点 中的特选节点，选定的节点分布在8条螺线上，每条螺线上有8个阵元。其归一化坐标如表 1所示，阵列的外侧轮廓的边长为15X 15。表1 (平面螺旋阵归一化坐标数据表) 改变比例就可以得到不同规格的平面螺旋列阵的节点坐标，表2是边长lm平面螺 旋阵坐标数据表；表3是边长2m平面螺旋阵坐标数据表。表2 (边长lm平面螺旋阵坐标数据表) 表3 (边长2m平面螺旋阵坐标数据表) 改变线条间隔的宽度就可以改变阵列的孔径大小，但是阵列的结构形式不变，且 阵列刚性辐条的数量不变。使用刚性连接杆与所述平面螺旋形阵列主体固定，对阵列起到 牢固支撑作用。扩大均勻分布的15条X 15条的井字形线的间距，就可以得到扩大了尺寸的平面 螺旋形阵列，将间距设定为70mm，就可以得到边长980mmX 980mm，直径1. 066m的螺旋阵，各 阵元坐标如附表2所示，将间距设定为125mm，就可以得到边长1. 75mX 1. 75m，直径1. 904m 的螺旋阵，各阵元坐标如附表3所示。本例中，所述传声器1与所述前置放大器7通过螺纹连接在一起，并通过所述阵元 安装绝缘护套8后，穿过所述阵列刚性辐条2上的所述阵元安装孔6，所述前置放大器7通 过螺纹与所述阵元安装后座9连接，所述防风罩10套装在所述传声器1上。所述前置放大 器7通过信号线与集线插头4软连接，所述前置放大器7的信号线从安装进线缺口 5进入 所述阵元安装孔6，所述集线插头4插在所述信号调理与采集仪3的底座上，所述阵列摄像 头13通过螺钉安装在所述阵列主体12的中心，所述阵列折叠部11与阵列主体部件12用 螺钉固定。还包括支撑杆14，所述支撑杆14位于所述平面螺旋形阵列主体部件12的后方，通 过刚性连接杆与阵元所在平面的中心连接固定。本例中，所述平面螺旋形阵列刚性辐条2的宽度为12mm左右，可采用铝合金、不锈 钢、玻璃钢等材料制作。所述传声器为1/4英寸或1/2英寸传声器。如图3和4所示，所述平面螺旋形刚性支撑杆14上安装有所述信号调理与采集仪 3，所述信号调理与采集仪3是一台信号处理器22或者一个高速高精度的信号采集电路板 24，包括仪器盒21、集线口 23、USB接口 25和电源插座26 ；所述信号调理与采集仪3与所 述集线插头4对插连接后，通过多条信号线与所述阵元传声器1软连接。实施例1如图10 13所示，本实施例提供了一种由一个正方形阵列主体部件和四个阵列
16折叠部件合成的平面螺旋形传声器阵列。本实施例的平面螺旋形传声器阵列包括平面螺旋 形阵列刚性辐条、支撑杆、传声器、摄像头、信号采集处理仪等主要部件。本实施例在每个阵元位置上设计了传声器安装孔，所述安装孔通过阵元安装绝缘 护套与前置放大器固定连接，这种安装座的设计便于传声器的安装。为配合本实施例的平面螺旋形传声器阵列进行数据采集，还设计了相应的集线插 头盒和信号调理与采集仪盒。每个阵元(即传声器)的信号线均独立地沿辐射条臂背面固 定连接到集线插头上，然后再插在信号调理与采集仪盒的插座上。所述信号调理与采集仪 为DSP信号处理器，通过USB接口进行信号输出，由控制计算机对信号处理器进行控制，从 而组成一个完整的系统。本实施例在每个阵元位置上的传声器安装孔均位于刚性辐条的外侧，这种结构保 证了阵列主体框架的刚性不降低，如图5所示。本实施例在每个阵元位置上的传声器的安装顺序为，传声器与前置放大器螺纹连 接，前置放大器的底座插在阵元安装绝缘护套内，并插入阵列刚性辐条节点上的阵元安装 孔，阵元安装后座从阵元安装孔的另一侧插入，并与前置放大器的底座螺纹连接，如图6所 示。阵元安装绝缘护套和阵元安装后座均为绝缘材料做成的，可保证阵元的信号地独立地 传输到集线头末端，避免了提前共地的危险，如图9所示。本实施例在每个阵元位置上的传声器安装在前置放大器上，前置放大器的前端有 导电良好的弹性触点31，可与传声器的输出信号端良好地接触，前置放大器的底端是一个 M5的空心螺柱32，中心穿过输出信号线33，螺纹用于安装固定，如图7和8所示。本实施例在每个阵元位置上的传声器头部安装了球形防风罩，防风罩具有良好的 消除风噪声的能力，同时与传声器的配合良好，如图9所示。本实施例的平面螺旋形传声器阵列结构简单，能够保证各个阵元传声器都位于同 一个平面上，如图10所示。本实施例基本单元是由足够刚性且足够细的刚性辐条(如金属 杆)构成，辐条完全使用刚性结构，增强了平面螺旋形传声器阵列的刚性，能够形成稳固的 系统，提高了系统的可靠性。本实施例的传声器安装座位于平面螺旋形传声器阵列的节点 上，这种安装的平面螺旋形传声器阵列的有效孔径大，探测精度高。在保证足够刚性的前提下，本实施例的阵列设计成了可折叠式，阵列主体部件为 一正方形结构，内部各辐条互相连接，结构简单且占空率底，对声场的影响小，其上有32个 阵元，如图12所示。阵列折叠部呈一简单龙形结构，是为了提升刚性和减小对声场的影响， 其上有8个阵元，如图11所示。四个阵列折叠部件环绕阵列主体部件对称安装就形成了完 成阵列，如图10所示。本实施例的阵列折叠部件向内翻180度后可折叠起来，与阵列主体部件叠压起来 包装，可缩小尺寸，便于运输，如图13所示。实施例2本实施例与实施例1基本一致，区别之处在于本实施例阵列主体部件12和阵列折 叠部11的结构形式更简单，呈圆形和螺线形，如图14和15所示。这种结构改变了平面螺 旋形传声器阵列的辐条数量，但是阵元传感器的分布位置关系与实施例1完全一样，即阵 元坐标不变。实施例3
如图16所示，所述的平面螺旋形的刚性支架共有64个节点，所有节点分布在一种 特殊坐标处。这些节点位于横向均勻间隔的21条线和纵向均勻间隔的21条线交叉点中的 特选节点，选定的节点分布在8条螺线上，每条螺线上有8个阵元。其归一化坐标如表4所
7J\ o表4(阵元分布在21X21交叉节点上的螺旋阵坐标) 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。
权利要求
一种平面螺旋形传声器阵列，包括设于中心位置的阵列摄像头、阵列主体和安装在所述阵列主体上的若干传声器，所述的阵列主体为若干平面螺旋形的刚性辐条；其特征在于，所述的传声器分布在该平面的均匀间隔的n×n井字形线条的交叉节点附近，n取15或21的整数倍。
2.根据权利要求1所述的平面螺旋形传声器阵列，其特征在于，所述的平面螺旋形的 刚性辐条为8条，每条刚性辐条上有8个阵元，所述的64个阵元分布在15 X 15井字形线条 的交叉节点附近。
3.根据权利要求2所述的平面螺旋形传声器阵列，其特征在于，所述的8条平面螺旋形 的刚性辐条为两组不同螺线的刚性辐条，间隔均布，64个节点的归一化坐标数据表为
4.根据权利要求1所述的平面螺旋形传声器阵列，其特征在于，所述的平面螺旋形的 刚性辐条为8条，每条刚性辐条上有8个阵元，所述的64个阵元分布在21X21井字形线条 的交叉节点附近。
5.根据权利要求4所述的平面螺旋形传声器阵列，其特征在于，所述的8条平面螺旋形 的刚性辐条为两组不同螺线的刚性辐条，间隔均布，64个节点的归一化坐标数据表为
6.根据权利要求1所述的平面螺旋形传声器阵列，其特征在于，所述的平面螺旋形刚 性支架的辐条宽度为9mm 15mm，优选为12mm。
7.根据权利要求1所述的平面螺旋形传声器阵列，其特征在于，所述的刚性辐条有阵 元安装孔，该阵元安装孔上设有安装进线缺口 ；所述的传声器与对应的前置放大器通过螺纹连接在一起，所述的前置放大器上套设安 装绝缘护套，所述的阵元安装绝缘护套穿设于刚性辐条上的阵元安装孔内；所述的前置放 大器的后端通过螺纹与阵元安装后座连接。
8.根据权利要求7所述的平面螺旋形传声器阵列，其特征在于，所述的传声器上套装 有防风罩。
9.根据权利要求7所述的平面螺旋形传声器阵列，其特征在于，所述的前置放大器通 过信号线与集线插头软连接插在信号调理与采集仪上，所述前置放大器的信号线从安装进 线缺口进入所述阵元安装孔；所述的信号线与集线插头插在信号调理与采集仪的底座上。
10.根据权利要求1所述的平面螺旋形传声器阵列，其特征在于，所述的阵列摄像头通 过螺钉安装在所述阵列主体的中心。
11.根据权利要求1所述的平面螺旋形传声器阵列，其特征在于，所述的阵列主体包 括阵列折叠部件和阵列主体部件，阵列折叠部件和阵列主体部件之间用螺钉固定。
12.根据权利要求11所述的平面螺旋形传声器阵列，其特征在于，所述的阵列主体部 件的后方固定有支撑杆，该支撑杆的另一端部上安装有所述的信号调理与采集仪。
全文摘要
本发明涉及一种平面螺旋形传声器阵列，包括设于中心位置的阵列摄像头、阵列主体和安装在所述阵列主体上的若干传声器，所述的阵列主体为若干平面螺旋形的刚性辐条；其特征在于，所述的传声器分布在该平面的均匀间隔的n×n井字形线条的交叉节点上，n取15或21的整数倍。所述的平面螺旋形的刚性辐条为8条，每条刚性辐条上有8个阵元，所述的64个阵元分布在15×15井字形线条的交叉节点上。本发明结构简单可靠，每个节点处连接的支架臂数量少，对声场影响小，有利于提高探测精度；本发明采用全刚性结构，稳固可靠，避免了由于软连接所造成的有效孔径变化而带来的误差；本发明所包含的阵元传声器数量多，信息采集量大，定位精度高，定位范围广。
文档编号H04R1/20GK101860776SQ20101017196
公开日2010年10月13日 申请日期2010年5月7日 优先权日2010年5月7日
发明者刘哲, 杨亦春, 滕鹏晓, 陈日林 申请人:中国科学院声学研究所