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传声器阵列设计

2020-02-26    224
        传声器声阵列是由多个声传感器单元按照一定规律排列组成,阵列的拓扑结构会影响到声源识别的空间分辨率及声源识别的频率范围,所以需要分析影响阵列性能的因素,以期找寻到最合理的阵列结构。阵列的设计参数包括了几何参数和特征参数两个方面,几何参数主要有传声器间距、传声器空间位置、阵列孔径大小、传声器数目等,特征参数包含了阵列的指向性、主瓣宽度、旁瓣大小、空间分辨率等。阵列的排列方式需要考虑积极性与实用性,合理的阵列结构可以使得在传声器数量一定的情况下获得较高的阵列性能。阵列孔径影响阵列对低频声源的响应,孔径尺寸越大,可以测得的声源频率就越小,其次孔径越小的阵列空间分辨也越低,阵元间距决定了阵列可识别声源频率的范围,传声器的空间几何形式使得阵列具有了不同的主瓣宽度和旁瓣数级。在实际应用中,综合器材及需求等因素,需要合理的选取阵列参数,比较不同的阵列形状,选择一个性能较好的拓扑结构。

        声阵列中传声器的不合理布置会导致指向性图谱中的旁瓣变多并且幅值变大,严重的还会产生空间混淆导致声源能量泄露而无法识别到真实位置。为了避免因空间采样不合理而出现混淆导致出现虚假声源,并且考虑到30度的测量开角,根据奈奎斯特采样定理可以求解得出声阵列中阵元间距需要满足下式:

传声器阵列设计1

        阵列孔径会影响到所测信号的频率范围,由于频率与波长成反比,所以阵列孔径尺寸越大测得的信号频率就越小,但是在实际测量中考虑到成本与操作的方便阵列孔径并不是越大越好。

传声器阵列设计2

        上图中不同排布形式的传声器阵列的响应图谱的计算结果,其中星形、环形、棋盘阵列采用均匀排布,螺旋形为非均匀排布,相邻最近的传声器间隔为0.04m,分析中阵列孔径均为0.6m,均匀阵列的传声器间隔均为0.04m。在相同的阵列孔径及传声器间隔下,星形、环形、棋盘阵列所需要的传声器个数依次增多,而螺旋形(S阵列)排布的传声器个数为112个,矩形阵列所需要的阵元个数远远超出其他结构的阵列。阵列响应图谱结果显示,星形阵列、环形阵列的旁瓣较多,矩形阵列、螺旋形阵列的旁瓣相对较少,说明了矩形阵列与螺旋形阵列拥有相对较好的抗干扰能力。螺旋形阵列在15dB的显示范围内没有虚假声源,更适应在复杂的声学环境中准确的识别出真实声源的位置。

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