CN109451396A - 一种基于波束偏转的声场定向调控方法 - Google Patents

Abstract

一种基于波束偏转的声场定向调控方法，包括以下步骤：1)被控制声源声场信息采集，利用采集的信息进行声源重构；2)基于波束偏转的思想构建目标函数，通过求解目标函数最优化问题获得调控权向量，经驾驶到主动控制源后实现声场定向调控。本发明将被控制声源视作一个发射声源，与主动控制声源联合组成“发射阵”，通过主动控制源发射波束驾驶将波束最大凹陷区对准拟抑制的声场方向，从而在该方向实现多列声波干涉下的最大声场相消，达到声场定向调控的目的。该技术在低频定向隐声等领域具有潜在应用价值。

Description

一种基于波束偏转的声场定向调控方法

技术领域

本发明属于水下声场调控领域，具体涉及一种基于平面波波束形成的声场控制技术，通过调控主动控制源的幅度和相位，实现被控制源特定方向声场强度的抑制。

背景技术

随着噪声控制技术的发展，针对低频、局部声场的控制日益受到重视。部分技术在汽车噪声控制、耳机有源消声等领域已日趋成熟，在水下隐身领域的研究也日益受到关注。

声场线性调控技术通常通过预设主动控制声源的幅值、相位及频率，利用主动控制声源与被控制声源的声场干涉效应，达到削弱被控制声源局部声场强度的目的。由于能量守恒定理，主动声场调控技术无法实现全向能量场的削弱，在较大空间范围，如远场条件下，存在声场的起伏效应。

发明内容

本发明在辐射声源的特定方向上，要克服现有技术在远场的上述缺点，提供一种基于波束偏转的声场定向调控方法。

本发明借鉴平面波波束形成中不同方向声场增强或减弱的原理，通过波束偏转的方式实现被控制声场的定向削弱，达到削弱特定方向被控制声源声场强度的目的。

根据声波干涉原理，当主动控制声源与被控制声源的相位和幅度满足一定关系时，可实现声波的相干相消，从而在相消区域降低被控制源的声场强度。若主动控制声源数量增加，则通过多列声波的干涉，即波束调控，可进一步提高声场的调控效果。

参照图1所示的常规波束形成的波束模式图，为实现特定方向被控制声源声场强度的抑制，本发明通过波束形成将主动控制源及被控制源联合组成的“发射阵”的发射波束凹陷区(即多列声波干涉下的相消区)对准拟抑制的调控声场方向，从而实现拟抑制方向的声场削弱。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于波束偏转的声场定向调控方法包括以下步骤：

1)被控制声源声场信息采集：首先，通过布设于声场采集区的分布式水听器节点接收被控制声源的声压信号，根据接收到的信息提取被控制声源的频率、幅度、相位等信号参量，并根据声传播模型进行声场信息重构。

2)声场定向调控：将主动控制源及被控制源联合组成“发射阵”，利用步骤1)中提取的被控制声源声场信息，通过发射波束驾驶将波束最大凹陷区对准拟抑制的调控声场方向，从而在该方向实现多列声波干涉下的最大声场相消。

本发明的技术构思为：

利用分布式水听器节点采集被控制声源声场信息，并从中提取被控制声源的频率、幅度、相位等信号参量，在此基础上将被控制声源视作一个发射声源，与主动控制声源联合组成“发射阵”，通过发射波束驾驶将波束最大凹陷区对准拟抑制的调控声场方向，从而在该方向实现多列声波干涉下的最大声场相消，通过波束偏转达到声场定向调控的目的。

与现有的声场控制技术相比，本发明的技术特色主要表现在：

1)基于波束偏转的声场定向调控方法基于多列声波干涉相消的原理，利用现有的平面波阵处理技术，实现简单，在水下低频定向隐声等实际应用领域具有重要意义。

2)利用波束形成技术调节相位及幅度，波束凹陷区可灵活偏转，从而实现任意指定方向的声场削弱，对目标隐声领域具有重要的应用价值。

附图说明

图1是常规波束形成的波束模式图。

图2是基于波束偏转的声场定向调控系统示意图。

图3是被控制声源及主动控制声源布阵示意图。

图4a～图4c是被控制声源复合主动控制声源声场仿真示意图。其中图4a为复合阵波束模式图，其中主波束方向为140°，声场拟抑制方向为45°，图4b为距离3000m处随方位角φ变化的声压级，图4c为拟抑制方向φ＝45°随距离变化的声压级。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图2～图4c，一种基于波束偏转的声场定向调控方法，用于声场定向调控实现声能量重新分配的实施方式如下：

1)被控制声源声场信息采集；

首先，通过布设于声场采集区的分布式水听器节点接收被控制声源的声压信号，根据接收到的信息提取被控制声源的频率f、幅度及相位信息，并根据近远场声传播特性，将被控制声源按照点源重构为s₀(t)。

2)声场定向调控；

将主动控制声源及被控制声源联合组成“发射阵”。设主动控制声源数量为M，根据各主动控制声源与重构的被控制声源的位置关系，在远场平面波条件下，“联合发射阵”中各声源的阵列响应向量可表示为：

其中j为虚数单位，π为圆周率，上标H为共轭转置运算符，τ_m(φ)为第m(m＝1,2,...,M)个主动控制声源在方位角为φ时相对被控制声源的时延。

声场的定向调控通过对“联合发射阵”中各主动控制声源的发射信号进行线性加权实现。设加权向量记为c＝[c₀,c₁,c₂,...,c_M]^H，其中c₀为被控制声源的加权值，由于被控制声源不可控，故c₀＝1，为第m个主动控制源的加权值，其中A_m为第m个主动控制源的幅度加权值，t_m为第m个主动控制源相对重构的被控制声源的发射时延。线性加权后，远场φ方向的声压信号y(t)＝c^Hv(φ)s₀(t)。

在进行声场定向调控时，若需实现φ_i方向能量最小化，则可通过求解最优化问题

求得最优向量[A₁ A₂…A_M]以及[t₁ t₂…t_M]，代入c得最优加权向量c_o，将c_o加权到各主动控制声源后进行信号发射，与被控制声源形成叠加声场，该过程可等效为“联合发射阵”的信号发射。通过对主动控制声源的线性加权实现“联合发射阵”的波束偏转，达到声场定向调控的目的。

实例说明：为验证基于波束偏转的声场定向调控方法的有效性，开展仿真分析。参照图3，设被控制源坐标为(0,100m),主动控制源均匀分布在半径R_Marray＝1.6m的圆周上，主动控制声源数量M＝7，仿真中取频率f＝500Hz。

图4a为复合阵波束模式图，拟抑制方向φ_i＝45°，发射主波束驾驶到φ_d＝140°的方向；图4b为距离3000m处随方位角φ变化的声压级；图4c为拟抑制方向φ_i＝45°随距离变化的声压级。由图4b和图4c的仿真结果可以看出，拟抑制方向上被控制声源的声场强度弱化效果在10dB以上，说明基于波束偏转的声场定向调控方法的有效性。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.一种基于波束偏转的声场定向调控方法，包括如下步骤：

1)被控制声源声场信息采集：首先，通过布设于声场采集区的分布式水听器节点接收被控制声源的声压信号，根据接收到的信息提取被控制声源的频率f、幅度及相位信息，并根据近远场声传播特性，将被控制声源按照点源重构为s₀(t)；

2)声场定向调控：将主动控制声源及被控制声源联合组成“发射阵”；具体是：设主动控制声源数量为M，根据各主动控制声源与重构的被控制声源的位置关系，在远场平面波条件下，“联合发射阵”中各声源的阵列响应向量可表示为：

其中j为虚数单位，π为圆周率，上标H为共轭转置运算符，τ_m(φ)为第m(m＝1,2,...,M)个主动控制声源在方位角为φ时相对被控制声源的时延；

声场的定向调控通过对“发射阵”中各主动控制声源的发射信号进行线性加权实现；设加权向量记为c＝[c₀,c₁,c₂,...,c_M]^H，其中c₀为被控制声源的加权值，由于被控制声源不可控，故c₀＝1，为第m个主动控制源的加权值，其中A_m为第m个主动控制源的幅度加权值，t_m为第m个主动控制源相对重构的被控制声源的发射时延；线性加权后，远场φ方向的声压信号y(t)＝c^Hv(φ)s₀(t)；

在进行声场定向调控时，若需实现φ_i方向能量最小化，则可通过求解最优化问题

求得最优向量[A₁ A₂ … A_M]以及[t₁ t₂ … t_M]，代入c得最优加权向量c_o，将c_o加权到各主动控制声源后进行信号发射，与被控制声源形成叠加声场，该过程可等效为“联合发射阵”的信号发射；通过对主动控制声源的线性加权实现“联合发射阵”的波束偏转，达到声场定向调控的目的。