CN109471069A - 一种随机分布传声器阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种随机分布传声器阵列，包括阵列架、阵列固定支座、声学相机、三维声强探头支架。本发明采用混合高斯分布对传声器测点进行优化，使得本阵列既能用于中低频、中远距离的近场声全息定位，也适用于中高频、中远距离的波束形成定位技术。同时阵列架上也可以安装三维声强探头，进行三维声强测量。相比传统的单一形式阵列架结构，本发明所述的随机分布传声器阵列架装置功能更多，适用范围更广。

Description

一种随机分布传声器阵列
技术领域
本发明涉及一种随机分布传声器阵列，属于噪声源识别与定位领域。
背景技术
随着制造业水平不断提高，在满足产品功能的前提下，对产品的噪声品质提出了更高的要求。机械设备运转过程中产生的噪声不仅影响环境质量，同时还包含大量设备运行状态的信息，通过定位噪声源的位置，我们可以方便快捷地找到设备故障所在位置，因此声学故障诊断是传统振动故障诊断的一种有效补充手段。现代工业中机电产品的噪声控制、降噪和声学品质设计都离不开噪声源的测试和评估。目前，应用较多的噪声源识别技术主要包括波束形成（Beam-Forming）、三维声强测量（Sound-Intensity）、近场声全息（Near-field Acoustic Holography）等。
近年来，基于传声器阵列测量的噪声源定位技术在机电产品、汽车发动机、环境噪声定位等领域应用日益广泛。目前，基于规则矩形网格阵列测量的近场声全息技术（NAH）发展最为成熟，但因为其声源识别主要为近场识别，分辨率受传声器测点间距和测量距离影响，当声源频率较高时，需要布置大量传声器测点，测量繁琐，成本较高，因此一般用于中低频近场噪声源定位，限制了近场声全息技术的应用。而波束形成技术对中高频率和中远距离的噪声源定位效果良好，且阵列安装布置简单，弥补了近场声全息的不足，受到国内外学术界和工程界的广泛关注。三维声强测量可以通过两个相距很近的传声器测量的声压，从而获得某一方向的单一声强。声强测量既可以获得声音在空间中传播的大小又可以确定其方向，且结构简单，仅需少量传声器测点，因此在噪声源识别领域具有极高的应用价值。
目前，国内外常用的阵列架结构主要由矩形网格结构、十字架结构、环形阵列、阿基米德螺旋阵列、轮形阵列、扇形阵列等。阵列适用环境和定位精度受阵列本身结构复杂程度影响，且功能较为单一。
发明内容
本发明提供了一种随机分布传声器阵列，用以解决噪声源识别和定位过程中传统声学阵列架形式单一，难以适应不同声源频率和测量距离的声源定位问题。
本发明的技术方案是：一种随机分布传声器阵列，包括阵列架1、阵列固定支座2、声学相机3、三维声强探头支架4；
阵列架1中心位置设有相机安装孔7，与阵列架1中心同轴的声学相机3的镜头从阵列架1一侧依次经中心相机安装孔7、阵列固定支座2上的圆孔伸出，且声学相机3固定在阵列固定支座2上；相机安装孔7的外围均布支座连接孔5，支座连接孔5用于阵列架1与阵列固定支座2的连接，阵列架1上基于高斯分布规律随机布设多个布线孔6用于安装传声器，阵列架1最外围设有矩形安装孔8，三维声强探头支架4通过其尾部的中心方杆安装在阵列架1上的矩形安装孔8中，三维声强探头支架4的布置架两端用于安装传声器。
所述阵列架1与阵列固定支座2经支座连接孔5通过螺钉连接固定，声学相机3通过螺纹连接固定在阵列固定支座2上。
所述阵列架1上基于高斯分布规律随机布设24个布线孔6用于安装传声器。
所述布线孔6的布置位置为：以阵列圆心为坐标原点，24个测点的位置（X,Y）为：0.13,0.04、0.07,-0.22、-0.04,0.13、0.14,0.19、-0.13,-0.04、-0.19,0.14、0.04,-0.13、-0.14,-0.19、0.01,0.04、0.19,-0.14、-0.04,0.01、0.09, 0.16、-0.01, -0.04、-0.16,0.09、0.04,-0.01、-0.09, -0.16、0.22,0.07、0.16,-0.09、-0.07,0.22、0.09,0.03、-0.22,-0.07、-0.03，0.09、0.13,0.04、-0.09,-0.03。
所述阵列固定支座2为L型，其上开有与阵列架1固定的螺纹孔、与声学相机3固定的螺纹孔、与外部三脚架底座固定的螺纹孔，开有圆孔用于声学相机3的镜头伸出、开有矩形槽用来收束传声器信号线。
所述三维声强探头支架4结构为：两个布置架互成90度夹角插在中心方杆上面，两者由定距柱隔开，中心方杆附有螺纹孔的一端和中心杆螺纹连接，中心方杆另一端安装在阵列架1上的矩形安装孔8中。
本发明的有益效果是：本发明采用混合高斯分布对传声器测点进行优化，使得本阵列既能用于中低频、中远距离的近场声全息定位，也适用于中高频、中远距离的波束形成定位技术。同时阵列架上也可以安装三维声强探头，进行三维声强测量。相比传统的单一形式阵列架结构，本发明所述的随机分布传声器阵列架装置功能更多，适用范围更广。
附图说明
图1为本发明整体结构装配图；
图2为本发明中阵列架结构示意图；
图3为本发明中三维声强探头支架结构示意图；
图4为本发明中L形阵列固定支座示意图；
图中各标号：1—阵列架，2—阵列固定支座，3—声学相机，4—三维声强探头支架，5—支座连接孔、6—布线孔、7—相机安装孔、8—矩形安装孔。
具体实施方式
实施例1：如图1-图4所示，一种随机分布传声器阵列，包括阵列架1、阵列固定支座2、声学相机3、三维声强探头支架4；
阵列架1中心位置设有相机安装孔7，与阵列架1中心同轴的声学相机3的镜头从阵列架1一侧依次经中心相机安装孔7、阵列固定支座2上的圆孔伸出，且声学相机3固定在阵列固定支座2上；相机安装孔7的外围均布支座连接孔5，支座连接孔5用于阵列架1与阵列固定支座2的连接，阵列架1上基于高斯分布规律随机布设多个布线孔6用于安装传声器，阵列架1最外围设有矩形安装孔8，三维声强探头支架4通过其尾部的中心方杆安装在阵列架1上的矩形安装孔8中，三维声强探头支架4的布置架两端用于安装传声器。
进一步地，可以设置所述阵列架1与阵列固定支座2经支座连接孔5通过螺钉连接固定，声学相机3通过螺纹连接固定在阵列固定支座2上。
进一步地，可以设置所述阵列架1上基于高斯分布规律随机布设24个布线孔6用于安装传声器。
进一步地，可以设置所述布线孔6的布置位置为：以阵列圆心为坐标原点，24个测点的位置为下表所示：
进一步地，可以设置所述阵列固定支座2为L型，其上开有与阵列架1固定的螺纹孔、与声学相机3固定的螺纹孔、与外部三脚架底座固定的螺纹孔，开有圆孔用于声学相机3的镜头伸出、开有矩形槽用来收束传声器信号线。
进一步地，可以设置所述三维声强探头支架4结构为：两个布置架互成90度夹角插在中心方杆上面，两者由定距柱隔开，中心方杆附有螺纹孔的一端和中心杆螺纹连接，中心方杆另一端安装在阵列架1上的矩形安装孔8中。
阵列架1为环形和随机高斯优化测点组合结构，其中心位置均布支座连接孔5用于和阵列固定支座2定位和连接，并开有与阵列架1同轴心的相机安装孔7便于声学相机3的镜头伸出；阵列架1按扇形阵列布有布线孔6便于传声器安装，最外围环形辐条上均布的5个矩形安装孔8便于三维声强探头4的定位和连接。
本发明的工作过程和工作原理：1）操作人员将安装好的本发明结构通过阵列固定支座2与外部的三脚架底座用螺纹连接；2）操作人员将传声器安装在阵列架上的测点安装孔上（布线孔6、三维声强探头支架4的布置架的两端的圆孔；如需进行三维声强测量，则将三维声强探头支架4安装在阵列架上，将传声器安装在三维声强探头的安装孔内）；3）操作人员根据实际测量需要，选择适当的位置放置传声器阵列架，打开与传声器测试主机，选择对应的声源定位算法便可对机械设备进行噪声源识别定位。
具体的：
1、如上所述的传声器阵列的装置中布线孔的布置采用优化高斯分布结构，则上安装的传声器可同时用于中低频、中远距离的近场声全息定位和中高频、中远距离的波束形成定位技术。
2、如上所述的传声器阵列装置可以安装三维声强探头，用于三维声强测量，功能组合得到极大扩展。
3、如上所述的传声器阵列装置与声学相机结合，将所得声源定位图像与摄像头拍摄的实物照片进行匹配，可以准确便捷的获得设备故障声源实际位置。
当传声器按照阵列架1上布线孔6所示的位置分布时，该阵列可测量声源信号频率为500-10kHz，完全满足工业设备噪声源定位的测量需求。经数据仿真和实验验证，当用于波束形成时，阵列有效测量距离可达3米，即在有效测量距离内，该传声器阵列能准确获得500-10kHz频率范围内的噪声源位置坐标。在满足上述声源定位的测量需求前提下，该阵列相比市场上现有传声器阵列布置形式，测点数量更少，极大地节约了声源定位测量的经济成本。同时，基于图中布置的矩形安装孔8用于三维声强定位也可达3米。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种随机分布传声器阵列，其特征在于：包括阵列架（1）、阵列固定支座（2）、声学相机（3）、三维声强探头支架（4）；
阵列架（1）中心位置设有相机安装孔（7），与阵列架（1）中心同轴的声学相机（3）的镜头从阵列架（1）一侧依次经中心相机安装孔（7）、阵列固定支座（2）上的圆孔伸出，且声学相机（3）固定在阵列固定支座（2）上；相机安装孔（7）的外围均布支座连接孔（5），支座连接孔（5）用于阵列架（1）与阵列固定支座（2）的连接，阵列架（1）上基于高斯分布规律随机布设多个布线孔（6）用于安装传声器，阵列架（1）最外围设有矩形安装孔（8），三维声强探头支架（4）通过其尾部的中心方杆安装在阵列架（1）上的矩形安装孔（8）中，三维声强探头支架（4）的布置架两端用于安装传声器。
2.根据权利要求1所述的随机分布传声器阵列，其特征在于：所述阵列架（1）与阵列固定支座（2）经支座连接孔（5）通过螺钉连接固定，声学相机（3）通过螺纹连接固定在阵列固定支座（2）上。
3.根据权利要求1所述的随机分布传声器阵列，其特征在于：所述阵列架（1）上基于高斯分布规律随机布设24个布线孔（6）用于安装传声器。
4.根据权利要求3所述的随机分布传声器阵列，其特征在于：所述布线孔（6）的布置位置为：以阵列圆心为坐标原点，24个测点的位置（X,Y）为：（0.13,0.04）、（0.07,-0.22）、（-0.04,0.13）、（0.14,0.19）、（-0.13,-0.04）、（-0.19,0.14）、（0.04,-0.13）、（-0.14,-0.19）、（0.01,0.04）、（0.19,-0.14）、（-0.04,0.01）、（0.09, 0.16）、（-0.01, -0.04）、（-0.16,0.09）、（0.04,-0.01）、（-0.09, -0.16）、（0.22,0.07）、（0.16,-0.09）、（-0.07,0.22）、（0.09,0.03）、（-0.22,-0.07）、（-0.03，0.09）、（0.13,0.04）、（-0.09,-0.03）。
5.根据权利要求1所述的随机分布传声器阵列，其特征在于：所述阵列固定支座（2）为L型，其上开有与阵列架（1）固定的螺纹孔、与声学相机（3）固定的螺纹孔、与外部三脚架底座固定的螺纹孔，开有圆孔用于声学相机（3）的镜头伸出、开有矩形槽用来收束传声器信号线。
6.根据权利要求1所述的随机分布传声器阵列，其特征在于：所述三维声强探头支架（4）结构为：两个布置架互成90度夹角插在中心方杆上面，两者由定距柱隔开，中心方杆附有螺纹孔的一端和中心杆螺纹连接，中心方杆另一端安装在阵列架（1）上的矩形安装孔（8）中。
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