傘形可重組三維傳聲器陣列識(shí)別聲源三維坐標(biāo)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)聲學(xué)、氣動(dòng)聲學(xué)、水聲學(xué)、信號(hào)處理、圖像處理、噪聲一振動(dòng)控制等 交叉領(lǐng)域，具體的說是一種采用傘形可重組=維傳聲器陣列識(shí)別聲源=維坐標(biāo)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 波束形成器陣列性能的好壞在很大程度上取決于幾何陣列本身的設(shè)計(jì)，陣列布局 的不同對聲源識(shí)別結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的影響。如今已有的Ξ維陣列主要有半球形傳聲器陣 列、球形傳聲器陣列、多層立體網(wǎng)格陣列、星形陣列。其中球形傳聲器陣列適合內(nèi)聲場測量， 復(fù)雜度高。多層立體網(wǎng)格陣列優(yōu)勢是在不增加傳聲器數(shù)目的前提下，減少了柵瓣和虛影的 影響。
[0003] 現(xiàn)有波束成形方法和聲源定位技術(shù)應(yīng)用于Ξ維聲源識(shí)別定位時(shí)的局限性有：（1) 多層立體網(wǎng)格陣列設(shè)計(jì)時(shí)相鄰傳聲器之在間的間隔和相鄰兩層之間的間隔是一樣的，導(dǎo)致 四棱錐面的傾角固定不變，也就是分析頻率范圍不變。（2)無法有效區(qū)分聲源位于陣列的前 側(cè)還是后側(cè)，容易造成前后模糊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要避免上述技術(shù)所存在的不足之處，自行開發(fā)設(shè)計(jì)制作傘形可重組Ξ維傳 聲器陣列識(shí)別聲源Ξ維坐標(biāo)的方法，提供了一種方便快捷的相對最佳的聲源識(shí)別定位的陣 列。
[0005] 本發(fā)明提出的識(shí)別聲源Ξ維坐標(biāo)的波束成形方法，是在星形陣列的外觀設(shè)計(jì)上加 W改進(jìn)，變?yōu)閭銧罱Y(jié)構(gòu)，通過主軸上安裝的滑動(dòng)把手同時(shí)控制Ξ根桿的傾角，和改變布置有 傳聲器的連桿的傾角來調(diào)節(jié)陣列的張角，使陣列孔徑隨張角的變化而變化，并且傳聲器間 距可調(diào)節(jié)，從而獲得相對最佳的聲源識(shí)別定位效果。
[0006] 下面對本發(fā)明方法做進(jìn)一步說明。
[0007] (1)開發(fā)設(shè)計(jì)制作一傘形可重組Ξ維傳聲器，假設(shè)其一主軸長為^，每根連桿長均 為L2,每個(gè)支桿長均為L3,連桿與支桿聯(lián)接點(diǎn)到滑動(dòng)握把距離為以，連桿數(shù)均為Ν，選取第一 個(gè)傳聲器到主軸與連桿連接點(diǎn)的距離為do。
[000引 （2)傘形可重組Ξ維傳聲器陣列的陣元間距山最小約為0.02m，其陣元最大間距約 為λ/?Ζ。，根據(jù)空間采樣定律，所W其可分析頻率范圍約為200HZ-8曲Z。
[0009] (3)建立空間直角坐標(biāo)系，即W主軸與支桿聯(lián)接點(diǎn)0為原點(diǎn)，主軸為Ζ軸方向，連桿1 在Ζ0Υ平面上。由于Ξ根連桿在圓錐面上是均勻分布的，可計(jì)算出連桿與主軸之間夾角0隨 滑動(dòng)握把到小連接環(huán)的距離Ζ變化的函數(shù)關(guān)系，即
[0010]
[0011]
[001^ (4)按照設(shè)計(jì)要求，連桿與主軸之間夾角祭變化范圍為[巧妍，;,、]'當(dāng)夾角婷為 ，滑動(dòng)握把運(yùn)動(dòng)到極限位置一，陣列具有最小張角也。=18F -知ax，主軸上極限位置一 到原點(diǎn)0的距離為Z1;當(dāng)夾角0為觀，滑動(dòng)握把運(yùn)動(dòng)到極限位置二，陣列具有最大張角0max = 90°，Ξ根連桿在同一面上，陣列為平面陣列，主軸上極限位置二到原點(diǎn)0的距離為Z2。那 么，滑動(dòng)握把最大移動(dòng)范圍A Zmax。在極限位置一處標(biāo)上刻度0min，在極限位置二處標(biāo)上刻度 6max〇
[OOU] (5)連桿上每個(gè)傳聲器空間坐標(biāo)(Xij，yij，zij)，（i = l，2,3; j = l，···，M/3)隨.0變化 的函數(shù)關(guān)系，那么所有傳聲器在Χ、Υ、Ζ方向的坐標(biāo)用矩陣表示如公式所示，其中每行對應(yīng)每 一個(gè)連桿，一行中的每列對應(yīng)一個(gè)連桿上每個(gè)傳聲器位置坐標(biāo)。即
[0014]
[0015] (6)傳聲器坐標(biāo)的具體表達(dá)式如下：
[0025] 其中門(Μ)為陣元間距變化函數(shù)。
[0026] (7)根據(jù)步驟(6)的公式可得到傳聲器的坐標(biāo)，再根據(jù)識(shí)別定位Ξ維聲源波束成形 的理論，波束成形原理結(jié)合輪福陣列識(shí)別定位Ξ維聲源的方法，可得傘形可重組Ξ維傳聲 器陣列得到對聲源識(shí)別定位的Ξ維識(shí)別定位效果。
[0027] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:在進(jìn)行聲源深度識(shí)別時(shí)，能消除陣列前側(cè)或后側(cè)的偽聲源，區(qū)分 聲源位于陣列的前側(cè)或后側(cè)，突破了由于平面陣列的局限性造成的前后模糊。WHPWB(即 3地帶寬，其物理意義就是功率在減少到一半之前的頻帶寬度，表示在該帶寬內(nèi)集中了一半 的功率)作為評價(jià)指標(biāo)，傘形可重組Ξ維傳聲器陣列在Χ、Υ軸方向上對聲源的識(shí)別定位效果 要明顯好于輪福陣列。
【附圖說明】
[00%]圖1本發(fā)明使用的傘形可重組Ξ維傳聲器陣列結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖2傘形可重組Ξ維傳聲器陣列的尺寸標(biāo)注示意圖。
[0030] 圖3仿真驗(yàn)證流程圖。
[0031] 圖4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證流程圖。
[0032] 圖5輪福陣列定位單個(gè)聲源的結(jié)果仿真。
[0033] 圖6輪福陣列定位單個(gè)聲源的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0034] 圖7傘形可重組Ξ維傳聲器陣列識(shí)別定位單個(gè)聲源的結(jié)果仿真。
[0035] 圖8傘形可重組Ξ維傳聲器陣列識(shí)別定位單個(gè)聲源的試驗(yàn)結(jié)果。
[0036] 圖9輪福陣列在X、Υ軸方向上HPBW隨聲源頻率f的變化關(guān)系
[0037] 圖10形可重組Ξ維傳聲器陣列在Χ、Υ、Ζ軸方向上HPBW隨聲源頻率f的變化關(guān)系。 具體實(shí)施方案
[0038] 下面通過具體實(shí)施例子對本發(fā)明作進(jìn)一步地描述
[0039] 本實(shí)施例子中主要分別展示二維平面輪福陣列對聲源識(shí)別定位的Ξ維識(shí)別定位 效果和傘形可重組Ξ維傳聲器陣列對聲源識(shí)別定位的Ξ維識(shí)別定位效果。輪福陣列在在X、 Y軸方向上冊BW隨聲源頻率f的變化關(guān)系和傘形可重組Ξ維傳聲器陣列在Χ、Υ、Ζ軸方向上 HPBW隨聲源頻率f的變化關(guān)系。
[0040] 根據(jù)圖分別設(shè)置仿真和試驗(yàn)參數(shù):設(shè)重構(gòu)的聲場為長方體，其中屯、位于坐標(biāo)原點(diǎn) 0，其邊界條件為-lm<xf<lm、-lm<パ<lm、-5m<zf<5m，設(shè)X、Y軸方向的間距均為0.01m，Z 軸方向的間距為0.1m。
[0041 ] 假設(shè)聲源為點(diǎn)聲源，暫不考慮背景噪聲，聲源坐標(biāo)為(0.04m，-0.08m，Im)，聲源頻 率為4曲z，點(diǎn)源的強(qiáng)度為IPa。
[0042] 根據(jù)前面設(shè)置的仿真參數(shù)，通過圖3和圖4的操作流程，可W得到二維平面輪福陣 列定位單個(gè)聲源的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0043] 圖5和圖6明通過輸出最大聲場響應(yīng)|V(Xf ,yf,zk, ω ) |max所在的空間位置，可W識(shí) 別定位單個(gè)窄帶Ξ維聲源的位置，但在Z軸對稱于輪福陣列的負(fù)方向上存在一個(gè)偽聲源，該 結(jié)果驗(yàn)證了理論分析中得出的結(jié)論，二維平面陣列結(jié)合本方法能夠正確地識(shí)別定位陣列前 方的Ξ維聲源的位置，但是在Z方向存在前后模糊的局限性
[0044] 傘形可重組Ξ維傳聲器陣列上傳聲器總數(shù)Μ為30,傳聲器間距變化方式為等比間 距，陣列張角Θ為60度，在陣列孔徑保持不變的情況下，根據(jù)公式可得到傳聲器的坐標(biāo)，
[0045] 再根據(jù)圖3和圖4操作流程可得傘形可重組Ξ維傳聲器陣列對聲源識(shí)別定位的Ξ 維識(shí)別定位效果。
[0046] 圖7和圖8表明通過輸出OdB所在的空間位置，能識(shí)別定位聲源X、Υ、Ζ軸方向的坐 標(biāo)，而且HPBW的空間分布很小，在進(jìn)行聲源深度識(shí)別時(shí)，不會(huì)在對稱的巧由方向產(chǎn)生一個(gè)偽 聲源，能夠區(qū)分聲源位于陣列的前側(cè)或后側(cè)，突破了由于平面陣列的局限性造成的前后模 糊。
[0047] 再驗(yàn)證聲源頻率f變化對陣列性能的影響。對于輪福陣列，假設(shè)聲源頻率f變化區(qū) 間為500化至化曲Z，變化間距為lOOHz，聲源的Χ、Υ、Ζ坐標(biāo)為(0.05111，-0.05111，0.5111)，重構(gòu)點(diǎn)^ 變化區(qū)間為-0.5m至Ij0.5m，變化間距為0.01m、yf = y〇、zf = ζ〇,此時(shí)可W得到輪福陣列在X軸 方向的HPBW隨聲源頻率的變化關(guān)系；當(dāng)重構(gòu)點(diǎn)yf變化區(qū)間為-ο . 5m到ο . 5m，變化間距為 0.0 Im、xf = Μ、zf = ZO時(shí)，可W得到在X、Y軸方向上HPBW隨聲源頻率的變化關(guān)系。
[0048] 傘形可重組Ξ維傳聲器陣列上傳聲器總數(shù)為30，不同的是聲源頻率f在變化，其變 化區(qū)間為500Hz到化化，變化間距為500Hz，然后通過所得的各個(gè)聲源頻率下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì) 算X、Y軸方向上的HPBW，可得傘形可重組Ξ維傳聲器陣列的HPBW隨聲源頻率f的變化趨勢。
[0049] 圖9和圖10表明，相比較輪福陣列在較近距離上對聲源進(jìn)行識(shí)別定位，其HPBW明顯 大于傘形可重組Ξ維傳聲器陣列，說明WHPWB作為評價(jià)指標(biāo)，傘形可重組Ξ維傳聲器陣列 在Χ、Υ軸方向上對聲源的識(shí)別定位效果要明顯好于輪福陣列。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.傘形可重組三維傳聲器陣列識(shí)別聲源三維坐標(biāo)的方法，按如下步驟進(jìn)行： (1) 開發(fā)設(shè)計(jì)制作一傘形可重組三維傳聲器，假設(shè)其一主軸長為Li，每根連桿長均為L2， 每個(gè)支桿長均為L 3,連桿與支桿聯(lián)接點(diǎn)到滑動(dòng)握把距離為L4,連桿數(shù)均為N，選取第一個(gè)傳聲 器到主軸與連桿連接點(diǎn)的距離為do; (2) 傘形可重組三維傳聲器陣列的陣元間距cU最小為0.02m，其陣元最大間距約為 根據(jù)空間采樣定律，其可分析頻率范圍約為200Hz-8kHz; (3) 建立空間直角坐標(biāo)系，即以主軸與支桿聯(lián)接點(diǎn)0為原點(diǎn)，主軸為Z軸方向，連桿1在 Z0Y平面上；由于三根連桿在圓錐面上是均勻分布的，可計(jì)算出連桿與主軸之間夾角P隨滑 動(dòng)握把到小連接環(huán)的距離z變化的函數(shù)關(guān)系，即(4) 按照設(shè)計(jì)要求，連桿與主軸之間夾角爐變化范圍為[I，當(dāng)夾角P為於_，滑 動(dòng)握把運(yùn)動(dòng)到極限位置一，陣列具有最小張角九to = M() -，主軸上極限位置一到原點(diǎn)〇 的距離為Z1;當(dāng)夾角夢為奶_，滑動(dòng)握把運(yùn)動(dòng)到極限位置二，陣列具有最大張角9 max = 90°，三 根連桿在同一面上，陣列為平面陣列，主軸上極限位置二到原點(diǎn)〇的距離為Z2;那么，滑動(dòng)握 把最大移動(dòng)范圍A Zmax;在極限位置一處標(biāo)上刻度0min，0min表示主軸與連桿的最小張角，在 極限位置二處標(biāo)上刻度9 max，9max表示主軸與連桿的最大張角； (5) 連桿上每個(gè)傳聲器空間坐標(biāo)(Xij，yij，zij)，（i = l，2,3; j = l，…，M/3)隨爐變化的函 數(shù)關(guān)系，Μ表示傳聲器的總數(shù)，那么所有傳聲器在X、Y、Z方向的坐標(biāo)用矩陣表示如公式所示， 其中每行對應(yīng)每一個(gè)連桿，一行中的每列對應(yīng)一個(gè)連桿上每個(gè)傳聲器位置坐標(biāo);即(6) 傳聲器坐標(biāo)的具體表達(dá)式如下： xij = 0z3j. = ζ- Pj(M) [cosφ\ 其中h(M)為陣元間距變化函數(shù)； (7)根據(jù)步驟(5)的公式可得到傳聲器的坐標(biāo)，再根據(jù)識(shí)別定位三維聲源波束成形的理 論，波束成形原理結(jié)合輪輻陣列識(shí)別定位三維聲源的方法，可得傘形可重組三維傳聲器陣 列得到對聲源識(shí)別定位的三維識(shí)別定位效果。
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種采用傘形可重組三維傳聲器陣列識(shí)別定位聲源三維坐標(biāo)的方法。該方法基于近場球面波聲場，采用波束成形原理，并結(jié)合傘形陣列識(shí)別定位聲源三維坐標(biāo)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于能借助傘型陣列消除陣列前側(cè)或后側(cè)的偽聲源，突破由于二維平面陣列的局限性造成的前后模糊。以HPWB(即3dB帶寬，其物理意義就是功率在減少到一半之前的頻帶寬度，表示在該帶寬內(nèi)集中了一半的功率)作為評價(jià)指標(biāo)，傘形可重組三維傳聲器陣列在X、Y軸方向上對聲源的識(shí)別定位效果要明顯好于輪輻陣列。
【IPC分類】G01S5/22
【公開號(hào)】CN105629202
【申請?zhí)枴緾N201610167600
【發(fā)明人】丁浩, 吳化平, 陳恒, 張征
【申請人】浙江工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2016年3月23日