基于波束成形理论的传声器阵列声场仿真分析.pdf

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1、2014年5月机械设计与制造工程May．2014第43卷第5期MachineDesignandManufacturingEngineeringVo1．43No．5DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2014．05．019基于波束成形理论的传声器阵列声场仿真分析刘洛斌，李舜酩，丁一，韩佳欣(南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京210016)摘要：基于用传声器阵列测量空间声场信息的波束成形技术，在声场可视化和噪声源识别中得到了广泛的研究与应用。利用波束成形技术分析噪声源时，不同的传声器阵列布局会对分析结果产生不同影响。在合理化假设的条件下，基于MATLAB软件对线性、

2、矩形、圆形、半圆形4种不同阵列的处理效果进行仿真，并对仿真结果进行分析。比较识别精度、传声器数目和图形对称性等综合因素，得出圆形阵列具有最好综合效果的结论。关键词：波束成形；传声器；阵列；声场；仿真中图分类号：TB52；TB559文献标识码：A文章编号：2095—509X(2014)05—0071—05波束成形技术(又名麦克风阵列)是一种基于将被减弱。波束成形的目的就是选取适当的加权传声器阵列测量的空间滤波技术。在传声器阵列向量，对传声器阵列中各阵元的输出进行延时、加信号处理发展中，波束成形技术一直是阵列信号处权、求和等运算，以补偿各阵元上的传播延时，从而理的核心。1974年Billing

3、sley-l把该技术运用到使某一期望方向上的信号到达阵列后都是同向的，声学领域中，波束成形从此作为一种噪声源识别方进而在该方向上产生一个空间响应极大值，达到空法。随着近几年数据采集技术和计算机处理技术间滤波的目的，以实现定向作用。因此，波束成形的发展，该技术可以完成声场的可视化测量，被广技术还可以实现声源定位，实现声场的可视化测泛应用于声源识别定位中J。波束成形的基础是量。其原理是：对传声器阵列测得的振速或声压数传声器阵列的指向性原理，而传声器阵列性能的高据进行处理(时域延时求和、相移频域算法或波束低决定了波束成形方法识别声源的能力大小，因此形成去自谱算法等)，在重建声源表面上得出声源传声

4、器阵列的研究对波束成形的进一步发展具有分布图，完成声场可视化测量，直观定位声源位置。极其重要的意义。如何选出旁瓣级别最小、主瓣较1．1．2波束成形技术的特点窄并具有较好实用性的阵列，一直是国内外学者的波束成形技术的特点是，不但能够得到需要分研究热点，这也对实际测量中阵列的设计选型具有析的整个物体表面的声场辐射特性，而且能够对声指导意义。源进行频域上的分析，从而进一步得到声源所包含的主要频率成分在声源上的分布情况。与传统的1基本原理单个定向传声器相比，处理阵列信号时，传声器阵1．1波束成形技术列是按一定方式布置在不同空间位置上的，利用了1．1．1波束成形原理简介信号的空域特性来增强信号及有效

5、提取信号的空作为一种阵列信号处理技术，波束成形方法的域信息，因此波束成形技术具有灵活的波束抑制、基础是传声器阵列测量。具体到声源识别中的波较高的信号增益、较强的抗干扰能力以及较高的空束成形方法是根据声程差的不同而产生的相位差，间超分辨能力等优点，受到广泛关注。来确定信号的来源方向，其中声程差来源于传感器目前，波束成形技术已经广泛应用于雷达、通接收声波时间的差异与传感器本身的位置。对于信、电子对抗、声呐等军事技术领域以及航空航天传声器阵列而言，当各阵元接收的信号都是同向技术、工业无损测试技术、汽车工业技术和材料研时，阵列可以产生一个增强的信号输出，否则输出究等领域，并且在这些领域都取得了良好

6、的应用效收稿日期：2014—04—20作者简介：刘洛斌(1993一)，男，江苏扬州人，南京航空航天大学本科生，专业为能源与动力学院飞行器动力工程。·71·2014年第43卷机械设计与制造工程果。指数形式下：N1．2阵列指向性D(，)=1∑Aie瞄c0’(8)波束成形技术基于传声器阵列的指向性原理，’l=l下面利用空间离散分布的多基元基阵对该原理进式中：k=，为波数]。A行阐述。如图1所示，设有空间任意分布的J7、，个无阵列的指向性函数表示阵列对各个方向信号指向性传感器，图中表示第i个传感器，其直角的接收或者抑制能力，不同阵列的指向性函数略有坐标为(，Y，)，球坐标为(0。，，y)。不同，但

7、均可通过以上基本原理推导，在此仅列出线阵的指向性函数式与平面阵的指向性函数式式(7)，推导过程省略。线阵的指向性函数式：1ⅣN1D()：亩{(∑cos)+(∑sinA~)。)。(9)而对于圆柱阵、圆周阵等特殊阵列，应选取能简化指向性函数的参考点进行计算，限于篇幅，此处不一一赘述。图1指向性原理示意图2传声器阵列的布局设置及其几何参数分析阵列指向性时，计算各传感器之间的声程这里采用若干个传声器在指定空间的固定范差是关键，基