CN201877118U

CN201877118U - 一种具有降低反射声影响的阵元结构

Info

Publication number: CN201877118U
Application number: CN2010205988486U
Authority: CN
Inventors: 杨亦春; 滕鹏晓
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2020-11-05

Abstract

本实用新型涉及一种具有降低反射声影响的阵元结构，包括：位于同一平面上的中央平台和若干条均匀设置在中央平台周围的呈螺旋形分布的刚性辐条(2)，其特征在于，每条刚性辐条(2)的宽度为9mm～12mm，每条刚性辐条(2)上有若干个阵元安装孔(1)，所述的若干阵元安装孔(1)分布在阵列平面的均匀间隔的n×n井字形线条的交叉节点附近，n取15或21的整数倍；n×n的井字形线的实际间距设定为80～100mm，阵元安装基座高度(6)为4mm～6mm。本实用新型结构简单，采用螺旋式结构，减少由于阵元结构和阵元高度反射回声对实际测量声场的不良影响，有利于提高探测定位精度。

Description

一种具有降低反射声影响的阵元结构

技术领域

本实用新型涉及声学测量领域，具体地说，本实用新型涉及一种具有降低反射声影响的阵元结构。

背景技术

阵元结构是指将多个传声器按照某种几何形状分布组合而成的声学探测装置，该装置经过特定算法处理后可对多声源同步检测，能够测量声源的空间信息，并能对特定位置声源进行信号增强和抑制背景干扰的处理，可提高设备对目标声音的拾取能力，可用于跟踪声源的移动过程，该装置可应用于现代大部分声学测量领域中，如：助听器、电话会议系统、计算机终端设备等，同时具有实现语音增强、声源定位、声成像检测、舞台定点声音拾取、远距离采访、机器噪声故障诊断、远距离监测监听等功能。

常用的声学探测阵元结构为直线分布型、平面分布型、球形分布型或者平面螺旋型。直线分布型阵元结构是指阵元位于一条线上，具有多种分布形式，但只能对阵列所在直线为界的半个平面进行定位。平面形阵元结构是指阵列单元位于一个平面上，具有多种分布形式，它可以在整个平面对目标进行定位，也可以对阵列所在平面为界的半个空间进行定位，但不能对整个空间定位。球形分布型阵元结构虽然能够进行空间定位，但是占用体积太大，而且算法复杂高，因此只适应于特定场合。平面螺旋阵元结构是一种按平面分布的结构，阵元位于一系列螺旋线上的节点，具有多种分布形式的优势。平面螺旋阵元结构通过测量出空间声像图，并与阵上中心点安装的视频摄像头拍摄的图像重叠显示，用来确定所测量声源与被测物的位置关系。平面螺旋阵元结构对正前方向的二维空间具有较好的探测能力，尤其适用于定向探测。

平面螺旋阵元结构的探测性能与阵元分布的规律密切相关，平面分布形式的螺旋阵对声场成像测量的分辨率和探测精度要求不同，性能优良的平面螺旋阵元结构不仅可以精确测量出声源的位置，得到高信噪比的目标信号，而且，在一定程度上能有效降低虚源效应。

现有的平面螺旋阵元结构一般用多个螺旋形辐射条组成，阵元数量有24、32、48、60、128不等。如韩国SM Instruments公司的48元螺旋阵有6条螺旋杆，每条杆上有按同规律排布的8个阵元；声望公司的35元螺旋阵的阵元分成7组，每组有5个阵元分布在一条螺线上。现有的阵元设计主要集中在平面上阵元点布局的设计以期达到最优的空间分辨和指向性，而对噪声等的处理主要依靠采集到的信号进行后处理的方法，如发明专利200510055432.3采用将传声器阵元信号进行分解成频率子带信号确定时变测量，并根据时变判别函数确估算判别函数从而检测噪声；发明专利200910249800.6对采集到的麦克风阵列信号采用信号子空间算法来确定子空间维度，估计噪声功率谱和线性滤波器从而达到语音增强的效果。

但是，上述专利都是以采集到信号的后处理角度出发进行降噪处理，并没有从阵元结构角度出发做消除干扰等处理，而现有阵列在阵元结构的设计上因为布置信号线的需要导致阵列的支撑辐条宽度过宽，同时由于采用的传声器和前置放大器的不同造成了阵元安装基座过高，这种宽辐条、高基座的形状必然会对测量的声音造成一定影响，因为测量目标声源在传播到测量阵元前会在阵列体上产生反射，破坏测量的声场原始分布，这样阵元结构所测量的不再是待测声源的原始信号，而是原始信号与阵元反射信号的叠加信号，从而导致探测定位不准确。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，为克服现有阵元结构在探测精度、虚源效应和结构稳定等方面的缺点及不足，从而提供一种具有降低反射声影响的阵元结构。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案所提供的一种具有降低反射声影响的阵元结构，所述的具有降低反射声影响的阵元结构包括：位于同一平面上的中央平台和若干条均匀设置在中央平台周围的呈螺旋形分布的刚性辐条2，其特征在于，每条刚性辐条2的宽度为9mm～12mm，所述的每条刚性辐条2上有若干个阵元安装孔1，所述的若干阵元安装孔1分布在阵列平面的均匀间隔的n×n井字形线条的交叉节点附近，n取15或21的整数倍；n×n的井字形线的实际间距设定为80～100mm，阵元安装基座6高度为4mm～6mm。

所述的阵元包括传声器3和前置放大器4；

所述的传声器3与对应的前置放大器4通过螺纹紧密安装在一起，所述的传声器3与对应的前置放大器4安装后的安装高度在20cm以下；

所述的前置放大器4上套设阵元安装绝缘护套5，所述的阵元安装绝缘护套5后穿设于刚性辐条2上的阵元安装孔1内；

所述的前置放大器4的后端通过螺纹与阵元安装基座6连接；

所述的阵元安装绝缘护套5采用绝缘零件。

所述的前置放大器4的高度为10mm～20mm；所述的传声器3的高度为10mm～14mm。

所述的平面螺旋阵元结构的刚性辐条2个数为8条，每条刚性辐条2上阵元安装孔1个数为8个，所述的64个阵元安装孔1分布在15×15井字形线条的交叉节点附近。

所述的阵列的支撑架置于刚性辐条2的后面，阵元信号线隐蔽地紧贴在刚性辐条2的后面。

所述的刚性辐条2材质采用铝合金、碳纤维、不锈钢或玻璃钢材料。

所述的阵元安装孔1上设有安装进线缺口。

本实用新型的原理是：传声器阵元对局部声场有一定影响，主要是因为声传播到阵元的过程中会遇到支架的阻挡或者被反射、散射。阵元结构对声音传播的影响可以通过占空比和容阵率两个指标来反映。

占空比是指阵元结构占据空间的比例，容阵率是指阵元结构体积中所能够容纳的阵元的个数，这两个指标是阵元结构设计时的非常关键的因素，它们共同反映了阵元结构在声场测量时对测量到的声场的影响。阵元结构的支撑刚性辐条和支架以及阵元体本身在空间中不可避免的占据空间，声源发出的声音在传播的过程中遇到阵元结构会发生反射散射，反射声被传声器接收后会形成干扰，是测量声场的主要误差源之一。

占空比R计算如公式(1)所示：

R = \frac{V_{a}}{V_{b}} = \frac{S_{a} \cdot h}{S_{b} \cdot h} = \frac{S_{a}}{S_{b}} - - - (1)

式中，V_a为实际阵元结构体积，V_b为包含实际阵元结构规则立体图形的体积，h为阵元体高度，S_a为实际阵元结构面积，S_b为包含实际阵元结构规则平面图形的面积。

容阵率ρ计算如公式(2)所示：

ρ = \frac{N}{V_{a}} = \frac{N}{S_{a} \cdot h} - - - (2)

式中，N为安装阵元个数。

由公式(1)和(2)可以看出，阵元结构的面积和阵元体本身高度是两个关键因素，减少两者的数值，可以最大限度的提高阵元抗反射声的效率，进而提高阵元测量信号精度和准确度，极大提高设备对目标声音的提取分辨能力。

与现有阵形相比，本实用新型的一种具有降低反射声影响的阵元结构具有以下优点：

1、本实用新型结构简单可靠，采用螺旋式结构，特别是通过优化将辐条宽度减小至最低程度，每个节点处连接的支架臂数量少，减少由于阵元结构反射回声对实际测量声场的影响，有利于提高探测定位精度。

2、本实用新型结构，通过优化设计将阵元高度设计为最低，减少由阵元高度反射产生的回声对实际测量声场的不良影响，提高探测定位的精度。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本实用新型的实施例，其中：

图1为本实用新型的平面螺旋阵元结构的阵元安装孔分布示意图；

图2为本实用新型的平面螺旋阵元结构安装结构示意图；

图3为本实用新型的平面螺旋阵侧面示意图；

图4为本实用新型的阵元在平面螺旋阵的安装结构示意图；

图5(a)为本实用新型的阵元安装绝缘护套分解结构示意图；

图5(b)为本实用新型的阵元安装基座的分解结构示意图。

附图标识：

1、阵元安装孔 2、刚性辐条 3、传声器

4、前置放大器 5、阵元安装绝缘护套 6、阵元安装基座

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步地描述。

本实施例平面螺旋阵元结构的刚性辐条个数选为8个，每条刚性辐条上阵元安装孔个数选为8个，是一个64阵元的具有降低反射声影响的阵元结构，如图1～4所示，包括：阵元安装孔1、刚性辐条2、传声器3、前置放大器4、阵元安装绝缘护套5和阵元安装基座6。

如图1所示，平面螺旋阵元结构的刚性支架共有64个节点，所有节点分布在一种特殊坐标处，这些节点位于横向均匀间隔的15条线和纵向均匀间隔的15条线交叉点中的特选节点，选定的节点分布在8条螺线上，每条螺线上有8个阵元。将15条×15条的井字形线的间距设定为70mm，得到平面螺旋阵元边长为980mm，直径1.066m的螺旋阵，设计出的阵元结构安装结构如图2所示，具有降低反射声影响的刚性支架的辐条宽度为12mm，阵列的支撑架位于刚性辐条的后面，对阵列正前方的直达声音的反射效应小，刚性辐条材质采用可采用铝合金、不锈钢、玻璃钢等材料制作，阵元结构侧面图如图3所示。阵元信号线隐蔽地紧贴在刚性辐条的后面，减小了对声音的反射，同时增加了安装牢固度。

本例中，如图4所示，传声器3与前置放大器4通过螺纹连接在一起，并通过阵元安装绝缘护套5后，穿过刚性辐条2上的阵元安装孔1，通过螺纹与阵元安装基座6连接，阵元安装基座高度为5mm，传声器3高度为12mm，前置放大器4高度为15mm。阵元安装绝缘护套分解结构图如图5(a)所示，阵元安装基座的分解结构图如图5(b)所示。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims

1.一种具有降低反射声影响的阵元结构，所述的具有降低反射声影响的阵元结构包括：位于同一平面上的中央平台和若干条均匀设置在中央平台周围的呈螺旋形分布的刚性辐条(2)，其特征在于，每条刚性辐条(2)的宽度为9mm～12mm，所述的每条刚性辐条(2)上有若干个阵元安装孔(1)，所述的若干阵元安装孔(1)分布在阵列平面的均匀间隔的n×n井字形线条的交叉节点附近，n取15或21的整数倍；n×n的井字形线的实际间距设定为80～100mm，阵元安装基座(6)高度为4mm～6mm。

2.根据权利要求1所述的具有降低反射声影响的阵元结构，其特征在于，所述的阵元包括传声器(3)和前置放大器(4)；

所述的传声器(3)与对应的前置放大器(4)通过螺纹紧密安装在一起，所述的传声器(3)与对应的前置放大器(4)安装后的安装高度在20cm以下；

所述的前置放大器(4)上套设阵元安装绝缘护套(5)，所述的阵元安装绝缘护套(5)后穿设于刚性辐条(2)上的阵元安装孔(1)内；

所述的前置放大器(4)的后端通过螺纹与阵元安装基座(6)连接；

所述的阵元安装绝缘护套(5)采用绝缘零件。

3.根据权利要求2所述的具有降低反射声影响的阵元结构，其特征在于，所述的前置放大器(4)的高度为10mm～20mm；所述的传声器(3)的高度为10mm～14mm。

4.根据权利要求1所述的具有降低反射声影响的阵元结构，其特征在于，所述的呈螺旋形分布的刚性辐条(2)个数为8条，每条刚性辐条(2)上阵元安装孔(1)个数为8个，所述的64个阵元安装孔(1)分布在15×15井字形线条的交叉节点附近。

5.根据权利要求1所述的具有降低反射声影响的阵元结构，其特征在于，所述的阵元结构还包括支撑架该支撑架置于刚性辐条(2)的后面，阵元信号线隐蔽地紧贴在刚性辐条(2)的后面。

6.根据权利要求1所述的具有降低反射声影响的阵元结构，其特征在于，所述的刚性辐条(2)材质采用铝合金、碳纤维、不锈钢或玻璃钢材料。

7.根据权利要求1所述的具有降低反射声影响的阵元结构，其特征在于，所述的阵元安装孔(1)上设有安装进线缺口。