CN110248303B - 一种用于麦克风阵列精确校准装置的校准方法 - Google Patents

一种用于麦克风阵列精确校准装置的校准方法 Download PDF

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Abstract

一种麦克风阵列精确校准方法：包括以下步骤：S1，测量待校准麦克风阵列中传声器空间坐标，并输入空间声源模拟系统中。S2，设定声源参数，计算阵列中的各个麦克风所在位置接收到的动态声信号。S3，将对应的多通道声压信号通过耦合腔标准声源输入到待校准的声阵列系统中。S4，使用待校准的声阵列进行声源定位计算，从而完成声源的模拟。S5，空间模拟声源的位置与待校准的声阵列定位的位置进行比对，完成对麦克风阵列系统整体的校准。

Description

一种用于麦克风阵列精确校准装置的校准方法
技术领域
本发明属于校准装置，具体涉及一种用于麦克风阵列精确校准装置及方法
背景技术
虽然声阵列的应用日渐广泛，但与普通传声器使用不同的是，大部分的产品只能对声源识别做定性分析，对于声源的幅值、相位等特征很难做到精准的定量分析。因为普通传声器使用标准传声器基于国标进行精确计量，而对于声阵列系统及产品，目前缺乏现实可用的精确计量校准方法，也缺少由于各种外部因素对声源识别结果精度的误差分析研究。
阵列麦克风系统中使用的传声器个数较多，一般通道数为几十个到上百个，甚至超大阵列系统可达上千个通道，实际使用时如果分别去校准每个传声器的灵敏度和相位往往不现实，为尽量降低系统误差，对阵列麦克风系统需要进行一定的校准。现有的校准方法通常是使用一个空间尺寸较小，空间指向性较小的扬声器来模拟点声源，在测试前随机选取几个声源放置位置来校准阵列是否能够准确定位。但此校准方法较粗糙并且操作麻烦，定位精度低，不能定量考虑实际测试时系统各种误差的影响，因此急需寻找一种操作方便、校准精度高的麦克风阵列校准装置。
中国航空工业集团公司哈尔滨空气动力研究所有一种麦克风相位阵列校准装置(专利号CN108260066A),它是对麦克风阵列整体的校准，不过原理上仍然是对各个麦克风的校准，进而实现对阵列整体的校准，工作量会因麦克风数量增加而大幅度增大。
发明内容
本发明跳过对各个麦克风的校准，使用空间点声源模拟的方法，对阵列整体直接进行校准。
本发明的技术方案如下：一种用于麦克风阵列精确校准装置，包括耦合腔、耦合腔通过开槽平端紧定螺钉与耦合腔后盖连接，耦合腔后盖右部安装发射级，而耦合腔左侧安装预紧套，且预紧套与耦合腔之间安装有密封圈。
紧定螺钉为开槽平端螺钉。
待校准传声器从耦合腔左侧插入，并用预紧套固定。
一种用于麦克风阵列精确校准方法，包括以下步骤：
S1：空间声源模拟
将若干麦克风组成麦克风阵列，以麦克风阵列的中心点为原点建立坐标系, 每一个麦克风位置坐标定义为rm；
建立声源扫描计算平面，声源扫描计算平面与麦克风阵列所在平面平行，声源扫描计算平面被划分成N*N的网格点，运用声源定位算法，依次扫描声源扫描计算平面每个网格点，获得坐标rs处的声源强度；
通过阵列精确校准装置模拟空间中点声源传播至麦克风阵列中的每个麦克风的声信号，将阵列精确校准装置的M个耦合腔声源依次套在被校麦克风阵列的麦克风上，通过设定模拟点声源的位置、频率、幅值参数，计算出模拟点声源传播至麦克风阵列声源定位系统中的M个麦克风处的声音信号，从而驱动阵列精确校准装置的M个耦合腔声源发出对应的声音信号，实现点声源的模拟；
S2:声场求解
假设单极子点声源位于声源扫描计算平面上
Figure BDA0002078445620000021
位置，P0为其声源信号，
P0＝A·ejωt
单极子点声源在没有反射的自由声场中的声场解为
Figure BDA0002078445620000031
其中A为声学边界条件确定的待定常数，通常在简化声场里A取值为1，ω为声波的角频率，t是时间，k表示声波波数，
Figure BDA0002078445620000032
c为声速；
通过变换，把声场解描述成相对位置
Figure BDA0002078445620000033
的函数形式，为
Figure BDA0002078445620000034
格林函数ν如下:
Figure BDA0002078445620000035
S3:当空间仅有单个点声源时，每个传感器接收声压信号求解
将单极子点声源声场的格林函数与声源信号P0相乘可以推出声压，从而可以求出声场中每一点的声压；
则第m个麦克风接收的声压信号为：
Figure BDA0002078445620000036
P0为单极子声源信号，第m个麦克风位于
Figure BDA0002078445620000037
位置，声源位于
Figure BDA0002078445620000038
位置，
Figure BDA0002078445620000039
表示声源与第m个麦克风之间的位置；
S4:多个点声源时，每个传感器接收声压信号求解
当空间有多个点声源时，阵列第m个麦克风接收的声压信号为空间各点声源的叠加，即是将各个点声源在第m个传感器所在位置处的声压叠加在一起：
Figure BDA00020784456200000310
其中Pi是位于ri处的第i个点声源信号。
所述S1中，运用波束成形算法，依次扫描声源扫描计算平面每个网格点。
所述S1中，运用反卷积算法，依次扫描声源扫描计算平面每个网格点。
所述S1中，运用TDOA算法，依次扫描声源扫描计算平面每个网格点。
所述S3中，m为第1至M个麦克风中的第m个，1≤m≤M
本发明的显著效果在于：通过空间声源模拟计算出声场模型中每个阵列传声器接收到的动态声信号，将对应的多通道声压信号通过耦合腔标准声源输入到声阵列系统中，即可完成声源的模拟。
附图说明
图1为本发明所述的用于麦克风阵列精确校准装置示意图；
图2本发明所述的用于麦克风阵列精确校准方法阵列系统示意图
图3本发明所述的用于麦克风阵列精确校准方法球面波声场传感器接收信号示意图
图中：发射级1、耦合腔2、耦合腔后盖3、预紧套4、密封圈5、紧定螺钉 6
具体实施方式
如图1所示，一种用于麦克风阵列精确校准装置，包括耦合腔2、耦合腔2 通过开槽平端紧定螺钉6与耦合腔后盖3连接，耦合腔后盖3右部安装发射级1，而耦合腔2左侧安装预紧套4，且预紧套4与耦合腔2之间安装有密封圈5；
待校准传声器从耦合腔2左侧插入，并用预紧套4固定。
一种麦克风阵列精确校准方法，包括以下步骤：
S1：空间声源模拟
将若干麦克风组成麦克风阵列，如图2所示，以麦克风阵列的中心点为原点建立坐标系,每一个麦克风位置坐标定义为rm；
建立声源扫描计算平面，声源扫描计算平面与麦克风阵列所在平面平行，声源扫描计算平面被划分成N*N的网格点，运用声源定位算法(波束成形算法，反卷积算法，TDOA算法等)，依次扫描声源扫描计算平面每个网格点，获得坐标rs处的声源强度。
通过阵列精确校准装置模拟空间中点声源传播至麦克风阵列中的每个麦克风的声信号，将阵列精确校准装置的M个耦合腔声源依次套在被校麦克风阵列的麦克风上，通过设定模拟点声源的位置、频率、幅值参数，计算出模拟点声源传播至麦克风阵列声源定位系统中的M个麦克风处的声音信号，从而驱动阵列精确校准装置的M个耦合腔声源发出对应的声音信号，实现点声源的模拟；
S2:声场求解
假设单极子点声源位于声源扫描计算平面上
Figure BDA0002078445620000051
位置，P0为其声源信号，
P0＝A·ejωt
单极子点声源在没有反射的自由声场中的声场解为
Figure BDA0002078445620000052
其中A为声学边界条件确定的待定常数，通常在简化声场里A取值为1，ω为声波的角频率，t是时间，k表示声波波数，
Figure BDA0002078445620000053
c为声速。
通过变换，把声场解描述成相对位置
Figure BDA0002078445620000054
的函数形式，为
Figure BDA0002078445620000055
格林函数ν如下:
Figure BDA0002078445620000056
S3:当空间仅有单个点声源时，每个传感器接收声压信号求解
将单极子点声源声场的格林函数与声源信号P0相乘可以推出声压，从而可以求出声场中每一点的声压；
则第m(m为第1至M个麦克风中的第m个，1≤m≤M，)个麦克风接收的声压信号为：
Figure BDA0002078445620000057
P0为单极子声源信号，第m个麦克风位于
Figure BDA0002078445620000058
位置，声源位于
Figure BDA0002078445620000059
位置，
Figure BDA00020784456200000510
表示声源与第m个麦克风之间的位置，
S4:多个点声源时，每个传感器接收声压信号求解
当空间有多个点声源时，阵列第m个麦克风接收的声压信号为空间各点声源的叠加，即是将各个点声源在第m个传感器所在位置处的声压叠加在一起：
Figure BDA0002078445620000061
其中Pi是位于ri处的第i个点声源信号。

Claims (5)

1.一种用于麦克风阵列精确校准装置的校准方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：空间声源模拟
将若干麦克风组成麦克风阵列，以麦克风阵列的中心点为原点建立坐标系，每一个麦克风位置坐标定义为rm；
建立声源扫描计算平面，声源扫描计算平面与麦克风阵列所在平面平行，声源扫描计算平面被划分成N*N的网格点，运用声源定位算法，依次扫描声源扫描计算平面每个网格点，获得坐标rs处的声源强度；
通过阵列精确校准装置模拟空间中点声源传播至麦克风阵列中的每个麦克风的声信号，将阵列精确校准装置的M个耦合腔声源依次套在被校麦克风阵列的麦克风上，通过设定模拟点声源的位置、频率、幅值参数，计算出模拟点声源传播至麦克风阵列声源定位系统中的M个麦克风处的声音信号，从而驱动阵列精确校准装置的M个耦合腔声源发出对应的声音信号，实现点声源的模拟；
S2：声场求解
假设单极子点声源位于声源扫描计算平面上
Figure FDA0002917047720000011
位置，P0为其声源信号，
P0＝A·ejωt
单极子点声源在没有反射的自由声场中的声场解为
Figure FDA0002917047720000012
其中A为声学边界条件确定的待定常数，通常在简化声场里A取值为1，ω为声波的角频率，t是时间，k表示声波波数，
Figure FDA0002917047720000013
c为声速；
通过变换，把声场解描述成相对位置
Figure FDA0002917047720000014
的函数形式，为
Figure FDA0002917047720000021
格林函数v如下：
Figure FDA0002917047720000022
S3：当空间仅有单个点声源时，每个传感器接收声压信号求解
将单极子点声源声场的格林函数与声源信号P0相乘可以推出声压，从而可以求出声场中每一点的声压；
则第m个麦克风接收的声压信号为：
Figure FDA0002917047720000023
P0为单极子声源信号，第m个麦克风位于
Figure FDA0002917047720000024
位置，声源位于
Figure FDA0002917047720000025
位 置，
Figure FDA0002917047720000026
表示声源与第m个麦克风之间的位置；
S4：多个点声源时，每个传感器接收声压信号求解
当空间有多个点声源时，阵列第m个麦克风接收的声压信号为空间各点声源的叠加，即是将各个点声源在第m个传感器所在位置处的声压叠加在一起：
Figure FDA0002917047720000027
其中Pi是位于ri处的第i个点声源信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于麦克风阵列精确校准方法，其特征在于：所述S1中，运用波束成形算法，依次扫描声源扫描计算平面每个网格点。
3.根据权利要求1所述的一种用于麦克风阵列精确校准方法，其特征在于：所述S1中，运用反卷积算法，依次扫描声源扫描计算平面每个网格点。
4.根据权利要求1所述的一种用于麦克风阵列精确校准方法，其特征在于：所述S1中，运用TDOA算法，依次扫描声源扫描计算平面每个网格点。
5.根据权利要求1所述的一种用于麦克风阵列精确校准方法，其特征在于：所述S3中，m为第1至M个麦克风中的第m个，1≤m≤M。
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