球形传声器阵列三维波束形成性能.pdf

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1、第28卷第11期农业工程学报802012年6月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringVbl．28No．1lJun．2012球形传声器阵列三维波束形成性能褚志刚17杨洋2(1．重庆大学机械工程学院，重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆4000442．同济大学汽车学院，上海201804)摘要：为分析球形阵列结构参数对i维波束形成声源识别性能的影响，基于延迟求和波束形成理论，仿真分析了丰瓣宽度和最大旁瓣水平随阵列直径的变化{!I!

2、律，结果表明：在传声器御置形式一致的情况下，直径越大，阵列空间分辨率越好，但对旁瓣抑制能力越弱；模拟计算了5种典型球形阵列的阵列模式径向投影及最大旁瓣水平，结果显示：传声器均匀分布球形阵列的性能最好，在50～100rad／m的波数范围内，最大旁瓣水平约为一12dB，在波数高达220rad／m时最大旁瓣水平也低于．6dB。提高球形阵列传声器分布的均匀程度和密集程度能显著提高阵列性能。关键词：传声器阵列，波束形成，声学成像，性能分析doi：10．3969／j．issn．1002—6819．2012．1

3、1．014中图分类号：TB52文献标志码：A文章编号：1002—6819(2012)一11—0080—06褚志刚。杨洋．球形传声器阵列三维波束形成性能[J]．农业工程学报，2012，28(11)：80—85，ChuZhigang，YangYang．Three—dimensionalbeamformingperformanceofsphericalmicrophonesarray[J]．TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(

4、TransactionsoftheCSAE)，2012，28(11)：80-85．(inChinesewithEnglishabstract)0引言摹于传声器阵列测量的波束形成技术是实现声源识别的有效途径【1。”。传统的波束形成技术利用线形、环形、轮形、扇形等平面传声器阵列记录声音信号，设定聚焦区域为阵列前方的有限区域。但对于诸如汽车驾驶室等三维腔体结构，平面阵列无法全方位采样记录其声场信息，三维声场的重构不准确，因此，不宜于整个三维空间内声源的识别婵“41。而基于球形传声器阵列测量的波束形成技术

5、由于阵列旋转对称性好、三维声场信息记录全面i14-291，算法简单方便、性能稳定，且能够同时识别入射噪声和反射噪声，特别适用于在诸如汽车驾驶室等三维空间内进行声源识别⋯‘1⋯。延迟求和波束形成算法的本质是将阵列各传声器接收声音信号进行“相位对齐”和“求和运算”，使波束形成输出结果中幅值最大的主瓣方位与三维空间中声波的真实来向一致，而在其他聚焦方向则形成幅值较低的旁瓣，从而实现整个三维空间内声源的有效识别口“”。其声源识别性能的优劣主要体现在其对多声源的分辨能力和其对干扰旁瓣的抑制能力2方面，而传声

6、器阵列的尺寸和传声器布置形式等冈素直接决定了基于该算法的声源识别性能。采用合理的球形阵列结构是提高声源识别性能的关键，因此，球形阵列的选型、设计及优化非常重要，而对其性能的研究则是进一步开展这些工作的收稿口期：2011．1卜21修订日期：2012-0卜19基金项H：牵0l动力国家重点实验室开发课题(TPL0903)．国家自然科学摹金项I=1(50975296)作者简介：褚志刚(1978一)，男，汀苏江都人，副教授，主要从事车辆系统动力学、车辆NVH控制理论及应用研究。重庆重庆大学机械工程学院，40

7、0030。Email：zgcbu@cqu，edu．口前提。国外学者针对球形传声器阵列的设计分析做出了一些工作：J．M．Rigelsford和A．Tennant等【291设计了“通道随机球形容积阵列并运用波束形成进行了室内声学成像；RamaniDuraiswami等122-231通过仿真计算和试验验证了设计的半球形阵列声源识别的有效性；AndyMeyer等[11-121提出了三维表面声学成像方法并利用球形阵列实现了车内声场的重构。本文基于平面波假设，阐明了三维波束形成理论，以36通道传声器均匀分布的

8、球形阵列为例分析了阵列直径对其声源识别性能的影响，基于不同传声器布置形式球形阵列的阵列模式径向投影及最大旁瓣水平的模拟计算结果探讨了传声器布置形式对其声源识别性能的影响。1三维波束形成理论基于延迟求和理论的三维波束形成声源识别技术，对球形阵列各传声器接收的声场信号按三维空间内各聚焦方向进行相位补偿后加和输出，在加强声波来向波束水平的同时有效衰减其他聚焦方向的波束水平，从而实现整个三维空间内声源的有效识别【15,27]。图1为基于平面波假设的三维波束形成原理示意图，传声器数量为M的球