一种空心立方形传声器阵列及其使用方法

1.本发明涉及声场重构技术领域，尤其涉及一种空心立方形传声器阵列及其使用方法。


背景技术：

2.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，能检测声源的空间信息，广泛应用于现代声学测量的各个领域，能够实现语音增强、声源定位、机器噪声故障诊断等功能。
3.在声学探测设备中通常使用直线分布型传声器阵列或者平面分布型传声器阵列，直线型传声器阵列上的阵元位于一条直线上，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；平面型传声器阵列，阵元位于一个平面上，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平面进行定位。
4.传统的线型和平面型阵列系统不能判别出声源相对于测量阵列前后的方向，故不能达到很好的识别定位三维声源的效果。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种空心立方形传声器阵列及其使用方法。
6.一种空心立方形传声器阵列，包括立方体架构，所述立方体架构包括围合成立方体的多个球形传声器支座和多个刚性支架；
7.多个所述球形传声器支座分布在立方体的八个顶点上，每个所述球形传声器支座上安装有传声器；
8.所述刚性支架连接在相邻的两个所述球形传声器支座之间，所述刚性支架与立方体的边长相对应；
9.其中，多个所述球形传声器支座位于所述立方体的外包络球面上，所述外包络球面的球心与所述立方体的中心重合，所述传声器能够采集获得的声压数据，结合球面声全息方法重构三维空间的声场，以识别定位声源。
10.在其中一个实施例中，所述刚性支架的两端设有两个倒角，所述球形传声器支座内设有倒角孔，所述倒角与所述倒角孔相配合。
11.在其中一个实施例中，还包括支撑单元，所述支撑单元用于固定支撑所述立方体架构，所述支撑单元包括支撑杆和两个连接杆，两个所述连接杆分别设置在所述立方体上下两个面的对角线上，且所述连接杆的两端分别与对应的两个所述球形传声器支座固定连接，所述支撑杆设置在所述立方体的外包络球面的球心轴线上，且所述支撑杆与所述连接杆固定连接。
12.一种空心立方形传声器阵列的使用方法，包括以下步骤：
13.s1、将空心立方形传声器阵列放置在目标环境中，获取声压频域数据，作为声场重
构与声源识别定位计算的输入数据；
14.s2、根据所述输入数据计算出近似的待定系数
15.s3、根据近似的待定系数计算重构声压；
16.s4、根据重构声压重构出声源结构所能包络的最大球面内部区域的声压分布，识别定位声源。
17.在其中一个实施例中，所述步骤s2中，采用球面数值积分法逼近在整个球面上的连续积分，得出近似的系数
[0018][0019]
上式中m表示传声器数量，wi表示各传声器相应的权重。
[0020]
在其中一个实施例中，所述空心立方形传声器阵列的各个传声器都处于球面对称分布，所述离散积分点的积分权重都相等；
[0021][0022]
其中，m＝8。
[0023]
在其中一个实施例中，所述重构声压将声学波动方程的通解公式中的无穷项截至为有限项n，其计算公式如下：
[0024][0025]
式中：ω表示角频率，k表示波数，jn(kr)表示球贝塞尔函数，表示球谐函数，表示近似的待定系数。
[0026]
上述空心立方形传声器阵列，通过多个球形传声器支座和多个刚性支架围合成立方体架构，其阵列结构简单、稳定可靠，能够保证各个阵元都位于立方体的外包络球面上，刚性支架的刚性增强了空心立方形传声器阵列的稳定性，提高了其可靠性，且每个节点处连接的刚性支架数量少，对声场影响小，有利于提高声场重构与声源定位的精度。
附图说明
[0027]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]
图1是本发明的空心立方形传声器阵列的结构示意图；
[0029]
图2是本发明的刚性支架的结构示意图；
[0030]
图3是本发明的球形传声器支座的结构示意图；
[0031]
图4是本发明的支撑杆的结构示意图。
具体实施方式
[0032]
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
[0033]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
[0034]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
[0035]
参阅图1-4所示，本发明一实施例提供一种空心立方形传声器阵列，包括立方体架构，所述立方体架构包括围合成立方体的多个球形传声器支座1和多个刚性支架2；
[0036]
多个所述球形传声器支座1分布在立方体的八个顶点上，每个所述球形传声器支座1上安装有传声器3；
[0037]
所述刚性支架2连接在相邻的两个所述球形传声器支座1之间，所述刚性支架2与立方体的边长相对应；本实施例中，每个球形传声器支座1与3个刚性支架2连接，所有刚性支架2的长度相等；
[0038]
其中，多个所述球形传声器支座1位于所述立方体的外包络球面上，所述外包络球面的球心与所述立方体的中心重合，所述传声器3能够采集获得的声压数据，结合球面声全息方法重构三维空间的声场，以识别定位声源。
[0039]
上述空心立方形传声器阵列，通过多个球形传声器支座1和多个刚性支架2围合成立方体架构，其阵列结构简单、稳定可靠，能够保证各个阵元都位于立方体的外包络球面上，刚性支架2的刚性增强了空心立方形传声器阵列的稳定性，提高了其可靠性，且每个节点处连接的刚性支架2数量少，对声场影响小，有利于提高声场重构与声源定位的精度。
[0040]
在本发明一实施例中，所述刚性支架2的两端设有两个倒角21，所述球形传声器支座1内设有倒角孔11，所述倒角21与所述倒角孔11相配合。
[0041]
本实施例中，每个球形传声器支座1上设有三个倒角孔11，刚性支架2的的倒角21可以插入到倒角孔11内，完成刚性支架2与球形传声器支座1的连接固定。
[0042]
在本发明一实施例中，还包括支撑单元4，所述支撑单元4用于固定支撑所述立方体架构，所述支撑单元包括支撑杆41和两个连接杆42，两个所述连接杆42分别设置在所述立方体上下两个面的对角线上，且所述连接杆42的两端分别与对应的两个所述球形传声器支座1固定连接，所述支撑杆41设置在所述立方体的外包络球面的球心轴线上，且所述支撑杆41与所述连接杆42固定连接。
[0043]
本实施例中，位于立方体上下两个面的连接杆42交错设置，这样可以增加立方体架构的结构强度。而将支撑杆41设置在立方体的外包络球面的球心轴线上，其不仅可以保持立方体架构的对称性，提高支撑效果，而且可以大幅减少对声场影响小，提高声场重构与声源定位的精度。
[0044]
本发明一实施例提供一种空心立方形传声器阵列的使用方法，包括以下步骤：
[0045]
s1、将空心立方形传声器阵列放置在目标环境中，获取声压频域数据，作为声场重构与声源识别定位计算的输入数据；具体在应用时，将空心立方形传声器阵列布置在目标环境中，采集声压时域数据，经傅里叶变换与滤波处理后，获得声压频域数据。
[0046]
s2、根据所述输入数据计算出近似的待定系数
[0047]
s3、根据近似的待定系数计算重构声压；
[0048]
s4、根据重构声压重构出声源结构所能包络的最大球面内部区域的声压分布，识别定位声源。
[0049]
需要说明的是，本发明的声场重构与声源识别定位采用的方法为球面声全息法，其理论基础是声学波动方程。对于内部空间问题，声学波动方程通过变量分离，通解为：
[0050][0051]
式中：(r,θ,φ)表示任意一点坐标，p表示声压，ω表示角频率，k表示波数，jn(kr)表示球贝塞尔函数，表示球谐函数，a
mn
表示待定系数。
[0052]
假设一个半径为a球心与原点重合的虚拟球面，在角频率ω下，可以测量出此球面上各处的声压p(a,θ,φ；ω)。对通解两边同时乘并进行球面二重积分可解出待定系数a
mn
：
[0053][0054]
根据求解得出的系数a
mn
，即可求得内部空间中任意一点的声压。上式计算待定系数需要假设整个球面表面上连续的声压值是已知的，在实际中只能在球面上离散的位置处布置有限个传声器来进行声压值测量，采用球面数值积分法逼近在整个球面上的连续积分。
[0055]
具体地，在本发明一实施例中，所述步骤s2中，采用球面数值积分法逼近在整个球面上的连续积分，得出近似的系数
[0056][0057]
上式中m表示传声器数量，wi表示各传声器相应的权重。
[0058]
在本发明一实施例中，所述空心立方形传声器阵列的各个传声器都处于球面对称分布，所述离散积分点的积分权重都相等；
[0059][0060]
其中，m＝8。
[0061]
在本发明一实施例中，同时，由于为a
mn
的近似值，受误差的影响，所述重构声压将声学波动方程的通解公式中的无穷项截至为有限项n，其计算公式如下：
[0062][0063]
式中：ω表示角频率，k表示波数，jn(kr)表示球贝塞尔函数，表示球谐函数，表示近似的待定系数。
[0064]
本发明中，p
rec
即为重构声压。通过重构出声源结构所能包络的最大球面内部区域的声压分布，可达到识别定位声源的目的。
[0065]
综上所述，本发明的优点如下：
[0066]
1)、采用了刚性结构、结构简单可靠，避免了由于结构不稳定导致传声器位置偏移带来的误差。
[0067]
2)、每个节点处连接的刚性支架数量少，对声场的影响小，有利于提高声场重构精度。
[0068]
3)、8个传声器作为信号采集前端，结合球面声全息法可以应用于声音信号采集、声场重构及声源识别定位等场合。
[0069]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0070]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。