CN211627803U - 一种基于极坐标系下的声源定位随机阵列装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于极坐标系下的声源定位随机阵列装置，包括依次叠加设置的前壳和底壳，前壳和底壳均为圆形壳并在前壳和底壳之间形成圆柱形空腔，空腔内设有pcb支架并在pcb支架上固定有pcb；使用本装置进行随机阵列具有更好的分辨率和旁瓣抑制比。随机阵列不但便于增大阵列孔径，而且能够保证阵元中存在所要求的最小间距，其所能测量的频率范围较广。随机阵列中阵元位置具有随机性，可将重复冗余的阵元去掉或将其移至所需位置，从而使其满足定位运动声源的要求。这种阵列结构能够在满足运动声源测量条件的前提下，保证传声器数目不变甚至使其减少，以降低阵列的搭建成本与信号处理的计算量。

Description

一种基于极坐标系下的声源定位随机阵列装置

技术领域

本实用新型涉及声源定位技术，具体是一种基于极坐标系下的声源定位随机阵列装置。

背景技术

传声器阵列声源定位技术是指通过传声器阵列采集声信号，经由相应的阵列信号处理方法对其进行分析处理，得到声源的空间位置。现有传声器阵列技术方面，运动声源具有多普勒频移与所需测量平面较大这两大特点。这就要求阵列在测量特性方面满足测量频率范围要宽、阵列面积要大，由此导致阵列结构须在保证阵元最小间距的前提下，尽可能地增大阵列孔径。

目前已有众多规则满布阵列结构的声源定位研究，包括线性阵列、平面阵列和立体阵列。对运动声源的定位应考虑以下布阵条件：为了避免发生空间混淆现象，相邻两传声器间距要足够接近；与此同时，为了能够准确定位多个噪声源，整个阵列孔径要足够大。一个满阵布置的阵列若要满足以上条件，需要的传声器数量则会相应增加，这将导致传声器阵列的搭建成本与信号处理计算量的大幅增加；规则阵列需要的传感器数量多，并且为了达到阵列孔径的需求，规则阵列存在着布阵面积大、布阵困难和造价高等缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于极坐标系下的声源定位随机阵列装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种基于极坐标系下的声源定位随机阵列装置，包括依次叠加设置的前壳和底壳，前壳和底壳均为圆形壳并在前壳和底壳之间形成圆柱形空腔，空腔内设有 pcb支架并在pcb支架上固定有pcb；所述前壳中心具有透明的玻璃层，玻璃层上具有直径不同的多个圆环标记，且玻璃层中心为镜筒，所述镜筒呈圆形。

作为本实用新型的优选方案：所述底壳后方设有整流罩，整流罩具有横杆和圆环形的固定圈，固定圈套装在前壳和底壳的连接处；所述固定圈外部具有上壳，具体的，上壳包括“U”型的支架，并在支架两端具有圆弧形的滑槽，固定圈两端具有与滑槽滑动连接的滑块。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：使用本装置进行随机阵列具有更好的分辨率和旁瓣抑制比。随机阵列不但便于增大阵列孔径，而且能够保证阵元中存在所要求的最小间距，其所能测量的频率范围较广。随机阵列中阵元位置具有随机性，可将重复冗余的阵元去掉或将其移至所需位置，从而使其满足定位运动声源的要求。这种阵列结构能够在满足运动声源测量条件的前提下，保证传声器数目不变甚至使其减少，以降低阵列的搭建成本与信号处理的计算量。

附图说明

图1为传声器阵列定位运动声源俯视图。

图2为同轴圆环阵计算模型图。

图3为三环同轴圆阵分区图。

图4为第一种基于极坐标系下的声源定位随机阵列装置随机阵列排列图。

图5为第二种随机阵列排列图。

图6为本实用新型的结构示意图。

图7为具体实现流程图。

图中1-前壳，2-整流罩，3-上壳，4-pcb，5-pcb支架，6-底壳，7-固定圈， 8-支架，9-玻璃层，10-镜筒。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例1：

请参阅图1-7，一种基于极坐标系下的声源定位随机阵列装置，包括依次叠加设置的前壳1和底壳6，前壳1和底壳6均为圆形壳并在前壳1和底壳6之间形成圆柱形空腔，空腔内设有pcb支架5并在pcb支架5上固定有pcb4，pcb4 用于进行传感器的位置模拟安放；所述前壳1中心具有透明的玻璃层9，玻璃层 9上具有直径不同的多个圆环标记，且玻璃层9中心为镜筒10，所述镜筒10呈圆形。

进行传声器基础阵列的结构生成是，首先定位运动声源的最小间距，根据瑞利准则，对于远场噪声源，当且仅当噪声源空间方位角差大于阵列孔径倒数时，方可被分辨；因此如果要提高阵列的角分辨率，在不增加阵元个数的条件下，增大阵列孔径是一种行之有效的方法；而在实际应用时，阵列孔径不可能无限制增大，其大小则由所需测量的运动平面宽度以及阵列的极限测量俯仰角度θ来确定，如图1，为了避免空间混淆，所设计的随机阵列当中至少有两个传声器距离为：

d_min＝c/(2f_maxsinθ)

(公式1)

其中f_max为所需要测量噪声频率范围中的最高频率，c为声速。

进行同轴圆环阵的计算模型，在生成随机阵列时，首先需要考虑的是选择一个合适的基础阵列形式，在此基础上进行后续的目标随机阵列结构的生成；由于同轴圆环的几何对称性，在保证最内环半径足够小的前提下，即满足公式1条件，每增加一环，其阵列孔径则以两倍半径长度增大，从而能够更快增大阵列孔径，以满足对运动声源定位要求，提高阵列的测试角分辨率；且这种同轴圆环阵列放在极坐标系下，在后续随机阵列生成时，能够通过控制极径和极角实现。

设任意同轴圆环阵的圆环数为M，第m环上的阵元数有N_m个，圆环到中心的半径长度为ρ_m；假设声源为远场点声源，用球面坐标系表示声源入射平面波的波达方向，坐标系的原点O位于同轴圆环阵中心，如图1-2所示；声源俯仰角θ为原点到声源点的连线与z轴正方向的夹角，方位角

为原点到声源点的连线在xOy平面内的投影与x轴正方向的夹角。

根据几何位置关系，第m环上第n个阵元的空间位置向量：

其中，ρ_m是第m环的半径长度，

是第n个阵元与x轴正方向的夹角，

则某时刻原点与第m环上第n个阵元接收到的信号相位差Δ表示为：

其中，2π/λ为波数，λ为波长。

进行极坐标下的随机阵列结构生成时，首先进行基础网点阵列的建立，若需生成由Sum个传声器组成的随机阵列，同轴圆环阵列中可供选择的阵元网点有 Sum’个，如果直接从基础阵列平面上的Sum’个阵元网点选取Sum个位置，则计算量为

通过对阵列面合理的分区，使每个被选取传声器阵元位置占据同等大小的面积，就能够保证传声器在阵列面上尽量均匀布置；选取以圆心为中心的等角度辐射状直线组，将基本网格阵列分为所需要的区域数量，通过控制极径和极角对阵元位置进行筛选，该阵列分区后的示意图如图3所示。

极坐标系下阵元位置的筛选工作，需要进行两个步骤：第一步是根据性能参数限制的结构参数，对网点进行选取以放置传声器，此时能够生成若干个候选随机阵列；第二步对候选随机阵列的性能进行评价，挑选出目标随机阵列。对于生成的随机阵列结构，如果传声器分布过于稠密，则阵列的清晰度好，但是声源分辨率低，反之则阵列分辨率高而清晰度差。

以三层同轴圆环为例，生成的符合评价标准的同轴圆环阵列如下图4和图5 所示；随机阵列采用13传声器，传感器的布置为四层：

第一层：原点位置(即圆心位置)，布置一个传感器；第二层：在最内层圆环，半径为R1(暂定为0.07m)上布置两个传感器，角度为[225°,315°]；第三层：在中间层圆环，半径为R2(暂定为0.14m)上布置4个传感器，角度为 [98°,128°,173°,293°]；第四层：在最外层圆环，半径为R3(暂定为0.21m) 上布置6个传感器，角度为[15°,45°,85°,185°,245°,355°]。

具体实现流程为，一、滤波处理；二、计算n组数据的协方差矩阵Rxx[n*n]；三、利用QR分解和Householder方法求解Rxx[n][n]方程的特征值和特征向量；四、建立由特征向量组成的矩阵Un[n*(n-1)]，需要排序；五、波束形成算法，求出声源信息位置。

实施例2：

在实施例1的基础之上，所述底壳6后方设有整流罩2，整流罩2具有横杆和圆环形的固定圈7，固定圈7套装在前壳1和底壳6的连接处；所述固定圈7 外部具有上壳3，具体的，上壳3包括“U”型的支架8，并在支架8两端具有圆弧形的滑槽，固定圈7两端具有与滑槽滑动连接的滑块，方便改变测试的方向位置。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种基于极坐标系下的声源定位随机阵列装置，包括依次叠加设置的前壳(1)和底壳(6)，其特征在于，所述前壳(1)和底壳(6)均为圆形壳并在前壳(1)和底壳(6)之间形成圆柱形空腔，空腔内设有pcb支架(5)并在pcb支架(5)上固定有pcb(4)。

2.根据权利要求1所述的一种基于极坐标系下的声源定位随机阵列装置，其特征在于，所述前壳(1)中心具有透明的玻璃层(9)，玻璃层(9)上具有直径不同的多个圆环标记。

3.根据权利要求2所述的一种基于极坐标系下的声源定位随机阵列装置，其特征在于，所述玻璃层(9)中心为镜筒(10)，所述镜筒(10)呈圆形。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于极坐标系下的声源定位随机阵列装置，其特征在于，所述底壳(6)后方设有整流罩(2)，整流罩(2)具有横杆和圆环形的固定圈(7)，固定圈(7)套装在前壳(1)和底壳(6)的连接处；所述固定圈(7)外部具有上壳(3)。

5.根据权利要求4所述的一种基于极坐标系下的声源定位随机阵列装置，其特征在于，所述上壳(3)包括“U”型的支架(8)，并在支架(8)两端具有圆弧形的滑槽，固定圈(7)两端具有与滑槽滑动连接的滑块。

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