CN111475961A - 一种传声器阵列的自适应阵型优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传声器阵列的自适应阵型优化设计方法，该方法推导了环形传声器阵列的响应解析表达式和分辨率约束函数，构建了由多圈环形阵列组成的传声器阵列性能评价函数，建立了基于环形阵列的阵型优化算法，实现了噪声源的高分辨率、高动态范围识别和定位测量。该方法的优势在于传声器阵列的阵型优化在全频段进行，并以空间分辨率为约束条件；通过对阵列中的传声器进行归类，对每一类传声器设置一个权重因子，大幅减小算法模型中自变量数目，并能根据测量频率范围，智能选取权重因子值大的阵元组成新的阵列进行噪声源测量和定位，提高阵列优化处理速度和传声器利用率。

Description

一种传声器阵列的自适应阵型优化设计方法

技术领域

本发明涉及声学测量和气动声学研究领域，具体涉及到是一种传声器阵列的自适应阵型优化设计方法，可用于航空飞行器、车辆、以及声学风洞试验模型等的噪声源分布测量和定位等。

背景技术

传声器阵列技术使用大量传声器识别空间声源波阵面，用相同相位检测空间声场截面，通过对测得的声信号进行相关分析，抑制不相关噪声影响，得到噪声源分布。传声器阵列克服了单个传声器测量信噪比低，不能获得噪声源分布等缺点，具有强大的噪声源识别和定位能力，是现代声学和气动声学研究领域最常用和最重要的测试技术，并广泛应用于航空、航天、地面交通等行业噪声性能评估与降噪研究。空间分辨率(主瓣宽度)和动态范围是评价传声器阵列最重要的性能参数，它们与测量频率范围、阵列孔径、阵元数量、阵元布置方式等参数密切相关。

现有的环形阵列设计方法、螺旋型阵列设计方法、随机阵列优化设计方法等在阵列设计过程中采用的阵列性能评价函数主要以阵列动态范围为目标，以阵元位置为自变量建立，没有对阵元进行归类，优化计算维度高，计算量大；而且针对不同频率声源，阵元贡献度不同，阵元冗余度未系统考虑。同时在航空飞行器气动噪声源测量过程中，测量频率范围宽，阵列动态范围和空间分辨率要求高，阵列通道数较多，一般超过100通道。

发明内容

本发明的目的是提供一种传声器阵列的自适应阵型优化设计方法，兼顾阵列动态范围和分辨率优化，提高阵列阵元利用率和优化计算速度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种传声器阵列的自适应阵型优化设计方法，包括以下过程：

S1:基于平面波理论和贝塞尔函数性质，推导环形阵列的响应函数解析表达式，建立环形阵列性能评价函数与阵元数量之间的关系式；

S2:将每一圈环形传声器阵列归为一类，设置该类阵列的权重因子，并以环形阵列半径和权重因子为该类阵列表征参数；

S3:将多圈环形传声器阵列进行组合，构建了以环形阵列半径、权重因子为自变量的传声器阵列优化评价目标函数；

S4:根据测量频率范围、阵列孔径、阵元数量、测量视角等约束条件参数，采用多目标优化算法进行优化计算，得到传声器阵列的阵元分布和各圈环形阵列的权重因子值；

S5:根据实际测量频率、动态范围要求、分辨率要求，在传声器阵列中智能选取权重因子值大的阵元组成所需的传声器阵列，并以该传声器阵列进行噪声源测量，提高传声器阵列的阵元利用率，进而提高阵列数据处理速度。

在上述技术方案中，利用平面波理论，单极子点声源位于空间

处声压为：

其中

为波数向量,简称波矢量，

为位置矢量。

在上述技术方案中，以传声器阵列中心为参考点，环形阵列响应函数为：

其中：θ为相对于阵列中心的视角，φ为相对于阵列中心的阵元方位角，M_n为组成环形阵列的传声器数量，阵列孔径为2R_n，m为阵元的数量。

在上述技术方案中，传声器阵列由N圈环形阵列组成，每圈环形阵列半径为R_N，每圈环形阵列的阵元数为M_N，那么传声器阵列的响应函数为：

其中：M＝M₁+M₂……+M_N，ω_n为每圈传声器阵列设置权重因子。

在上述技术方案中，传声器阵列优化设计模型为：

其中：BW₀为输入的分辨率要求，BW为环形阵列的分辨率，H为测量距离，D为阵列孔径，λ为分析频率对应的声波波长。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

传声器阵列的阵型优化在全频段进行，并以空间分辨率为约束条件；通过对阵列中的传声器进行归类，对每一类传声器设置一个权重因子，大幅减小算法模型中自变量数目，并能根据测量频率范围，智能选取权重因子值大的阵元组成新的阵列进行噪声源测量和定位，提高阵列优化处理速度和传声器利用率。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为传声器阵列的自适应阵型优化设计方法流程图；

图2是本发明设计的135通道阵列和国外某机构140通道阵列对比图；

图3是本发明设计的135通道阵列和国外某机构140通道阵列动态范围对比图；

图4是本发明设计的135通道阵列和国外某机构140通道阵列分辨率对比图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本实施例如图1所示，为了评估阵列的性能，首先需要生成阵列响应图谱，阵列响应图谱由阵列响应函数生成，阵列响应函数可采用波束形成算法得到。

具体如下：

设一单极子点声源位于

那么空间r>0处声压为：

其中C为常数，r是声音的传播距离，ω是声波的频率，k是波数。那么阵列的响应函数为：

式中

为声源位置，r₀和r_0m分别为声源至传声器阵列中心和第m个阵元的距离，w_m是第m个阵元的相应权重因子，可用于调整阵列的响度。

在阵列优化设计过程中，为简化问题，通常采用平面波理论,那么空间

处声压表示为：

其中

为波数向量,简称波矢量，

为位置矢量。

设有一套M_n个传声器组成的均匀环形阵列，阵列孔径为2R_n，阵元坐标为

选取阵列中心原点为参考点，环形阵列响应函数为

其中θ为相对于阵列中心的视角，φ为相对于阵列中心的阵元方位角。

当环形阵列阵元数M足够大时,环形阵列的分辨率为

其中Const为具体值，H为测量距离，D为阵列孔径，λ为分析频率对应的声波波长。

假设传声器阵列由N圈环形阵列组成，每圈环形阵列对应的半径分别为R₁，R₂……R_N，每圈阵列对应的阵元数分别为M₁，M₂……M_N，阵列总阵元数M＝M₁+M₂……+M_N。每圈传声器阵列设置权重因子为ω_n，那么传声器阵列的响应函数为

那么传声器阵列优化设计模型为：

其中BW₀输入的分辨率要求。上述模型中自变量只包含环形阵列圈数和权重因子，自变量大幅较小。

阵列设计过程中输入频率范围、视角、测量距离、空间分辨率、动态范围等参数边可开展计算。具体根据试验条件和分辨率要求确定阵列孔径，以动态范围作为优化对象，采用数学的多目标优化设计方法在不同频段进行优化设计得到阵列分布和权重因子。

图2至图3给出了本实施例设计的135通道传声器阵列与国外某机构140通道传声器阵列对比结果。

由图中可知，本实施例设计的135通道的传声器阵列在400Hz到10kHz范围内动态范围大于12dB，优于国外某知名气动声学研究机构140通道传声器阵列；135通道直径只有3米，分辨率却接近国外某机构直径4米的140通道传声器阵列的分辨率水平。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种传声器阵列的自适应阵型优化设计方法，其特征在于：

S1:基于平面波理论和贝塞尔函数性质，推导环形阵列的响应函数解析表达式，建立环形阵列性能评价函数与阵元数量之间的关系式；

S2:将每一圈环形传声器阵列归为一类，设置该类阵列的权重因子，并以环形阵列半径和权重因子为该类阵列表征参数；

S3:将多圈环形传声器阵列进行组合，构建以环形阵列半径、权重因子为自变量的传声器阵列优化评价目标函数；

S4:根据测量频率范围、阵列孔径、阵元数量、测量视角等约束条件参数，采用多目标优化算法进行优化计算，得到传声器阵列的阵元分布和各圈环形阵列的权重因子值；

S5:根据实际测量频率、动态范围要求、分辨率要求，在传声器阵列中智能选取权重因子值大的阵元，组成所需的传声器阵列。

2.根据权利要求1所述的一种传声器阵列的自适应阵型优化设计方法，其特征在于：利用平面波理论，单极子点声源位于空间

处声压为：

其中

为波数向量,简称波矢量，

为位置矢量。

3.根据权利要求2所述的一种传声器阵列的自适应阵型优化设计方法，其特征在于：以阵列中心原点为参考点，环形阵列响应函数为：

其中：θ为相对于阵列中心的视角，φ为相对于阵列中心的阵元方位角，M_n为组成环形阵列的传声器数量，阵列孔径为2R_n，m为阵元的数量。

4.根据权利要求1或3所述的一种传声器阵列的自适应阵型优化设计方法，其特征在于：传声器阵列由N圈环形阵列组成，每圈环形阵列半径为R_N，每圈环形阵列的阵元数为M_N，那么传声器阵列的响应函数为：

其中：M＝M₁+M₂……+M_N，ω_n为每圈环形阵列的权重因子。

5.根据权利要求4所述的一种传声器阵列的自适应阵型优化设计方法，其特征在于：传声器阵列优化设计模型为：

其中：BW₀为输入的分辨率要求，BW为环形阵列的分辨率，H为测量距离，D为阵列孔径，λ为分析频率对应的声波波长。

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