CN115412790B - 一种任意型小孔径平面麦克风阵列布置装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种任意型小孔径平面麦克风阵列布置装置，包括构型单元、麦克风固定夹具、安装骨架、固定盘和连接杆。其中，根据麦克风的空间位置，由一个或者多个构型单元通过螺栓连接组成支臂，麦克风通过麦克风固定夹具与支臂一端连接，支臂另一端与安装骨架通过螺栓连接，水平和竖直方向的两条安装骨架通过固定盘与连接杆连接，连接杆可通过自身孔位连接至三脚架等固定装置。本发明可根据麦克风位置组成任意平面声阵列，满足随机麦克风阵列构型需求，同时拆卸后的构型单元减少空间占用，便于携带。

Description

一种任意型小孔径平面麦克风阵列布置装置

技术领域

本发明属于声源采集技术领域，尤其涉及一种任意型小孔径平面麦克风阵列布置装置。

背景技术

随机麦克风阵列因构型随机，适应性强，易于实现多声源识别，得到了广泛应用。然而，因声源类型的不同，阵列的麦克风布置形式具有随机性和多样性，不同声学场景下需要配置不同的阵列布置形式。现有的随机麦克风阵列多以固定式的框架对麦克风进行布置，这与随机阵列的灵活性相矛盾，进而使得麦克风阵列布置存在误差，使得声源识别分析结果不精准。因此，针对随机麦克风阵列的布置，亟需设计一种自由度高的随机阵列布置装置。

发明内容

基于以上不足，本发明的目的是提供一种任意型小孔径平面麦克风阵列布置装置，该装置通过构型单元的组合完成不同麦克风阵列的布置，使用此装置，可完成不同声学环境下的声源识别测量。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种任意型小孔径平面麦克风阵列布置装置，包括构型单元、麦克风固定夹具、安装骨架、固定盘和连接杆，由一个或者多个构型单元通过螺栓连接组成支臂，麦克风通过麦克风安装座与支臂一端连接，支臂另一端与骨架通过螺栓连接，水平和竖直方向的两条骨架通过固定盘与连接杆连接，连接杆可通过自身孔位连接至三脚架等固定装置。

在本申请的一些实施例中，所述构型单元分为构型单元A和构型单元B两种类型，构型单元为长方形中空结构，两端为U形结构。

在本申请的一些实施例中，所述构型单元A上设置长方形凹槽和刻度标尺。

在本申请的一些实施例中，所述构型单元B上设置长方形凸块和刻度标尺。

在本申请的一些实施例中，所述由构型单元组成的支臂由构型单元A和构型单元B通过蝶形螺母和螺栓连接，通过构型单元上的凹槽、凸块实现精准定位，保证支臂上所有构型单元位于一条直线上。

在本申请的一些实施例中，所述麦克风固定夹具通过弹力夹板固定在支臂的构型单元上，麦克风固定安装在麦克风固定夹具卡槽内，麦克风固定夹具安装到位后，夹具中心卡槽中心位于构型单元的长边方向的轴心线上。

在本申请的一些实施例中，麦克风固定夹具上留有中心标准线和刻度观察孔，保证麦克风固定夹具安装精度。

在本申请的一些实施例中，构型单元通过蝶形螺母和螺栓与安装骨架连接，安装骨架上设置刻度标尺。

在本申请的一些实施例中，所述安装骨架包括水平和竖直方向上的两条安装骨架，通过卡扣和中心定位孔与固定盘连接。

在本申请的一些实施例中，所述固定盘与连接杆通过螺栓连接。本发明的有益效果是：

本发明通过构型单元组合形成麦克风阵列，麦克风位置、角度均可调节，通过控制构型单元的数量来满足各种麦克风位置的需求，形成不同的麦克风阵列构型，同时本发明相比于固定框架的麦克风阵列构型，自由度更高，可实现任意麦克风位置的布置，满足随机麦克风阵列构型的精度要求。

附图说明

图1是本发明提供的本装置的整体图；

图2(a)是本发明提供的构型单元A示意图；

图2(b)是本发明提供的构型单元B示意图；

图2(c)是本发明提供的构型单元刻度示意图；

图3是构型单元连接示意图；

图4是麦克风固定夹具示意图；

图5是安装骨架示意图；

图6是固定盘示意图；

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明在本申请的一些实施例中说明：

如图1至图6所示，一种任意型小孔径平面麦克风阵列布置装置，包括构型单元1、麦克风固定夹具2、安装骨架3、固定盘4、连接杆5、蝶形螺母和螺栓6。

在本申请的一些实施例中，所述构型单元1分为两种类型，分别设置长方形凹槽7(如图2(a))和长方形凸块8(如图2(b))，在两种构型单元连接时，将凹槽与凸块相匹配，实现构型单元的精准定位。

在本申请的一些实施例中，所述构型单元1上设置刻度标尺9，用户根据麦克风位置需求，通过刻度标尺将构型单元连接至一定长度，使用蝶形螺母和螺栓固定，如图3，形成支臂。

在本申请的一些实施例中，两个安装骨架3通过卡扣的方式连接至固定盘4。

在本申请的一些实施例中，将构型单元组成的支臂通过蝶形螺母和螺栓按照麦克风位置需求，连接至安装骨架。

在本申请的一些实施例中，通过构型单元的刻度标尺9，使用麦克风固定夹具4固定至支臂上，再将麦克风固定在卡槽上。

在本申请的一些实施例中，麦克风固定夹具通过弹簧12、夹板13与安装骨架牢固连接，通过观察孔14和中心标准线保证固定夹具安装精度，通过球头11可以调整麦克风角度。

在本申请的一些实施例中，所述固定盘4上设置有麦克风卡槽10、安装定位块16及卡扣孔位17，安装骨架中心方孔与安装定位块16连接，保证安装精度及强度。

在本申请的一些实施例中，将固定盘4通过螺栓杆18连接至连接杆。

所述一种任意型小孔径平面麦克风阵列布置装置的工作过程如下：

首先，用户将安装骨架固定设置于安装盘上，根据构造的麦克风布置构型，按照麦克风的平面直角坐标系位置，依次组装构型单元形成支臂，后将支臂固定至安装骨架上，再将麦克风固定夹具固定至构型单元，设置于麦克风固定夹具上的卡槽还可以进行角度调节，通过上述麦克风布置，一种任意型小孔径平面麦克风阵列布置装置可以实现各种麦克风构型。

在使用同一麦克风构型对不同频率的声源进行测量时，需要对麦克风阵列的孔径进行调整，用户先调整支臂在安装骨架上的刻度，再调节麦克风固定夹具在支臂上的刻度，即可实现麦克风阵列孔径和麦克风位置的调整。

在本申请的一些实施例中，麦克风布置构型采用以下构型方法进行构型，构型后的阵列可采用本发明的布局装置进行布置：

利用带有精英保留策略的快速非支配多目标优化算法(NSGA2)，将阵列构型几何参数确定转化为多目标函数求解过程，使得阵列构型更简易精确，多声源空间分辨率更高。

在本申请的一些实施例中，提供了一种基于NSGA2算法的多声源识别随机声阵列构型方法，采用如下技术方案：

一种基于NSGA2算法的多声源识别随机声阵列构型方法，包括以下步骤：

步骤一：建立包含阵列分区、结构约束的多环同轴圆环阵候选点分布模型；

步骤二：以候选点分布模型为基础，给定麦克风数量，优选阵列孔径；

步骤三：建立阵列多目标构型优化函数，通过NSGA2算法求解所述优化函数，获得包含多种阵列构型的Pareto最优候选阵解集；

步骤四：建立目标阵构型筛选策略，获取目标麦克风阵列；

在本申请的一些实施例中，所述步骤一中，阵列分区和结构约束根据测量声源特性和给定的麦克风数量设置；

在本申请的一些实施例中，所述阵列分区指给定麦克风阵列设计的硬性约束之一的麦克风数量，令麦克风数量为M，以多环同轴圆环阵为基础阵，采用均匀分区将阵列面划分成均一大小的扇形，该扇形简称为阵区，阵区中布置等量的麦克风和候选点。

在本申请的一些实施例中，所述结构约束如下：

令子阵区数量C，区内麦克风数量J，候选点数量G，依据阵列孔径原理和声源测量要求，设置阵列结构约束为：

(1)阵区中麦克风数量J＝1，阵列面以角度均匀分区，/>

(2)基础阵环半径以0.5λ为增量等量增加，环上麦克风间距0.5λ，λ为入射波波长；

(3)任一阵区内布置等量的麦克风和候选点，其数量关系为G≥6J；

(4)同阵区不同环上的候选点与圆心的连线均不重合，θ_ij-θ_i(j+n)≠0；同阵区同环上相邻候选点圆心角

在本申请的一些实施例中，所述步骤二中，阵列孔径的优选指阵列性能参数与构型几何参数间的映射关系，主要表现为主瓣宽度和旁瓣抑制比与阵列孔径和阵列分区数量之间的统计关系。

在本申请的一些实施例中，所述步骤三中，阵列多目标构型优化函数满足下列式子：

f₁(s)＝min(MW)

f₂(s)＝min(-SR)

S＝[s₁,s₂,…,s_C]^T＝[(θ₁,ρ₁),(θ₂,ρ₂),…,(θ_C,ρ_C)]^T

式中，MW为主瓣宽度，SR为旁瓣抑制比，S为候选点s的优化变量集。

在本申请的一些实施例中，由于阵列构型与其性能间的非线性关系，使其阵列构型优化问题中性能参数与构型参数间不存在解析关系，且性能参数之间不独立，无法通过单一目标优化诠释阵列综合性能。由此，以阵列结构参数孔径D及麦克风构型和阵列性能参数主瓣宽度MW及旁瓣抑制比SR构建优化目标函数进行目标阵优化。主瓣宽度越窄，声源识别精度越高；旁瓣抑制比越大，干扰噪声抑制性越强。

在本申请的一些实施例中，所述步骤三中，通过NSGA2算法进行阵列构型优化求解，具体为：生成初始种群之后，采用锦标赛法；采用的交叉方式为两点交叉，交叉算子为自适应算子，交叉过程中候选点极径保持不变，只需重新计算因分区变化而改变的极角；变异方式为单点变异，随机选择染色体上的候选点，从该区中选择一个剩余候选点代替原候选点，对应的极径和极角进行自适应更新。

在本申请的一些实施例中，所述步骤四中，目标阵构型筛选策略满足下列式子：

式中，为权重值，权重值相加为1；η_max为主瓣宽度的最大阈值；ζ_min为旁瓣抑制比的最小阈值。

在本申请的一些实施例中，为保证主瓣宽度和旁瓣抑制比取值，给定性能参数阈值，即在最优候选阵解集中找出满足主瓣宽度和旁瓣抑制比条件的候选阵。然后，在符合条件的阵列构型中选取阵列构型，该构型为最终目标阵列。

一种基于NSGA2算法的多声源识别随机声阵列构型方法，包括以下步骤：

步骤一：建立包含阵列分区、结构约束的多环同轴圆环阵候选点分布模型；

步骤二：以候选点分布模型为基础，给定麦克风数量，优选阵列孔径；

步骤三：建立阵列多目标构型优化函数，通过NSGA2算法求解所述优化函数，获得包含多种阵列构型的Pareto最优候选阵解集；

步骤四：建立目标阵构型筛选策略，获取目标麦克风阵列；

在本申请的一些实施例中，所述步骤一中，阵列分区和结构约束根据测量声源特性和给定的麦克风数量设置。

在本申请的一些实施例中，所述阵列分区指给定麦克风阵列设计的硬性约束之一的麦克风数量，令麦克风数量为M，以多环同轴圆环阵为基础阵，采用均匀分区将阵列面划分成均一大小的扇形，该扇形简称为阵区，阵区中布置等量的麦克风和候选点。

在本申请的一些实施例中，所述结构约束如下：

令子阵区数量C，区内麦克风数量J，候选点数量G，依据阵列孔径原理和声源测量要求，设置阵列结构约束为：

(1)阵区中麦克风数量J＝1，阵列面以角度均匀分区，/>

(2)基础阵环半径以0.5λ为增量等量增加，环上麦克风间距0.5λ，λ为入射波波长；

(3)任一阵区内布置等量的麦克风和候选点，其数量关系为G≥6J；

(4)同阵区不同环上的候选点与圆心的连线均不重合，θ_ij-θ_i(j+n)≠0；同阵区同环上相邻候选点圆心角

在本申请的一些实施例中，所述步骤一中，具体包括以下子步骤：

S101：将多环同轴圆环阵均匀划分阵区；

S102：在子阵区中生成麦克风位置候选点；

S103：生成阵列候选点矩阵；

S104：候选点矩阵与麦克风位置信息转换；

在本申请的一些实施例中，在步骤S102中，所述麦克风位置候选点生成过程，具体为：

根据测量声源频率、结构约束(2)和(4)，以1/2入射波长间距为增量，对候选点进行径向和周向的布置，基础阵环半径以0.5λ为增量等量增加，环上麦克风间距0.5λ环上候选点数量随环半径增加，环上最大麦克风数量K_max＝int[4πρ_m]，ρ_m为第m环半径，int表示取整数；

将阵区中候选点以s进行编号，s为正整数，第i个阵区内候选点位置可由数组表示为：

A_i＝{s_i1 s_i2 … s_i(G-1) s_iG} (1)

其中，s_ij为第i个阵区内第j个候选点，位置(θ_ij,ρ_ij)；θ_ij为极角，ρ_ij为极径。

在本申请的一些实施例中，在步骤S103中，所述的阵列候选点矩阵生成过程，具体如下：

阵列平面由候选点数组生成的矩阵如下：

B＝[A₁ A₂ … A_(G-1) A_G] (2)

其中，麦克风位置则是从阵区候选点中随机选取，如J＝1时生成的麦克风阵列候选点矩阵之一如下：

在本申请的一些实施例中，在步骤S104中，所述候选点矩阵与麦克风位置信息转换，具体为：

由公式(1)可以推得公式(3)所示的候选点矩阵表示的麦克风位置信息，如下式所示：

在本申请的一些实施例中，所述步骤二中，阵列孔径的优选指阵列性能参数与构型几何参数间的映射关系，主要表现为主瓣宽度和旁瓣抑制比与阵列孔径和阵列分区数量之间的统计关系，具体包括以下子步骤：

S201：候选阵生成；

所述S201中候选阵生成指依次在每个分区中随机选取数量为J的候选点，组成候选矩阵，即为候选阵；

在本申请的一些实施例中，在步骤S201中，为保证候选阵生成的有效性，，构建麦克风分布均匀性指数E，具体如下：

式中：p_i为第i种极距出现的概率；q为阵列构型中极距种类的总数量。E越大，麦克风发生拥簇的概率越小，阵列最大有效孔径越易产生。

S202：阵列孔径优化选取；

在本申请的一些实施例中，在步骤S202中，所述阵列孔径优化选取指在主瓣宽度和旁瓣抑制比之间折中选择阵列孔径，保证阵列的综合性能。

在本申请的一些实施例中，所述步骤三中，列多目标构型优化函数，如下式所示：

f₁(s)＝min(MW) (6)

f₂(s)＝min(-SR) (7)

S＝[s₁,s₂,…,s_C]^T＝[(θ₁,ρ₁),(θ₂,ρ₂),…,(θ_C,ρ_C)]^T

NSGA2算法阵列构型流程为提出候选点s的分区编码和阵列麦克风分布均匀性交叉算子，构建以带有精英保留策略的快速非支配多目标阵列优化算法，该算法以阵列构型参量为自变量，以主瓣宽度MW和旁瓣抑制比SR为优化目标函数，优化不同候选阵，得出Pareto最优候选阵解集，具体包括如下子步骤：

S301：初始种群生成；

具体的，麦克风位置可以用包含M个来自不同阵区的候选点s组成的数列表示。在初始化一个阵列构型时，就对应着以候选点为基础随机生成一个M×1维矩阵，随机生成200个形成一个种群。

S302：计算初始种群中个体主瓣宽度和旁瓣抑制比值，利用Pareto原理进行分层；

S303：分区编码；

在本申请的一些实施例中，将一种候选阵构型映射为NSGA2算法中的一条染色体，麦克风位置为对应染色体的基因，令基因数与麦克风总数一致，依据基因在染色体中出现的顺序确定分区顺序，进而确定候选点位置矩阵。按分区顺序用数字标识出分区编码，形成基因串及其与麦克风位置的对应关系，完成分区编码；候选点编码的基因串，其中数字表示1：6阵区的候选点{s₁₅,s₂₄,s₃₂,s₄₆,s₅₁,s₆₃}，由公式(3)和(4)得出麦克风位置极径{ρ₁₅,ρ₂₄,ρ₃₂,ρ₄₆,ρ₅₁,ρ₆₃}和极角{θ₁₅,θ₂₄,θ₃₂,θ₄₆,θ₅₁,θ₆₃}。

S304:改进交叉算子及变异操作；

在本申请的一些实施例中，交叉是NSGA2算法中进行阵列构型更新的主要操作，交叉算子的合理性影响阵列构型全局寻优和种群多样性。当交叉算子较小，阵列构型将局限于局部寻优，导致有效阵列构型数量减少；当交叉算子较大，阵列种群多样性增加，为得到合理的交叉算子，提出以均匀性为约束进行交叉算子优化，得到改进的自适应交叉算子如下式所示：

式中，h_i为父代中极径种类，q为阵列构型中极距种类的总数量。当父代种群中极径种类少时，阵元集中于某一环或其附近，交叉概率p_c变大。

采用的交叉方式为两点交叉，交叉过程中候选点极径保持不变，只需重新计算因分区变化而改变的极角。变异方式为单点变异，随机选择染色体上的候选点，从该区中选择一个剩余候选点代替原候选点，对应的极径和极角进行自适应更新。

S305：合并亲代和子代种群并进行分层，依据拥挤度和支配层级选择构型个体进行下一代进化；

S306：判断是否到达最大进化代数，若否，返回子步骤S302；若是，则输出Pareto最优解种群。

在本申请的一些实施例中，所述步骤四中，目标阵构型筛选策略满足下列式子：

式中，为权重值，权重值相加为1；η_max为主瓣宽度的最大阈值；ζ_min为旁瓣抑制比的最小阈值；

在本申请的一些实施例中，为保证主瓣宽度和旁瓣抑制比取值，给定性能参数阈值，即在最优候选阵解集中找出满足主瓣宽度MW＜η_max和旁瓣抑制比SR＞ζ_min条件的候选阵。然后，在符合条件的阵列构型中依据公式(9)选取F_max阵列构型，该构型为最终目标阵列。

根据最终目标阵列采用本发明装置进行麦克风的布置。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种任意型小孔径平面麦克风阵列布置装置，其特征在于，包括构型单元、麦克风固定夹具、安装骨架、固定盘和连接杆，由一个或者多个构型单元通过连接件连接组成支臂，麦克风通过麦克风固定夹具与支臂一端连接，支臂另一端与安装骨架通过连接件连接，水平方向和竖直方向的两条安装骨架通过固定盘与连接杆连接；

所述构型单元包括：构型单元为长方形中空结构，构型单元包括构型单元A和构型单元B，构型单元A一侧设置凹槽，构型单元B一侧设置凸块，构型单元A和构型单元B通过凹槽和凸块定位连接，同时构型单元A和构型单元B另一侧设置刻度标尺；

麦克风固定夹具以夹持的方式固定在构型单元上，麦克风固定安装在麦克风固定夹具卡槽内，卡槽能够旋转，满足麦克风布置角度，麦克风固定夹具上留有中心标准线和刻度观察孔，保证麦克风固定夹具安装精度；

麦克风固定夹具通过弹簧、夹板与构型单元连接，通过观察孔和中心标准线保证固定夹具安装精度，通过球头调整麦克风角度；

通过构型单元组合形成麦克风阵列，麦克风位置、角度均可调节，通过控制构型单元的数量来满足各种麦克风位置的需求，形成不同的麦克风阵列构型；

所述安装骨架上留有刻度标尺；

所述固定盘上设置有麦克风卡槽、安装定位块及卡扣孔位，安装骨架中心方孔与安装定位块连接，保证安装精度及强度；

所述安装骨架包括水平和竖直方向上的两条安装骨架，通过卡扣和中心定位孔与固定盘连接；所述固定盘与连接杆通过螺栓连接。

2.根据权利要求1所述的一种任意型小孔径平面麦克风阵列布置装置，其特征在于，所述连接杆与固定盘通过螺栓连接，连接杆侧面开孔，内设螺纹，方便连接支撑设备。

3.根据权利要求1所述的一种任意型小孔径平面麦克风阵列布置装置，其特征在于，所述支臂另一端与安装骨架通过连接件连接，具体为将构型单元组成的支臂通过蝶形螺母和螺栓按照麦克风位置需求，连接至安装骨架。

4.如权利要求1-3任一项所述装置的安装方法，其特征在于，将安装骨架固定设置于安装固定盘上，然后根据麦克风的平面直角坐标系位置，依次组装构型单元形成支臂，后将支臂固定至安装骨架上，再将麦克风固定夹具固定至构型单元，设置于麦克风固定夹具上的卡槽能够进行角度调节；当使用同一麦克风构型对不同频率的声源进行测量，对麦克风阵列的孔径进行调整时，先调整支臂在安装骨架上的刻度，再调节麦克风固定夹具在支臂上的刻度，实现麦克风阵列孔径和麦克风位置的调整。