[发明专利]伞形可重组三维传声器阵列识别声源三维坐标的方法

说明书

技术领域

本发明属于结构声学、气动声学、水声学、信号处理、图像处理、噪声—振动控制等交叉领域，具体的说是一种采用伞形可重组三维传声器阵列识别声源三维坐标的方法。

背景技术

波束形成器阵列性能的好坏在很大程度上取决于几何阵列本身的设计，阵列布局的不同对声源识别结果会产生很大的影响。如今已有的三维阵列主要有半球形传声器阵列、球形传声器阵列、多层立体网格阵列、星形阵列。其中球形传声器阵列适合内声场测量，复杂度高。多层立体网格阵列优势是在不增加传声器数目的前提下，减少了栅瓣和虚影的影响。

现有波束成形方法和声源定位技术应用于三维声源识别定位时的局限性有：(1)多层立体网格阵列设计时相邻传声器之在间的间隔和相邻两层之间的间隔是一样的，导致四棱锥面的倾角固定不变，也就是分析频率范围不变。(2)无法有效区分声源位于阵列的前侧还是后侧，容易造成前后模糊。

发明内容

本发明要避免上述技术所存在的不足之处，自行开发设计制作伞形可重组三维传声器阵列识别声源三维坐标的方法，提供了一种方便快捷的相对最佳的声源识别定位的阵列。

本发明提出的识别声源三维坐标的波束成形方法，是在星形阵列的外观设计上加以改进，变为伞状结构，通过主轴上安装的滑动把手同时控制三根杆的倾角，和改变布置有传声器的连杆的倾角来调节阵列的张角，使阵列孔径随张角的变化而变化，并且传声器间距可调节，从而获得相对最佳的声源识别定位效果。

下面对本发明方法做进一步说明。

(1)开发设计制作一伞形可重组三维传声器，假设其一主轴长为L₁，每根连杆长均为L₂，每个支杆长均为L₃，连杆与支杆联接点到滑动握把距离为L₄，连杆数均为N，选取第一个传声器到主轴与连杆连接点的距离为d₀。

(2)伞形可重组三维传声器阵列的阵元间距d₁最小约为0.02m，其阵元最大间距约为根据空间采样定律，所以其可分析频率范围约为200Hz-8kHz。

(3)建立空间直角坐标系，即以主轴与支杆联接点O为原点，主轴为Z轴方向，连杆1在ZOY平面上。由于三根连杆在圆锥面上是均匀分布的，可计算出连杆与主轴之间夹角随滑动握把到小连接环的距离z变化的函数关系，即

(4)按照设计要求，连杆与主轴之间夹角变化范围为当夹角为滑动握把运动到极限位置一，阵列具有最小张角主轴上极限位置一到原点O的距离为z₁；当夹角为滑动握把运动到极限位置二，阵列具有最大张角θ_max＝90°，三根连杆在同一面上，阵列为平面阵列，主轴上极限位置二到原点O的距离为z₂。那么，滑动握把最大移动范围Δz_max。在极限位置一处标上刻度θ_min，在极限位置二处标上刻度θ_max。

(5)连杆上每个传声器空间坐标(x_ij,y_ij,z_ij),(i＝1，2，3；j＝1，…，M/3)随变化的函数关系，那么所有传声器在X、Y、Z方向的坐标用矩阵表示如公式所示，其中每行对应每一个连杆，一行中的每列对应一个连杆上每个传声器位置坐标。即

(6)传声器坐标的具体表达式如下：

x_1j＝0

其中P_j(M)为阵元间距变化函数。

(7)根据步骤(6)的公式可得到传声器的坐标，再根据识别定位三维声源波束成形的理论，波束成形原理结合轮辐阵列识别定位三维声源的方法，可得伞形可重组三维传声器阵列得到对声源识别定位的三维识别定位效果。

本发明的优点是：在进行声源深度识别时，能消除阵列前侧或后侧的伪声源，区分声源位于阵列的前侧或后侧，突破了由于平面阵列的局限性造成的前后模糊。以HPWB(即3dB带宽，其物理意义就是功率在减少到一半之前的频带宽度，表示在该带宽内集中了一半的功率)作为评价指标，伞形可重组三维传声器阵列在X、Y轴方向上对声源的识别定位效果要明显好于轮辐阵列。

附图说明

图1本发明使用的伞形可重组三维传声器阵列结构示意图。