CN103344319B - 环境噪声场强度及分布的阵列式检测与估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种环境噪声场强度及分布的阵列式检测与估计方法，该方法通过阵列式设置驻极体传声器，并对该驻极体传声器阵列采用特定结构、特殊材料的包封，形成球冠状声音传感器阵列；每个驻极体传声器声孔与包封外壳上的通孔对应，包封外壳上的通孔采用多孔金属复合结构材料间隔式填充；按照巡回和同步方式采集每一个与包封外壳上未填充通孔的驻极体传声器信号以及与该驻极体传声器相邻的包封外壳上的通孔填充后的驻极体传声器信号，对低频背景噪音抑制后进行噪声强度的功率谱估计，最后建立环境噪声场强度及分布模型；解决了测量高频噪声时灵敏度低、难以确定噪声分布和场强的技术问题。

Description

环境噪声场强度及分布的阵列式检测与估计方法

技术领域

 本发明涉及环境噪声场检测与评估方法，特别涉及一种环境噪声场强度及分布的阵列式检测与估计方法，属于环境监测与环境保护技术领域。

背景技术

噪声污染是继大气污染、水污染和固体废料污染之后的第四大环境公害，由其引发的投诉事件数量一直居各类环境污染投诉事件的首位，严重威胁人们的正常工作、生活和身体健康；实施环境噪声检测是把握噪声污染现状，进行环境噪声科学有效控制的基本要求。随着国家经济建设的快速发展，有关噪声的环境污染问题正越来越受到人们的重视。

传声器是一种将声音信号转换为电信号的换能器件，以换能方式分为电阻式、电感式、静电式、压电式四种类型；碳精电极传声器是电阻式传声器的最早实现形式，利用电阻换能的方式，原理是利用碳精间接触电阻受声压作用产生变化，以此获得相应变化的电信号；现常用的声音传感器分为动圈式、电容式、压电式、铝带式、碳粒式和半导体式等，其中电容式驻极体传声器相对于其他传声器具有高可靠性、耐震性和在检测频段内特性均匀等优势，占据着大部分市场份额。专利“方鹏、朱彪．薄膜型扬声器阵列[P] ．中国: CN102143425A．2011-05-06”公开了一种薄膜型扬声器阵列，包括压电驻极体薄膜及线路板组件，由一列单元扬声器组成，具有水平覆盖均匀、垂直指向性强、辐射区内声能衰减较小等特点，但只是针对线性声音具有较好的效果，对于复杂环境下多方位、高频带内的噪声信号，无法保证声音信号的质量；专利“奚飞．一种驻极体传声器[P] ．中国: CN102780952A．2012-11-14”公开了一种驻极体传声器，通过简化了原有设备中多个部件，减小了组件体积，但在检测性能上并没有很大的提高，特别是针对频率较高的噪声信号，无法准确地从大环境声音信号中提取出来，此外设备音孔只能朝向一个方向，在复杂环境下的安装受到了很大限制，难以进行全方位监视与检测分析。

现有的噪声监测方式大多以单个容式话筒等宽频带声电转换装置作为噪声检测传感器的感应部件，通过模数转换后对采样得到的声音信号进行处理分析，但传统麦克或扬声器往往只在常用低频段内具有较好的线性度，对于噪声这类频域较高的不规律信号，特别是在复杂多杂波背景下，通过现有检测装置后会产生较大失真，难以有效检测出高频噪声信号；在不同环境下，由于所处环境背景的影响，背景杂音和干扰噪声往往混叠在一起难以区分，对于这类情况下的噪声就需要在噪声采集源头对所要采集的声音频段进行选择，现有的单一材质噪声传感器无法在这类情况下使用，目前广为使用的噪声检测设备往往受到使用环境的干扰，无法对高频噪声全方位检测，敏感度较低，难以与频率较低的普通音频信号明显区分，存在高频噪声检测不充分的缺陷，难以全方位客观地评价当前环境的噪声污染程度，此外更无法根据实时监测的数据判断噪声污染源的方位和噪声分布。

发明内容

为了克服现有技术在测量高频噪声时灵敏度低、难以确定噪声分布和场强的技术缺陷，本发明提供了一种环境噪声场强度及分布的阵列式检测与估计方法，该方法通过阵列式设置驻极体传声器，并对该驻极体传声器阵列采用多孔结构、填充材料的包封，形成球冠状声音传感器阵列；每个驻极体传声器声孔与包封外壳上的通孔对应，包封外壳上的通孔采用多孔金属复合结构材料间隔式填充；按照巡回和同步方式采集每一个与包封外壳上未填充通孔对应的驻极体传声器信号以及与该驻极体传声器相邻的包封外壳上的通孔填充后的驻极体传声器信号，对低频背景噪音抑制后进行噪声强度的功率谱估计，最后建立环境噪声场强度及分布模型；解决了测量高频噪声时灵敏度低、难以确定噪声分布和场强的技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种环境噪声场强度及分布的阵列式检测与估计方法，其特点如下：

(1) 通过阵列式设置驻极体传声器，并对该驻极体传声器阵列采用多孔结构、填充材料的包封，形成球冠状声音传感器阵列；每个驻极体传声器声孔与包封外壳上的通孔一一对应且垂直于外壳表面，包封外壳上的通孔间隔式采用多孔金属复合结构材料填充，包封外壳上的通孔填充后使得驻极体传声器声孔与外界环境进行高频隔离，而包封外壳上未填充的通孔使得驻极体传声器声孔直接与外界环境相通无任何频段隔离；包封外壳上的通孔轴线通过圆心，用极坐标的方位角和高低角表达；球冠状包封外壳加工过程为：先在平板材料上打阵列式通孔、间隔性填充后在球冠形模具上加工成球冠状包封外壳；结构示意图参照附图1、附图2和附图3；

(2) 采用多个同步A/D同时采集某一个与包封外壳上未填充通孔对应的驻极体传声器信号以及与该驻极体传声器相邻的包封外壳上的通孔填充后的驻极体传声器信号，多个同步采集的信号构成1个点的信号组；按照巡回和同步方式采集每一个与包封外壳上未填充通孔对应的驻极体传声器信号以及与该驻极体传声器相邻的包封外壳上的通孔填充后的驻极体传声器信号，完成一次完整采集；

(3)  第i个与包封外壳上未填充通孔对应的驻极体传声器第k次A/D同步采集得到的信号组按照以下方式抑制低频背景噪音：

式中：为第i个与包封外壳上未填充通孔对应的驻极体传声器的极坐标方位角和高低角，为巡回采样周期；为第i个与包封外壳上未填充通孔对应的驻极体传声器第k次A/D采集值，为该驻极体传声器相邻的包封外壳上的通孔填充后的驻极体传声器信号采集值，为系数，当第i个驻极体传声器处于球冠状声音传感器阵列底部且与包封外壳上未填充通孔对应时，当第i个驻极体传声器不处于球冠状声音传感器阵列底部且与包封外壳上未填充通孔对应时m=4”；

 (4) 得到采集序列后，直接估计其噪声强度的功率谱；式中N为设定的巡回采集次数；

(5) 噪声场的模型为：

式中：为给定极坐标方位角和高低角处的噪声强度，为基本模型，取，

为候选模型，取，为最强噪声方向与包封外壳上未填充通孔对应的驻极体传声器的极坐标方位角和高低角；、、、和为待定系数，通过系统辨识方法可以确定。

本发明的有益效果是：通过阵列式设置驻极体传声器，并对该驻极体传声器阵列采用多孔结构、填充材料的包封，形成球冠状声音传感器阵列；每个驻极体传声器声孔与包封外壳上的通孔对应，包封外壳上的通孔间隔式采用多孔金属复合结构材料填充；按照巡回和同步方式采集每一个与包封外壳上未填充通孔对应的驻极体传声器信号以及与该驻极体传声器相邻的包封外壳上的通孔填充后的驻极体传声器信号，对低频背景噪音抑制后进行噪声强度的功率谱估计，最后建立环境噪声场强度及分布模型；解决了测量高频噪声时灵敏度低、难以确定噪声分布和场强的技术问题。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

附图1：驻极体传声器噪声检测器的结构图；

附图2：球冠状包封外壳加工过程的平板材料上打阵列式通孔、间隔性填充后的示意图；

附图3：多孔金属复合结构填充材料结构示意图。

具体实施方式

参照附图1、附图2、附图3。

(1) 通过阵列式设置驻极体声传声器，并对该驻极体传声器阵列采用多孔结构、填充材料的包封，形成球冠状声音传感器阵列；每个驻极体传声器声孔与包封外壳上的通孔一一对应且垂直与外壳表面，包封外壳上的通孔间隔式采用多孔金属复合结构材料填充，包封外壳上的通孔填充后使得驻极体传声器声孔与外界环境进行高频隔离，而包封外壳上未填充的通孔使得驻极体传声器声孔直接与外界环境相通无任何频段隔离；包封外壳上的通孔轴线通过圆心，用极坐标的方位角和高低角表达；球冠状包封外壳加工过程为：先在平板材料上打阵列式通孔、间隔性填充后在球冠形模具上加工成球冠状包封外壳；结构示意图参照附图1、附图2和附图3；

 (2) 采用多个同步A/D同时采集某一个与包封外壳上未填充通孔对应的驻极体传声器信号以及与该驻极体传声器相邻的包封外壳上的通孔填充后的驻极体传声器信号，多个同步采集的信号构成1个点的信号组；按照巡回和同步方式采集每一个与包封外壳上未填充通孔对应的驻极体传声器信号以及与该驻极体传声器相邻的包封外壳上的通孔填充后的驻极体传声器信号，完成一次完整采集；

(3)  第i个与包封外壳上未填充通孔对应的驻极体传声器第k次A/D同步采集得到的信号组按照以下方式抑制低频背景噪音：

式中：为第i个与包封外壳上未填充通孔对应的驻极体传声器的极坐标方位角和高低角，为巡回采样周期；为第i个与包封外壳上未填充通孔对应的驻极体传声器第k次A/D采集值，为该驻极体传声器相邻的包封外壳上的通孔填充后的驻极体传声器信号采集值，为系数，当第i个驻极体传声器处于球冠状声音传感器阵列底部且与包封外壳上未填充通孔对应时，当第i个驻极体传声器不处于球冠状声音传感器阵列底部且与包封外壳上未填充通孔对应时m=4”；

对应ｎｇ求书中 (4) 得到采集序列后，可以直接估计其噪声强度的功率谱和该测试点的噪声强度；式中N为设定的巡回采集次数；

(5) 噪声场的模型为：

式中：为给定极坐标方位角和高低角处的噪声强度，为基本模型，取，

为候选模型，取，为最强噪声方向与包封外壳上未填充通孔对应的驻极体传声器的极坐标方位角和高低角；、、、和为待定系数，通过系统辨识中的逐步回归法可以确定。

Claims (1)

1.一种环境噪声场强度及分布的阵列式检测与估计方法，其特点如下：

(1) 通过阵列式设置驻极体传声器，并对该驻极体传声器阵列采用多孔结构、填充材料的包封，形成球冠状声音传感器阵列；每个驻极体传声器声孔与包封外壳上的通孔一一对应且垂直于外壳表面，包封外壳上的通孔间隔式采用多孔金属复合结构材料填充，包封外壳上的通孔填充后使得驻极体传声器声孔与外界环境进行高频隔离，而包封外壳上未填充的通孔使得驻极体传声器声孔直接与外界环境相通无任何频段隔离；包封外壳上的通孔轴线通过圆心，用极坐标的方位角和高低角表达；球冠状包封外壳加工过程为：先在平板材料上打阵列式通孔、间隔性填充后在球冠形模具上加工成球冠状包封外壳；

 (2) 采用多个同步A/D同时采集某一个与包封外壳上未填充通孔对应的驻极体传声器信号以及与该驻极体传声器相邻的包封外壳上的通孔填充后的驻极体传声器信号，多个同步采集的信号构成1个点的信号组；按照巡回和同步方式采集每一个与包封外壳上未填充通孔对应的驻极体传声器信号以及与该驻极体传声器相邻的包封外壳上的通孔填充后的驻极体传声器信号，完成一次完整采集；

(3)  第i个与包封外壳上未填充通孔对应的驻极体传声器第k次A/D同步采集得到的信号组按照以下方式抑制低频背景噪音：

式中：为第i个与包封外壳上未填充通孔对应的驻极体传声器的极坐标方位角和高低角，为巡回采样周期；为第i个与包封外壳上未填充通孔对应的驻极体传声器第k次A/D采集值，为该驻极体传声器相邻的包封外壳上的通孔填充后的驻极体传声器信号采集值，为系数，当第i个驻极体传声器处于球冠状声音传感器阵列底部且与包封外壳上未填充通孔对应时，当第i个驻极体传声器不处于球冠状声音传感器阵列底部且与包封外壳上未填充通孔对应时m=4”；

 (4) 得到采集序列后，直接估计其噪声强度的功率谱；式中N为设定的巡回采集次数；

(5) 噪声场的模型为：

式中：为给定极坐标方位角和高低角处的噪声强度，为基本模型，取，

为候选模型，取，为最强噪声方向与包封外壳上未填充通孔对应的驻极体传声器的极坐标方位角和高低角；、、、和为待定系数，通过系统辨识方法可以确定。