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。

主权项

1.一种基于随机传声器阵列的运动物体声场测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)设定测量用传声器之间的最短间隔距离为d，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，所述的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，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；(7)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：${\tilde{p}}_i\left(t\right)=\frac{1}{4\pi }\frac{\tilde{q}[t-{\tilde{r}}_i\left(t\right)/c}{{\tilde{r}}_i\left(t\right){[1-M\cos {\tilde{\theta }}_i\left(t\right)]}^2}$其中，为仿真被测声源特征函数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，θ_i(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，$\tilde{P}(t,ϵ,\eta )=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\tilde{p}}_i(t+\frac{{\tilde{r}}_i(t,ϵ,\eta )}{c})$(t，ε，η)为t时刻面上任意点(ε，η)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；(8)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_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。