CN109974846B - 阵列可变的旋转声学测量装置 - Google Patents

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Abstract

一种阵列可变的旋转声学测量装置，包括：用于采集音频信号的可变线性阵列和用于承载声源的旋转测试平台，其中：可变线性阵列包括：固定底座、竖直设置的滑动导轨以及用于固定传声器的若干传声器支架，其中：若干传声器支架之间相互平行且与滑动导轨固定连接。本发明利用旋转测试台实现被测物体的空间测量，通过两个方向可调节实现阵列阵元布置的任意修改。

Description

阵列可变的旋转声学测量装置
技术领域
本发明涉及的是一种声学测量领域的技术，具体是一种阵列可变的旋转声学测量装置。
背景技术
声阵列测量方法利用传声器阵列测量的声压获得某一物体表面面的振动特性以及辐射的噪声情况。常见的声阵列算法包括声全息和波束形成，分别对应于低频和高频的声信号测量。在声全息方法中，通过在声源辐射包络面上进行测量，可以获得辐射声源所有方向上的振速信息。在波束形成方法中，通过调节阵列传声器位置可以在硬件层面获得特定方向的噪声抑制效果。
线性传声器阵列因其结构简单，需要的传声器数目少等优势被广泛应用，但是线性阵列因为传声器个数和位置的限制有很大的不足：很难获得辐射体在空间所有方向上的声源信息，且移动阵列操作繁琐，精度差。另外，线性阵列多为不可变结构，很难有更广的适用范围。
发明内容
本发明针对现有声学测量装置适用范围窄，操作复杂的缺点，提出一种阵列可变的旋转声学测量装置，利用旋转测试台实现被测物体的空间测量，通过两个方向可调节实现阵列阵元布置的任意修改。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：用于采集音频信号的可变线性阵列和用于承载声源的旋转测试平台，其中：可变线性阵列包括：固定底座、竖直设置的滑动导轨以及用于固定传声器的若干传声器支架，其中：若干传声器支架之间相互平行且与滑动导轨固定连接。
所述的传声器支架和滑动导轨通过定位块固定连接，该定位块包括：位于下端的与滑动导轨配合的C形槽和用于连接传声器支架的固定孔，定位块与滑动导轨通过定位销固定连接；通过调节定位块在滑动导轨上的移动进行传声器在垂直方向的位置调节，通过调整传声器支架端点与定位块的距离实现传声器在水平方向的位置调节。
所述的传声器的位置，在声全息测量时设置于声源的辐射球面波的任一包络面上或在波束成形测量时设置于任一特定的方向上增益最大且旁瓣最小的位置。
所述的传声器位置，通过以下方式确定：以声源为中心，以旋转测试平台的中心距离底部的垂直高度h为半边长设置一立方体等效声源；以声源为中心，按照球面波模型以R为半径设置一个球形包络面，等效声源的底边距地面高度H即旋转测试平台的底部距离地面的垂直高度，根据几何关系可以得到水平距离声源为L的可变线性阵列上的传声器满足：以声源为原点，水平向上建立极坐标系则有其中：N为允许放置的传声器个数，h为旋转测试平台的中心距离底部的垂直高度，当半圆被N等分时，第i个点的垂直高度hi以及与距离方形中心(半圆圆心)水平距离为L的垂直杆间的水平距离Li，i＝1，2，3……N，则有由上向下的第i根杆的水平长度Li＝L-Rsinθi，由上向下的第i根杆的垂直高度hi＝H+h-Rcosθi。
技术效果
与现有技术相比，本发明装置通过被测声源的旋转和可变的阵列传声器位置组合实现较少的传声器在包络面所有方向的声全息测量。
同时，本发明装置可以通过合理设计传声器位置实现波束形成算法中阵列在特定方向增益的增强、以及其他方向的噪声抑制，获得更好的声源定位效果。
附图说明
图1为本发明装置轴测图；
图2为传声器连接件轴测图；
图3为定位块轴测图；
图4为旋转底座轴测图；
图5为传声器位置计算示意图；
图6为传声器位置计算原理图；
图7为实施例中立方体振动体等效声源示意图；
图8为实施例中声源面的声压分布示意图；
图中：固定底座1、滑动导轨2、定位块3、传声器支架4、旋转底座5、测试平台6、支撑段7、开槽8、固定段9、固定孔10、C形槽11、旋转部分12、固定部分13、调节旋钮14。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种阵列可变的旋转声学测量装置，其中包含：用于采集声压信号的可变线性阵列和用于承载声源的旋转测试平台，其中：可变线性阵列包括：固定底座1、竖直设置的滑动导轨2以及用于固定传声器的若干传声器支架4，其中：若干传声器支架4之间相互平行且与滑动导轨2固定连接。
所述的传声器通过连接件与传声器支架4相连，该连接件包括：支撑段7、用于安装传声器线缆的开槽8和用于插入传声器的固定段9，其中：支撑段7通过螺纹将连接件与传声器支架固定连接，通过连接件使得圆柱形的传声器与传声器支架同轴平行设置以确保定位精度。
所述的传声器支架4和滑动导轨2通过定位块3固定连接，该定位块包括：位于下端的与滑动导轨2配合的C形槽11和用于连接传声器支架4的固定孔10，定位块3与滑动导轨2通过定位销固定连接。
所述的旋转测试平台包括：依次相连的旋转底座5、支撑杆和测试平台6，该旋转底座5上设有用于调节角度的调节旋钮14、用于连接支撑杆的旋转部分12以及固定部分13，其中：固定部分13上设有刻度尺以确保操作精度。
所述的固定部分13和固定底座1优选通过螺栓固定在同一平面上，保证在垂直方向的精度。
如图6所示，为传声器坐标计算的理论示意图，获得每个传声器位置之后，按照图5所示的示意图调整阵列位置，获得符合理论设计的线性阵列。
本实施例中选取对象为立方体振动体等效声源，边长a＝0.2m如图7所示。
所述的立方体振动等效声源的基本解阶数N＝3时，阵列在θ和方向的最少数目分别为4和7，这里选择在支架上放置5根传声器支架，依次在360°范围内转动支架9次，即在一个球面上有45个测量点。理论上45个测量点需要45个传声器呈球形布置在包络面上才可以进行测量，而利用本装置在冗余条件下仅放置了五个传声器。
为了减少环境噪声的影响，实验在半消声室进行，调好传声器支架4位置，依次转动调节旋钮14至所需的测量角度并进行测量声压，各点的位置坐标和声压数据如表1所示。
表1测量点的位置和声压信息
利用上述采集到的数据，根据其全息面和源面的转化关系，可以得到声源面的声压分布，如图8所示。
该组数据获得的声源面声压分布为振动体等效声源在球函数基本解N＝3条件下的振动速度重建图，因等效声源为立方体而全息面为球形，故其中存在着空间映射关系。
在该条件下，包络面上需要的最少传声器个数为28个，而利用本发明装置仅需在包络面经线方向布置5个传声器，纬线方向进行九次旋转测量，即可实现45个传声器的的测试效果。
通过该装置进行声全息测量，可以在保证测量效果前提下最大化地减少测量传声器个数以及空间布置工作量，方便声学测量。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (3)

1.一种阵列可变的旋转声学测量装置，其特征在于，包括：用于采集音频信号的可变线性阵列和用于承载声源的旋转测试平台，其中：可变线性阵列包括：固定底座、竖直设置的滑动导轨以及用于固定传声器的若干传声器支架，其中：若干传声器支架之间相互平行且与滑动导轨固定连接；
所述的传声器支架和滑动导轨通过定位块固定连接，该定位块包括：位于下端的与滑动导轨配合的C形槽和用于连接传声器支架的固定孔，定位块与滑动导轨通过定位销固定连接；通过调节定位块在滑动导轨上的移动进行传声器在垂直方向的位置调节，通过调整传声器支架端点与定位块的距离实现传声器在水平方向的位置调节；
所述的传声器的位置，在声全息测量时设置于声源的辐射球面波的任一包络面上或在波束成形测量时设置于任一特定的方向上增益最大且旁瓣最小的位置；
所述的传声器位置，通过以下方式确定：以声源为中心，以旋转测试平台的中心距离底部的垂直高度h为半边长设置一立方体等效声源；以声源为中心，按照球面波模型以R为半径设置一个球形包络面，等效声源的底边距地面高度H即旋转测试平台的底部距离地面的垂直高度，根据几何关系可以得到水平距离声源为L的可变线性阵列上的传声器满足：以声源为原点，水平向上建立极坐标系则有其中：N为允许放置的传声器个数，h为旋转测试平台的中心距离底部的垂直高度，当半圆被N等分时，第i个点的垂直高度hi以及与距离方形中心，即半圆圆心水平距离为L的垂直杆间的水平距离Li，i＝1，2，3……N，则有由上向下的第i根杆的水平长度Li＝L-Rsinθi，由上向下的第i根杆的垂直高度hi＝H+h-Rcosθi。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的旋转测试平台包括：依次相连的旋转底座、支撑杆和测试平台，该旋转底座上设有用于调节角度的调节旋钮、用于连接支撑杆的旋转部分以及固定部分，其中：固定部分上设有刻度尺以确保操作精度。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征是，所述的固定部分和固定底座通过螺栓固定在同一平面上，保证在垂直方向的精度。
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