CN111142072A - 用于声源定位的传声器阵列优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种用于声源定位的传声器阵列优化方法：S1、确定声学频率分析的最高和最低频率、传播介质声速、传声器数量；S2、选择传声器分布方式，确定旋臂的数量，旋臂数量为奇数；S3、据最高频率和传播介质声速计算传声器阵列中传声器的最小间距，据最小间距确定旋臂起点，据最低频率和传播介质声速计算传声器阵列中传声器的最大间距，据最大间距确定旋臂终点；S4、据传声器数量、旋臂数量及传声器分布方式布设每个旋臂上的传声器位置，获得每个旋臂上各传声器的坐标；S5、给定点声源来计算传声器阵列的点扩展函数；S6、判断旁瓣值是否小于第一设定阈值或分辨率值是否小于第二设定阈值，若是则输出传声器阵列坐标，否则执行S2。

Description

用于声源定位的传声器阵列优化方法
技术领域
本发明涉及传声器阵列优化技术领域，特别是涉及一种用于声源定位的传声器阵列优化方法，适用于多种场合下噪声源的定位，可广泛应用于航空、汽车、船舶等领域。
背景技术
阵列信号处理在声呐、雷达、无线通信、地质勘探、射电天文学、医学成像等多种领域具有广泛的应用，现代传声器阵列正是从雷达天线阵列和水听器阵列中演化而来。最早是NASA Ames研究中心的Soderman和Noble使用一维传声器阵列测量喷流噪声。随后采用二维阵列进行声源定位的研究主要由Brooks、Unerbrink和Dougherty等人开展。从90年代开始，传声器阵列技术在气动声学实验中获得大量应用，已成为声学测量的一种基本工具。
传统的波束形成声源定位方法存在旁瓣高、分辨率低的缺点。因此需要发展一种新的传感器阵列来提高声源定位的精度；同时，为了能够针对不同的求解问题，还要能够设计不同的阵列来满足不同问题的实际要求。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题和不足，提供一种用于声源定位的传声器阵列优化方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供一种用于声源定位的传声器阵列优化方法，其特点在于，其包括以下步骤：
S1、确定声学频率分析的最高频率和最低频率、传播介质声速、传声器数量；
S2、选择传声器的分布方式，并确定旋臂的数量，且旋臂的数量为奇数；
S3、根据最高频率和传播介质声速计算传声器阵列中传声器的最小间距，并根据最小间距确定旋臂的起点，根据最低频率和传播介质声速计算传声器阵列中传声器的最大间距，并根据最大间距确定旋臂的终点；
S4、根据传声器数量、旋臂数量以及传声器的分布方式布设每个旋臂上的传声器位置，获得每个旋臂上各传声器的坐标；
S5、给定点声源来计算获得的传声器阵列的点扩展函数，通过点扩展函数的结果旁瓣水平、分辨率大小来判断传声器阵列的性能；
S6、判断旁瓣值是否小于第一设定阈值或分辨率值是否小于第二设定阈值，若是则进入步骤S7，否则重复执行步骤S2；
S7、输出传声器阵列坐标。
较佳地，在步骤S2中，传声器的分布方式包括等弧长分布和等面积分布。
较佳地，在步骤S3中，传声器的最小间距＝传播介质声速/2*最高频率，传声器的最大间距＝传播介质声速/2*最低频率。
本发明还提供一种用于声源定位的传声器阵列优化方法，其特点在于，其包括以下步骤：
S1、确定声学频率分析的最高频率和最低频率、传播介质声速、传声器数量；
S2、根据最高频率和传播介质声速计算传声器阵列中传声器的最小间距，并根据最小间距确定旋臂的起点，根据最低频率和传播介质声速计算传声器阵列中传声器的最大间距，并根据最大间距确定旋臂的终点；
S3、选择传声器的分布方式，并确定旋臂的数量，且旋臂的数量为奇数；
S4、根据传声器数量、旋臂数量以及传声器的分布方式布设每个旋臂上的传声器位置，获得每个旋臂上各传声器的坐标；
S5、给定点声源来计算获得的传声器阵列的点扩展函数，通过点扩展函数的结果旁瓣水平、分辨率大小来判断传声器阵列的性能；
S6、判断旁瓣值是否小于第一设定阈值或分辨率值是否小于第二设定阈值，若是则进入步骤S7，否则重复执行步骤S2；
S7、输出传声器阵列坐标。
较佳地，在步骤S2中，传声器的分布方式包括等弧长分布和等面积分布。
较佳地，在步骤S3中，传声器的最小间距＝传播介质声速/2*最高频率，传声器的最大间距＝传播介质声速/2*最低频率。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：本发明实现阵列优化，提高阵列的性能；提高声源定位的分辨率；大大减少了旁瓣的数量与旁瓣峰值；可以准确得到声源幅值的大小。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的用于声源定位的传声器阵列优化方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供一种用于声源定位的传声器阵列优化方法，其包括以下步骤：
步骤101、确定声学频率分析的最高频率和最低频率、传播介质声速、传声器数量。
本实施例中，设定声学频率分析的最低频率是500HZ，声学频率分析的最高频率是10000HZ，传播介质声速340m/s，传声器数量为40。
步骤102、选择传声器的分布方式，并确定旋臂的数量，且旋臂的数量为奇数。
在步骤102中，传声器的分布方式包括等弧长分布和等面积分布，本实施例中选择等弧长分布方式，旋臂的数量为5。
步骤103、根据最高频率和传播介质声速计算传声器阵列中传声器的最小间距，并根据最小间距确定旋臂的起点，根据最低频率和传播介质声速计算传声器阵列中传声器的最大间距，并根据最大间距确定旋臂的终点。
传声器的最小间距＝传播介质声速/2*最高频率，传声器的最大间距＝传播介质声速/2*最低频率。
步骤104、根据传声器数量(40)、旋臂数量(5)以及传声器的分布方式(等弧长分布方式)布设每个旋臂上的传声器位置，获得每个旋臂上各传声器的坐标。
传声器数量是40，旋臂数量是5，这样每一个旋臂上的传声器数量是8，8个传声器在对应的旋臂上等弧长分布，从而能够得到每个旋臂上的8个传声器的准确位置，进而可获得每个旋臂上的8个传声器的坐标。
步骤105、给定点声源来计算获得的传声器阵列的点扩展函数，通过点扩展函数的结果旁瓣水平、分辨率大小来判断传声器阵列的性能。
步骤106、判断旁瓣值是否小于第一设定阈值或分辨率值是否小于第二设定阈值(如0.1m)，若是则表明设计的传声器阵列满足要求，进入步骤107，否则表明设计的传声器阵列不满足要求，需要再次构建传声器阵列并判断新构建的传声器阵列是否满足要求，重复执行步骤102。
步骤107、输出传声器阵列坐标。
当然，上述流程也可以先执行步骤103、再执行步骤102。
本发明阵列设计采用的是多旋臂的螺旋阵列，这种阵列的好处是具有最多的伴随阵列单元数。通过获取必要的输入参数，如声源分析的最高、最低频率、传播介质声速、传声器数量等，然后通过优化麦克风传声器分布规律和旋臂数量来得到最优的阵列性能，从而找到最优的传声器阵列设计形式。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于声源定位的传声器阵列优化方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、确定声学频率分析的最高频率和最低频率、传播介质声速、传声器数量；
S2、选择传声器的分布方式，并确定旋臂的数量，且旋臂的数量为奇数；
S3、根据最高频率和传播介质声速计算传声器阵列中传声器的最小间距，并根据最小间距确定旋臂的起点，根据最低频率和传播介质声速计算传声器阵列中传声器的最大间距，并根据最大间距确定旋臂的终点；
S4、根据传声器数量、旋臂数量以及传声器的分布方式布设每个旋臂上的传声器位置，获得每个旋臂上各传声器的坐标；
S5、给定点声源来计算获得的传声器阵列的点扩展函数，通过点扩展函数的结果旁瓣水平、分辨率大小来判断传声器阵列的性能；
S6、判断旁瓣值是否小于第一设定阈值或分辨率值是否小于第二设定阈值，若是则进入步骤S7，否则重复执行步骤S2；
S7、输出传声器阵列坐标。
2.如权利要求1所述的用于声源定位的传声器阵列优化方法，其特征在于，在步骤S2中，传声器的分布方式包括等弧长分布和等面积分布。
3.如权利要求1所述的用于声源定位的传声器阵列优化方法，其特征在于，在步骤S3中，传声器的最小间距＝传播介质声速/2*最高频率，传声器的最大间距＝传播介质声速/2*最低频率。
4.一种用于声源定位的传声器阵列优化方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、确定声学频率分析的最高频率和最低频率、传播介质声速、传声器数量；
S2、根据最高频率和传播介质声速计算传声器阵列中传声器的最小间距，并根据最小间距确定旋臂的起点，根据最低频率和传播介质声速计算传声器阵列中传声器的最大间距，并根据最大间距确定旋臂的终点；
S3、选择传声器的分布方式，并确定旋臂的数量，且旋臂的数量为奇数；
S4、根据传声器数量、旋臂数量以及传声器的分布方式布设每个旋臂上的传声器位置，获得每个旋臂上各传声器的坐标；
S5、给定点声源来计算获得的传声器阵列的点扩展函数，通过点扩展函数的结果旁瓣水平、分辨率大小来判断传声器阵列的性能；
S6、判断旁瓣值是否小于第一设定阈值或分辨率值是否小于第二设定阈值，若是则进入步骤S7，否则重复执行步骤S2；
S7、输出传声器阵列坐标。
5.如权利要求4所述的用于声源定位的传声器阵列优化方法，其特征在于，在步骤S2中，传声器的分布方式包括等弧长分布和等面积分布。
6.如权利要求4所述的用于声源定位的传声器阵列优化方法，其特征在于，在步骤S3中，传声器的最小间距＝传播介质声速/2*最高频率，传声器的最大间距＝传播介质声速/2*最低频率。
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