CN114866945A - 一种传声器阵列的快速校准方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传声器阵列的快速校准方法及装置，其中校准方法根据点声源辐射的声场，建立了声源坐标、参考传声器坐标和相位、阵列传声器坐标和相位所满足的方程关系，求解方程组，可实现阵列传声器坐标和相位的精确求解；校准装置基于校准方法设计，由面板、微型声源、参考传声器、水平仪和激光测距仪等组成。应用时，首先通过水平仪和激光测距仪获得校准装置和传声器阵列之间位置关系；然后通过声源依次发声，获得参考传声器和阵列传声器之间的位置与相位关系方程组，求解方程组，准确得到阵列传声器的位置坐标和相位信息，提高传声器阵列识别声源的精准度。该方法优点理论清晰、操作简单方便，精准度高，可作为传声器阵列配套的仪器。

Description

一种传声器阵列的快速校准方法及装置

技术领域

本发明涉及声学测量和气动声学研究领域，具体涉及一种传声器阵列的快速校准方法及装置。

背景技术

传声器阵列能准确识别噪声产生的区域以及量化噪声的强度，是声学测量领域一种重要的测量技术，广泛用于航空、航天和能源等领域装备的噪声源定位和降噪评估。传声器阵列技术的关键数据处理方法波束形成（Beamforming）算法，该算法根据阵列传声器和扫描网格点之间的位置关系，通过“延迟求和”技术，用相同相位检测空间声源波阵面，进而实现声源的识别和定位。空间分辨率（主瓣宽度）和动态范围是传声器阵列的重要性能参数，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。因此传声器阵列在出厂或使用之前，需进行校准，获得传声器阵列的空间分辨率和动态范围，为传声器阵列的应用提供支撑。

根据传声器阵列的数据处理方法，阵列传声器的位置和相位与阵列波束形成结果密切相关。分析表明，对于10kHz的噪声源的识别，当阵列传声器位置误差达到5mm时，识别声源的幅值将减低4dB以上；相位偏差超过10°时，识别声源的幅值将减低0.5dB以上。而传声器阵列在实际应用过程中，由于加工、变形以及安装等问题影响，阵列传声器真实位置和安装位置会存在偏差，甚至超过10mm，严重影响高频声源识别的精准度。同时阵列传声器长时间存放过程中相位的一致性会发生变化，也会影响声源识别的精准度。因此阵列使用之前需要专门的仪器进行校准，以有效提高传声器阵列测量的精准度。

发明内容

本发明的目的是为了满足传声器阵列校准要求，基于自由场点声源辐射的声场，建立了声源坐标、参考传声器坐标和相位、阵列传声器坐标和相位所满足的方程关系，通过反演求出阵列传声器坐标和相位，提高传声器阵列识别声源的精度。然后通过声源发声，标定阵列传声器的动态范围和空间分辨率，确定阵列的性能指标。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种传声器阵列的快速校准方法，包括以下步骤：

S1: 基于单极子点声源辐射声场所满足的波动方程、格林函数以及传声器属性，建立点声源发声时参考传声器和阵列传声器之间的相位关系：

其中：

为参考传声器的初始相位，

为阵列传声器的初始相位，

为阵列传声器的位置，

为声源的位置，

为参考传声器的位置，

为欧几里德范数，

为波数，

表示声速，

为声波角频率，

为相位关系；

该方程主要由参考传声器的位置坐标和相位、阵列传声器的位置坐标和相位、参考传声器和阵列传声器接收声源信号的相位差组成，其中传声器和阵列传声器接收声源信号的相位差可通过对其测量的信号进行互相关运算获得；

S2：通过多个点声源依次发声，建立了参考传声器和阵列传声器之间的相位关系非线性方程组；

S3：分别对阵列传声器，采用牛顿迭代法求解S2建立的非线性方程组，获得阵列传声器的精确位置坐标和相位；

S4：根据S3得到的阵列传声器坐标和相位，采用波束形成算法，通过声源发声，标定传声器阵列识别声源的分辨率和动态范围，确定传声器阵列的性能指标。

在上述技术方案中，参考传输器收到的单极子声源辐射的声信号为：

其中：

为声源强度，

为虚数单位，t为时间，

表示声源到传声器之间的距离。

在上述技术方案中，传声器的阵列响应函数为：

其中：

为观察点位置，m为阵列的列数，

是第m列传声器的相应加权因子，

为声源至传声器阵列中心的距离，

为声源至第m路传声器的距离。

一种传声器阵列的快速校准装置，包括云台和设在云台上的面板，所述面板上：

至少设置有四组声源，声源呈阵列分布，

至少设置有一组参考传声器用于监控声源发声，至少设置有一组待校准传声器用于表达传声器的相位，

所述声源设置在面板内，声源的开口、参考传声器的前端、待校准传声器的前端分别与面板表面齐平。

在上述技术方案中，所述面板上在两个不同方向上设置有水平仪用于校准面板，两个不同方向的激光测距仪用于校准传声器阵列的相对位置，水平仪与激光测距仪的表面与面板齐平。

在上述技术方案中，所述声源镶嵌在面板内，声源与面板表面之间设置有金属通道，声源通过金属通道在面板表面产生点声源半辐射场辐射。

在上述技术方案中，所述金属通道内部型线为优化的三次曲线。

在上述技术方案中，在面板上的不同位置至少设置四组声源。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明的传声器阵列校准方法从点声源辐射声场所满足的波动方程着手，推导建立了点声源、参考传声器和阵列传声器之间的方程关系，方法理论清晰；本发明的传声器阵列校准方法可同时获得阵列传声器的位置和相位信息，提高了校准精度；本发明的传声器阵列校准方法可快速精确获得阵列动态范围和分辨率，标定传声器阵列性能；本发明的传声器阵列校准装置结构简洁可靠，操作简单方便，可作为传声器阵列配套的校准设备。

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 是传声器阵列校准原理图；

图2 是传声器阵列校准装置示意图；

图3 是图2的俯视图；

图4 声源安装示意图；

其中，1是第一声源，2是第二声源，3是第三声源，4是第四声源，5是第五声源，6是第六声源，7是第七声源，8是第八声源，9是第九声源，10.云台，11.激光测距仪，12.水平仪，13. 待校准传声器安装座，14是第一参考传声器安装座，15是第二参考传声器安装座，16.面板，17.声音汇集通道，18.声音发生器，19.声源安装座。

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。

如图1 所示是本实施例的设计原理示意图，假设静止空气中存在一个位于

的单极子声源S，那么单极子声源辐射的声场满足以下方程：

式中

为声压，

为单极子声源，

为狄利克雷函数，

为观测点位置。根据自由空间波动方程的格林函数解，在观测点

处传声器接收的声压为：

式中

为声源强度，

表示声速,

为声波角频率

表示传声器的初始相位，

表示声源到传声器之间的距离，

，

为欧几里德范数。

假设校准面上有9个点声源

，一个参考传声器

，一个待校准传声器

安装座。其中待校准传声器安装座可用于校准传声器相位，声源

位于边长为

的正方形边上，

位于正方形中心。参考传声器和校准传声器分别位于声源

两侧，与声源

的距离为

。设校准坐标系的坐标原点位于声源

上，

轴向右，

轴垂直与声源面向上，

轴由右手法则确定。那么设声源坐标为

，

，……

，参考传声器

坐标为

，待校准传声器

。

传声器阵列校准算法具体步骤如下：

第一步：声源

发声，参考传声器

，第m列传声器接收到的声信号为：

式中

表示声源强度，

表示声速，

表示波数，

表示参考传声器本身的相位属性，使用之前可以通过校准获得其具体值。式中

表示声源

到参考传声器

之间距离，

表示声源

到第m列传声器之间距离，

表示第m列传声器本身的相位属性。

，

为欧几里德范数。参考传声器

和第m列传声器的互相关函数为：

那么第m列传声器与参考传声器

的相位差

为：

第二步：声源

依次发声，第m列传声器与参考传声器

的相位差分别为:

上述方程中，

、

，……，

可通过对采集的信号进行相关性获得、声源到参考传声器距离

由校准面安装位置确定，

的相位差由事先校准得到，声源到阵列传声器距离为

。任意4个组成非线性方程组，通过牛顿迭代方即可求解出阵列传声器坐标

和相位

。

实际应用过程中，由于数据采集的影响，阵列传声器和参考传声器之间的相位差求解存在误差，直接求解方程可能带来误差。那么上述方程组可重写为：

任选四个组成非线性方程组，然后采用牛顿迭代法求解，具体如下：

对方程组进行泰勒展开，去线性项得到，那么迭代公式为：

获得传声器位置坐标和相位后，传声器的阵列响应函数为：

式中

为声源位置，

和

分别为声源至传声器阵列中心和第m列传声器的距离，

是第m列传声器的相应加权因子，可用于调整阵列的响度，M是传声器的数量，

是针对声源的声压值，用于评估阵列波达方向（声源方向）的强度，单位Pa，实际应用过程中，为了便于分析阵列分辨率和动态范围，用中心点进行了单位化，并采用

表示，单位为分贝。阵列瓣宽定义为在阵列响应图谱中与阵列最大响应点差为3dB处对应的主瓣宽度，阵列动态范围是阵列响应图谱中旁瓣相对于主瓣的差值。

如图2和图3所示，图3是本实施例的结构示意图，校准装置主要包括一个云台10和设置在云台10上的面板16，面板16上设置包括声源、参考传声器、待校准传声器安装座、水平仪和激光测距仪以及面板等。

在本实施例中，在面板上的中心位置设置第一声源1，围绕第一声源1呈矩阵分布有第二声源2、第三声源3、第四声源4、第五声源5、第六声源6、第七声源7、第八声源8和第九声源9，所有的声源分布在同一个正方形的轮廓线上。在第一声源1和第二声源2之间设置有第一参考传声器安装座14、在第一声源1和第六声源6之间设置有参考传声器安装座15,。在以第一声源1位原点的两个垂直方向上分别设置有激光测距仪11和水平仪12，在面上第一声源1的一侧设置有待校准传声器安装座13。

在本实施例中，参考传声器为经过校准的标准传声器，设置在第一参考传声器安装座14和第二参考传声器安装座15上后，传声器前端与面板表面齐平。

在本实施例中，待校准传声器安装座用于安装需要校准的传声器，包括安装1/4英寸和1/2英寸传声器，安装后待校准传声器前端与面板表面齐平。

在本实施例中，需要设置两个水平仪12和两个激光测距仪11，其设置在不同方向上，具体为：一个水平仪12和一个激光测距仪11设置在同一直线上位一组，另一组所在的直线与前一组的直线相互垂直。通过两个方向测量的水平仪12可以实现对面板的安装定位校准。通过两个方向测量的激光测距仪11可以实现对整体校准装置和传声器阵列的相对位置的调整。

在本实施例中，图4是图2中B区域的局部结构放大示意图，所有的声源采用镶嵌的方式安装在面板上，包括有声源安装座19、声音发生器18、声音汇集通道17，其中声源安装座19镶嵌在面板的一侧，声音汇集通道17面向从面板的另一侧，声音发生器18设置在声源安装座19内，且向着声音汇集通道17发声，声音通过声音汇集通道17在面板的表面上空产生点声源半辐射场辐射。整个声音汇集通道17为金属镶件，内部型线为优化的三次曲线，声音发生器18通过专用功率放大器提供声信号输入。

在本实施例中，所有的设置在面板上的仪器设备，面板发声的一侧均要求仪器设备的表面与面板齐平。

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 (8)

1.一种传声器阵列的快速校准方法，其特征在于包括以下步骤：

S1: 基于单极子点声源辐射声场所满足的波动方程、格林函数以及传声器属性，建立点声源发声时参考传声器和阵列传声器之间的相位关系：

其中：

为参考传声器的初始相位，

为阵列传声器的初始相位，

为阵列传声器的位置，

为声源的位置，

为参考传声器的位置，

为欧几里德范数，

为波数，

为相位关系，

为阵列的列数；

S2：通过多个点声源依次发声，建立了参考传声器和阵列传声器之间的相位关系非线性方程组；

S3：分别对阵列传声器，采用牛顿迭代法求解S2建立的非线性方程组，获得阵列传声器的精确位置坐标和相位；

S4：根据S3得到的阵列传声器坐标和相位，采用波束形成算法，通过声源发声，标定传声器阵列识别声源的分辨率和动态范围，确定传声器阵列的性能指标。

2.根据权利要求1所述的一种传声器阵列的快速校准方法，其特征在于参考传输器收到的单极子声源辐射的声信号为：

其中：

为声源强度，

为虚数单位，t为时间，

表示声源到传声器之间的距离，

表示声速，

为声波角频率。

3.根据权利要求1所述的一种传声器阵列的快速校准方法，其特征在于传声器的阵列响应函数为：

其中：

为观察点位置，

是第m路传声器的相应加权因子，

为声源至传声器阵列中心的距离，

为声源至第m路传声器的距离，M是传声器的数量，

是针对声源的声压值，

是声压值的另一种形式。

4.一种传声器阵列的快速校准装置，其特征在于包括云台和设在云台上的面板，所述面板上：

至少设置有四组声源，声源呈阵列分布，

至少设置有一组参考传声器用于监控声源发声，至少设置有一组待校准传声器用于表达传声器的相位，

所述声源设置在面板内，声源的开口、参考传声器的前端、待校准传声器的前端分别与面板表面齐平。

5.根据权利要求4所述的一种传声器阵列的快速校准装置，其特征在于所述面板上在两个不同方向上设置有水平仪用于校准面板，两个不同方向的激光测距仪用于校准传声器阵列的相对位置，水平仪与激光测距仪的表面与面板齐平。

6.根据权利要求4所述的一种传声器阵列的快速校准装置，其特征在于所述声源镶嵌在面板内，声源与面板表面之间设置有金属通道，声源通过金属通道在面板表面产生点声源半辐射场辐射。

7.根据权利要求6所述的一种传声器阵列的快速校准装置，其特征在于所述金属通道内部型线为优化的三次曲线。

8.根据权利要求6所述的一种传声器阵列的快速校准装置，其特征在于在面板上的不同位置至少设置四组声源。

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