[发明专利]一种用于目标噪声测试的三维声学传感器阵列

说明书

本发明公开了一种用于目标噪声测试的三维声学传感器阵列，采用螺旋双锥式声学传感器阵列，所述螺旋双锥式声学传感器阵列由N条直线阵组成。所述螺旋双锥式声学传感器阵列由圆柱阵演变而来，设一圆柱形阵列为N条相同直线声学传感器阵列在圆周方向均匀分布而成，固定最下层圆环，将顶层圆环绕圆柱轴旋转角度α，α值介于0°至180°之间，所形成的阵列即为螺旋双锥式阵列。本发明有益效果：本发明实现声学传感器阵列在三维空间进行辐射噪声的探测与测量，且通过调整声学传感器的位置控制阵列的束宽，实现水平方向与垂直方向束宽恒定。

技术领域

本发明涉及声学测量与声学探测技术领域，具体来说，涉及一种适用于宽带辐射噪声测试与三维空间分布噪声源被动探测的三维声学传感器阵列。

背景技术

噪声测量与噪声源识别定位测试技术广泛应用于船舶、航天航空、汽车行业、家电行业、电厂车间等环境噪声检测及其它各种机械设备的噪声检测领域中，通过了解噪声源的位置分布及部分发声特性，为降低噪声提供理论依据，进而改进产品设计，改善产品的声辐射特性，取得减振降噪效果。

传统的噪声测量与噪声源识别定位测试方法包括：

一.基于单个声学传感器的目标辐射噪声测试。当被测目标的声源级较高，测试系统所处的测试环境背景噪声级与被测目标声源级相比较低时，可以采用基于单个声学传感器的目标辐射噪声测试方法。基于单个声学传感器的目标辐射噪声测试方法可以在高信噪比的情况下对目标的声源级进行测量，但是不能对噪声源进行定位。

二.基于声学传感器阵列的辐射噪声测试。声学传感器阵列利用其结构特点能够获得有益于噪声测量测试的空间指向性，利用空间指向性可以提到在某一测量方向的信噪比，即空间增益，从而可以检测更微弱的噪声信号。基于声学传感器阵列的辐射噪声测试方法，既可以进行辐射噪声测量，也可以进行噪声源识别与定位。一般来说，声学传感器阵列结构，即给定数量的声学传感器在测试空间的分布形式，决定了空间增益的大小与空间指向性的分布特点。

三.恒定束宽波束形成技术，进行噪声测量的过程中，声学传感器阵列应该尽可能的将被测物体所辐射出来的噪声全部接收进来，则主波束应该完全覆盖待测目标如下图1，图中d₁为待测目标尺寸的一半，d₂为基阵中心距离待测目标的距离，根据d₁和d2可以得出最佳的主波束宽度θ，一般要求

而声学传感器阵列的尺寸以及阵元数目可以根据θ求得，另外的两种情况将对测量结果有影响，即主波束宽度相对于待测目标过窄或者过宽，如下图2和图3所示。

采用声学传感器阵列测量目标的宽带辐射噪声，不仅需要阵列的空间指向性聚焦在被测目标上，还需要在给定的信号测量频段内保持空间指向性的恒定，来确保所得信号的频谱特性不会发生畸变，例如，主波束过窄就不能获得目标全部辐射噪声而导致测量错误，而主波束过宽则会引入过多的环境背景噪声，导致信噪比降低，进而是测量结果不准确或者无效。对于常规波束形成，由于声学传感器阵列的空间指向性是频率的函数所以阵列的空间指向性图主波束宽度应该尽量与待测目标的尺寸相匹配。

四.线性嵌套阵的设计。线性嵌套阵不仅可以在比较宽的频率范围上实现恒定束宽波束形成，而且用这种方法来设计线列阵还可以节省阵元传感器，并减小基阵长度。通常，以基阵所要测量的信号的最高的频率波长的一半，作为最小的阵元间距。布阵时保持各个子阵的阵元数目相同，例如一个4层嵌套阵，所要测量的信号频率范围是[f0,fn]，则该基阵的最小阵元间距为d₁＝c/(2fn)，子阵1的阵元数目为M，子阵2的阵元间距为d₂＝2d₁，阵元数目同阵元1的相同为M。则子阵1和子阵2就可以测量一个倍频程频率的信号。子阵3的阵元间距为子阵2的2倍，即d₃＝2d₂，阵元数目为M个。同样，子阵4的阵元间距d₄＝2d₃，阵元数目为M。结构图如图4所示。