一种基于随机传声器阵列的运动物体声场测量方法

摘要

本发明涉及一种基于随机传声器阵列的运动物体声场测量方法，属于噪声分析和控制技术领域。通过基于阵列单元的随机传声器阵列生成、根据基线向量统计筛选、仿真计算评价三个步骤设计二维随机传声器阵列布局，按照阵列布局搭建随机传声器阵列，对运动物体声场进行测量。本发明方法减少了传声器布局的任意性，降低布局设计中的搜索空间；应用基线统计指标预先滤除不满足要求的阵列布局，减少了性能验证的计算量，提高了搜索效率；通过仿真计算对不同频率下的随机传声器阵列性能进行验证，保证所得到的阵列满足测量使用要求。本发明方法使运动物体声场测量系统能够在较短时间内确定随机传声器阵列布局，实现对运动声源更准确的定位和分析。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于随机传声器阵列的运动物体声场测量方法，属于噪声分析和控制技术领域。

背景技术

汽车、火车等复杂运动机械的噪声对环境影响很大。准确的识别和定位主要的发声部件所在，能够为噪声治理工作提供依据，对噪声测量以及治理工作都具有重要意义。由于运动的原因，对这类(多声源)运动型噪声，要比较精确地获取其声场，将各个声源分辨出来，并准确定位是比较困难的。

目前，世界上针对交通工具类的运动声源，对其声场进行测量分析研究的主要有声全息方法和阵列方法。全息法测量运动声场受多普勒效应影响很大，其工程实际应用受到了局限。与全息技术相比，阵列技术在运动声源识别研究中的应用更为广泛。其中随机阵列的布局方式通过传声器的不规则布置可以有效的克服规则阵列的旁瓣效应，提高声源识别的精确度；目前对于二维随机阵列布局的优化方法一般效率较低，需要进行大量计算才能找到性能较好的布局。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于随机传声器阵列的运动物体声场测量方法，通过基于阵列单元的随机传声器阵列生成、根据基线向量统计筛选、仿真计算评价三个步骤进行二维随机传声器阵列布局的设计，按照计算得出的阵列布局搭建随机传声器阵列，对运动物体声场进行测量，从而提高声场测量的精确度。

本发明提出的基于随机传声器阵列的运动物体声场测量方法，包括以下步骤：

(1)设定测量用传声器之间的最短间隔距离为d，$d=\frac{c}{2f_{\max }}$

其中c为声速，f_max为设定的最大测量分析频率；

(2)设上述测量用传声器所在的阵列平面A的长度为L₁、高度为H₁，待测运动物体所在平面R的长度为L₂、高度为H₂，阵列平面A与平面R之间的垂直距离为D，阵列平面A的长度L₁和高度H₁是上述最短间隔距离d的整数倍；

(3)将上述阵列平面A划分为n个大小形状相同的阵列单元，每个阵列单元的长度和宽度分别为k₁×d、k₂×d，其中k₁、k₂为正整数，d为上述最短间隔距离，将每个阵列单元划分为k₁×k₂个方格，每个方格的中心点为测量用传声器的预设置点，共有k₁×k₂预设置点；

(4)在上述k₁×k₂预设置点中，随机选定一个预设置点作为传声器放置位置，得到一个由n个传声器构成的随机传声器阵列，重复该过程N₁次，生成N₁个随机传声器阵列；

(5)计算上述N₁个随机传声器阵列中每个随机传声器阵列的所有基线向量，将同一随机传声器阵列的所有基线向量放到同一点距坐标系下，得到基线向量的点距坐标图，设定点距坐标图中坐标轴的单位为最短间隔距离d，形成U个由直线x＝±J和y＝±J所构成的正方形坐标环，其中J＝1，2，…U-1，U，U＝max(H₁/d，L₁/d)，计算基线向量终点在第1坐标环上的所有基线向量数M₁，基线向量终点在第1坐标环上且互相不重合的所有基线向量总数K₁，基线向量终点在第2坐标环上且互相不重合的所有基线向量总数K₂，以及基线向量终点在第U坐标环上且互相不重合的所有基线向量总数K_U；

(6)根据上述基线向量总数，对上述N₁个随机传声器阵列进行筛选，其过程为：

(a)若上述阵列单元数n≤24，且上述基线向量数M₁≤4，则进行步骤(b)，若上述阵列单元数n>24，且上述基线向量总数K₁≤4，则进行步骤(b)；

(b)若上述阵列单元数n≥14，且上述基线向量数K₂≥14，则进行步骤(c)，若上述阵列单元数10≤n≤13，且上述基线向量数K₂≥12，则进行步骤(c)，若上述阵列单元数8≤n≤9，且上述基线向量数K₂≥10，则进行步骤(c)；

(c)若上述基线向量数K_U≥4，则选择该随机传声器阵列；

(8)设上述选择的随机传声器阵列数有N₂个，分别对N₂个随机传声器阵列进行仿真计算，得到随机传声器阵列中各个传声器的仿真声压信号，其中第i个传声器的仿真声压信号为：

其中，为仿真被测声源特征函数$\tilde{q}\left(t\right)={\tilde{q}}_0\cos \left(2\mathrm{\pi ft}\right),$为仿真实测声源强度，f为仿真被测声源的频率，为在t时刻Q点与第i个传声器间的距离，(t)为在t时刻Q点到第i个传声器连线与Q点运动方向间的夹角，M为马赫数；

根据上述传声器的仿真声压信号，计算出待测运动物体所在平面R上任意一点处在t₁至t₂时间段内的仿真声场特征函数：

${\tilde{W}}_p(ϵ,\eta )={\int }_{t_1}^{t_2}{\tilde{P}}^2(t,ϵ,\eta )\mathrm{dt},$其中，$\tilde{P}(t,ϵ,\eta )=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\tilde{p}}_i(t+\frac{{\tilde{r}}_i(t,ϵ,\eta )}{c})$

为t时刻面上任意点与第i个传声器之间的物理距离。遍历待测运动物体所在平面R，得到仿真声场特征函数分布图，设分布图中主瓣峰值为h_p，最大旁瓣峰值为h_v，则旁瓣抑制比γ_f为：

${\gamma }_f=20\log \left(\frac{h_p}{h_v}\right)$

若γ_f≥n且上述阵列单元数8≤n<16，或者γ_f≥16且n≥16，则该随机传声器阵列满足频率f下的筛选条件，进行下一频率的筛选。

在下一频率重复上述仿真步骤，若在对每一频率都满足上述筛选条件，则得到测量用的随机传声器阵列，否则对上述选择的N₂个随机传声器阵列中的下一个随机传声器阵列重复上述筛选过程，直至得到一个满足上述筛选条件的随机传声器阵列。

(9)根据上述筛选得到的随机传声器阵列组成测量系统，采集运动物体发出的声压信号，计算得到待测运动物体所在平面R上任意一点s(ε，η)处在测量时间t₁至t₂内的声场特征函数：

$W_p(ϵ,\eta )={\int }_{t_1}^{t_2}{P}^2(t,ϵ,\eta )\mathrm{dt},$其中，$P(t,ϵ,\eta )=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{p}_i(t+\frac{r_i(t,ϵ,\eta )}{c})$

其中，p_l(t)为t时刻第i个传声器接收到的信号声压，r_i(t，ε，η)为t时刻，任意点s(ε，η)与第i个传声器之间的距离。

上述方法中，阵列单元为2×2、2×3、2×4、3×3、3×4或2×6中的任何一种。

本发明提出的基于随机传声器阵列的运动物体声场测量方法，通过基于阵列单元的随机传声器阵列生成、根据基线向量统计筛选、仿真计算评价三个步骤进行二维随机传声器阵列布局的设计，按照计算得出的阵列布局搭建随机传声器阵列，对运动物体声场进行测量。通过划分阵列单元的方法进行随机传声器阵列生成，减少布局的任意性，降低布局设计中的搜索空间；应用基线统计指标预先滤除不满足要求的阵列布局，从而减少了性能验证的计算量，提高了搜索效率；通过仿真计算对不同频率下的随机传声器阵列性能进行验证，保证所得到的阵列满足测量使用要求。通过应用本发明方法，使运动物体声场测量系统能够在较短时间内确定随机传声器阵列布局，实现对运动声源更准确的定位和分析。

附图说明

图1是应用本发明方法进行运动物体声场测量的现场示意图。

图2是被测运动物体所在平面与阵列平面的空间关系示意图。

图3是一个由16个2×4式阵列单元组成的随机传声器阵列示例图。

图4是一个2×4式阵列单元结构示意图。

图5是一个随机传声器阵列的基线向量点距坐标图。

图6是仿真计算得出的声场特征函数分布示意图。

图7是不同形式的阵列单元结构示意图。

图1中，1是被测运动物体，2是激光接收器，3是传声器，4是传声器阵列支架，5是PC机，6是激光发射器，7是前置放大器接口箱，8是数字采集箱。

图7中，(a)是2×2式阵列单元，(b)是2×3式阵列单元，(c)是2×4式阵列单元，(d)是3×3式阵列单元，(e)是3×4式阵列单元，(f)是2×6式阵列单元。

具体实施方式

以下结合附图，详细介绍本发明提出的基于随机传声器阵列的运动物体声场测量方法，应用本发明方法进行运动物体声场测量的现场如附图1所示。

(1)设定测量用传声器之间的最短间隔距离为d，$d=\frac{c}{2f_{\max }}$

其中c为声速，f_max为设定的最大测量分析频率；

(2)如附图2所示，设上述测量用传声器所在的阵列平面A的长度为L₁、高度为H₁，待测运动物体所在平面R的长度为L₂、高度为H₂，阵列平面A与平面R之间的垂直距离为D，阵列平面A的长度L₁和高度H₁是上述最短间隔距离d的整数倍；两面垂直距离D取值范围为2～6米。

(3)将上述阵列平面A划分为n个大小形状相同的阵列单元，每个阵列单元的长度和宽度分别为k₁×d、k₂×d，其中k₁、k₂为正整数，d为上述最短间隔距离，将每个阵列单元划分为k₁×k₂个方格，每个方格的中心点为测量用传声器的预设置点，共有k₁×k₂预设置点；阵列单元可以按不同方向放置，划分得到的n个阵列单元应覆盖整个阵列平面的面积，或者除边角少量位置外的全部面积。如图3所示为一个16阵列单元的划分方案实例，图4所示为一个有2×4个传声器预设置点的阵列单元结构。

(4)在上述k₁×k₂预设置点中，随机选定一个预设置点作为传声器放置位置，得到一个由n个传声器构成的随机传声器阵列，如图3为一个16阵列单元的阵列布局示例，其中“”表示随机选定的传声器位置；重复该过程N₁次，生成N₁个随机传声器阵列；

(5)计算上述N₁个随机传声器阵列中每个随机传声器阵列的所有基线向量，如图5所示，将同一随机传声器阵列的所有基线向量放到同一点距坐标系下，得到基线向量的点距坐标图，其中基线向量是从一个传声器位置指向另外一个传声器位置的有向线段，对于传声器数目为n的传声器阵列，其基线向量数目共有n(n-1)个。设定点距坐标图中坐标轴的单位为最短间隔距离d，形成U个由直线x＝±J和y＝±J所构成的正方形坐标环，其中J＝1，2，…U-1，U，U＝max(H₁/d，L₁/d)；各坐标环均用数字表示，由x＝±J及y＝±J组成的坐标环称为第J环。计算基线向量终点在第1坐标环上的所有基线向量数M₁，基线向量终点在第1坐标环上且互相不重合的所有基线向量总数K₁，基线向量终点在第2坐标环上且互相不重合的所有基线向量总数K₂，以及基线向量终点在第U坐标环上且互相不重合的所有基线向量总数K_U；

(6)根据上述基线向量总数，对上述N₁个随机传声器阵列进行筛选，其过程为：

(a)若上述阵列单元数n≤24，且上述基线向量数M₁≤4，则进行步骤(b)，若上述阵列单元数n>24，且上述基线向量总数K₁≤4，则进行步骤(b)；

(b)若上述阵列单元数n≥14，且上述基线向量数K₂≥14，则进行步骤(c)，若上述阵列单元数10≤n≤13，且上述基线向量数K₂≥12，则进行步骤(c)，若上述阵列单元数8≤n≤9，且上述基线向量数K₂≥10，则进行步骤(c)；

(c)若上述基线向量数K_U≥4，则选择该随机传声器阵列；

(8)设上述选择的随机传声器阵列数有N₂个，分别对N₂个随机传声器阵列进行仿真计算，仿真计算模型如图2所示，仿真中的参数均取实际测量中的数值，仿真被测声源Q为一个点声源，位于待测运动物体所在平面R的中心，设定其声源特征函数$\tilde{q}\left(t\right)={\tilde{q}}_0\cos \left(2\mathrm{\pi ft}\right),$其中为仿真实测声源强度，f为仿真被测声源的频率。

则得到随机传声器阵列中各个传声器的仿真声压信号其中第i个传声器的仿真声压信号为：

${\tilde{p}}_i\left(t\right)=\frac{1}{4\pi }\frac{\tilde{q}[t-{\tilde{r}}_i\left(t\right)/c]}{{\tilde{r}}_i\left(t\right){[1-M\cos {\tilde{\theta }}_i\left(t\right)]}^2}$

其中为在t时刻Q点距第i个传声器间的距离，(t)为在t时刻Q点到第i个传声器连线与Q点运动方向间的夹角，M为马赫数。

根据上述传声器的仿真声压信号，计算出待测运动物体所在平面R上任意一点处在t₁至t₂时间段内的仿真声场特征函数：

${\tilde{W}}_p(ϵ,\eta )={\int }_{t_1}^{t_2}{\tilde{P}}^2(t,ϵ,\eta )\mathrm{dt},$其中，$\tilde{P}(t,ϵ,\eta )=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\tilde{p}}_i(t+\frac{{\tilde{r}}_i(t,ϵ,\eta )}{c})$

为t时刻面上任意点与第i个传声器之间的物理距离。遍历待测运动物体所在平面R，得到仿真声场特征函数分布图，如图6所示，该分布图由一个主瓣和若干旁瓣组成，设主瓣峰值为h_p，最大旁瓣峰值为h_v，则旁瓣抑制比γ_f为：

${\gamma }_f=20\log \left(\frac{h_p}{h_v}\right)$

若γ_f≥n且上述阵列单元数8≤n<16，或者γ_f≥16且n≥16，则该随机传声器阵列满足频率f下的筛选条件，进行下一频率的筛选。

在下一频率重复上述仿真步骤，若在对每一频率都满足上述筛选条件，则得到测量用的随机传声器阵列，否则对上述选择的N₂个随机传声器阵列中的下一个随机传声器阵列重复上述筛选过程，直至得到一个满足上述筛选条件的随机传声器阵列。

其中上述筛选步骤中仿真频率的选择方法为：将考察频率范围分为高频段、低频段和中频段，在每个频段中，各取1～2个特征频率。

(9)根据上述筛选得到的随机传声器阵列组成如图1所示的测量系统，采集运动物体发出的声压信号，计算得到待测运动物体所在平面R上任意一点s(ε，η)处在测量时间t₁至t₂内的声场特征函数：

$W_p(ϵ,\eta )={\int }_{t_1}^{t_2}{P}^2(t,ϵ,\eta )\mathrm{dt},$其中，$P(t,ϵ,\eta )=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{p}_i(t+\frac{r_i(t,ϵ,\eta )}{c})$

其中，p_i(t)为t时刻第i个传声器接收到的信号声压，r_i(t，ε，η)为t时刻，任意点s(ε，η)与第i个传声器之间的距离。

如图7中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)所示，上述步骤(3)中所述的阵列单元结构可采用2×2、2×3、2×4、3×3、3×4或2×6中的任何一种。