賀 謙，馮建民，孫志強，韓 凱

(1.中國飛機強度研究所，全尺寸飛機結構靜力/疲勞航空科技重點實驗室，陜西 西安 710065；2.國防科學技術大學，湖南 長沙 410073)

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傳聲器陣列定位精度影響因素分析研究

賀 謙1，馮建民1，孫志強2，韓 凱1

(1.中國飛機強度研究所，全尺寸飛機結構靜力/疲勞航空科技重點實驗室，陜西 西安 710065；2.國防科學技術大學，湖南 長沙 410073)

設計了矩形和圓形兩種陣列形式，從陣列構型、基線、聲源與陣列中心位置等幾個方面進行傳聲器陣列定位精度影響因素分析，為傳聲器陣列設計定型以及基于聲源的飛機結構損傷定位系統開發(fā)奠定基礎。結果表明，在基線長度和陣元數量相等的情況下，矩形陣列的定位精度要優(yōu)于圓形陣列；陣列基線長度越大，定位精度越高；當聲源垂直于陣列面時，定位精度最高,聲源越偏離陣列面，定位精度越低；在同樣的陣列結構和時延估計誤差下，聲源與傳聲器陣列中心之間的距離越大，定位的絕對誤差就越大；時延估計的誤差越小，定位精度越高；對于飛機結構強度試驗，應采用多傳聲器陣列的布設方式，提高聲源定位精度。

傳聲器陣列；聲源定位；飛機結構；強度試驗

1 引 言

在飛機結構強度試驗過程中，飛機結構可能會出現異常的響聲。這些響聲說明飛機結構出現了損傷或是損傷的前兆。目前，試驗過程中捕捉并辨識飛機結構所發(fā)出的每一個可能與故障有關的聲響主要依賴于技術人員的細心和經驗。但是，憑借人耳收集聲頻信息并定位聲源位置的方式并不可靠。因此，以現有聲源定位技術為基礎，開展飛機結構強度試驗損傷定位技術研究，開發(fā)相關損傷定位系統，在提供試驗決策支持、及時發(fā)現試驗風險等方面具有非常重要的意義。

傳聲器陣列是國內外進行聲源定位較為成熟的技術，在軍用領域(智能雷彈、戰(zhàn)場偵察、炮用立靶聲音定位、彈頭落點定位等方面)及民用領域(智能機器人定位導航、飛機、汽車噪聲識別等方面)得到了廣泛應用[1-6]。但對于飛機結構強度試驗來說，由于試驗現場包括了飛機結構本身以及眾多的試驗裝置，環(huán)境較為復雜，因此，分析影響傳聲器陣列定位精度的各種因素、確定傳聲器陣列結構，是實現飛機結構損傷準確定位的關鍵。本文從陣列構型、基線、聲源與陣列中心位置等幾個方面進行傳聲器陣列定位精度影響因素分析研究，為傳聲器陣列設計定型以及基于聲源的飛機結構損傷定位系統開發(fā)奠定基礎。

2 傳聲器陣列設計

傳聲器陣列可分為面陣列和球陣列兩大類，其中，面陣列的應用比較常見。面陣列分為兩種，一種是矩形陣列，另一種是圓形陣列。本文也采用這兩種結構形式進行傳聲器陣列定位精度影響因素分析?？紤]到制作工藝以及展開空間方面的問題，將陣列孔徑的最大值設定為3m，最小值設定為0.5m。矩形陣列按照4×4的結構進行布局，圓形陣列按照放射狀的形式進行設計，陣元數量固定為16個，如圖1所示。

(a)矩形陣列

(b)圓形陣列圖1 傳聲器陣列結構

3 傳聲器陣列定位精度影響對比分析

陣列構型、基線、聲源與陣列中心位置是影響傳聲器陣列定位精度的關鍵因素，本文分別從這幾個方面進行傳聲器陣列定位精度影響因素分析，為傳聲器陣列設計提供依據。設定聲源的極坐標為(2m,15°,30°)，分別代表距離陣列中心的距離、仰角和方位角，時延估計的誤差控制在1個采樣周期,采樣頻率設定為100kHz。利用單純形搜索法作為定位算法，得到定位標準差。

3.1 矩形陣列和圓形陣列的定位精度對比分析

設定陣列基線從0.5m起步，按照0.5m的步長進行遞增，最大基線到3m為止。陣列面均垂直于地面，即陣列面與地面的夾角(傾角)為90°。定位誤差曲線如圖2所示?？梢钥闯?，在同樣的陣列基線下，采用基于時延的方法進行定位，矩形陣列都要優(yōu)于圓形陣列。因此，在實際傳聲器陣列設計中，優(yōu)先考慮采用矩形陣列。同時，陣列基線長度越大，定位精度越高；但是，基線長度增加，可能會導致距離較遠的兩個傳聲器所接收到的聲音信息存在較大的差異，使得時延估計結果誤差較大。

圖2 圓形和矩形陣列下的定位誤差曲線

考慮“最差情況”的原則，接下來在定位精度影響因素分析過程中，以“相對較差”的圓形陣列為例，分析定位誤差的變化規(guī)律。

3.2 陣列面傾角對定位精度的影響分析

設定傾角按照15°為步長逐次遞減。從設計和便攜的角度出發(fā)，陣列基線長度設定為1m。定位精度與陣列面傾角之間的關系曲線如圖3和圖4所示。

圖3 陣列面傾角對定位精度影響

圖4 陣列面傾角對定位精度影響(截取45°之后的部分)

當聲源與陣列中心的連線垂直于整個陣列面時，定位精度最高；而當兩者之間的連線與整個陣列面平行時，定位精度比較差，在某些時候甚至會出現失敗的定位結果。因此，在布置平面?zhèn)髀暺麝嚵袝r，必須綜合考慮聲源可能存在的位置來設計陣列的傾角。當聲源距離陣列面的距離遠遠大于陣列基線長度時，可以認為聲源與陣列中心的連線與陣列面平行，此時的定位精度很難得到保證。在飛機結構強度試驗中，如果采用單傳聲器陣列，很難保證聲源與陣列中心的連線垂直于整個陣列面，因此，需要多布設傳聲器陣列并設計多陣列面傾角，提高聲源定位精度。

3.3 聲源與陣列中心位置對定位精度的影響分析

設定聲源位置為極坐標(r,15°,30°)，其中，r=1,2,3,4,5，表示聲源與陣列中心之間的距離。時延估計基本誤差分別為0.01ms、0.02ms、0.05ms、0.1ms、0.2ms，陣列基線為1m。聲源與陣列中心位置對定位精度的影響如圖5所示。

圖5 聲源與陣列中心位置對定位精度影響

聲源與陣列中心的距離越遠，定位的絕對誤差越大。同時，采樣頻率越高，定位的誤差越小。但是，當采樣頻率為100kHz，即時延估計基本誤差為0.01ms時，聲源距離陣列中心超過3m后，定位絕對誤差已經達到了厘米級；按照圖5所示的誤差變化趨勢，當聲源距離在20m左右，定位絕對誤差可以達到分米級。由于飛機結構強度試驗場地較大，如果布置單傳聲器陣列，聲源與陣列中心距離很可能超過20m，即使采用高采樣頻率傳聲器，定位誤差仍然不可接受。因此，對于飛機結構強度試驗，應采用分布式的多傳聲器陣列布設方式，提高聲源定位精度。

4 結 論

(1)對于圓形和矩形這兩類平面陣列而言，在基線長度和陣元數量相等的情況下，矩形陣列的定位精度要優(yōu)于圓形陣列。

(2)陣列基線長度越大，定位精度越高；但是，基線長度增加，會導致時延估計結果誤差較大。

(3)當聲源位于陣列面的正上方，即垂直于陣列面時，定位精度最高；聲源越偏離陣列面，定位精度越低。

(4)在同樣的陣列結構和時延估計誤差下，聲源與傳聲器陣列中心之間的距離越大，定位的絕對誤差就越大。時延估計的誤差越小，定位精度越高。

(5)對于飛機結構強度試驗，應采用分布式的多傳聲器陣列布設方式，提高聲源定位精度。

[1]李曉飛,劉宏.機器人聽覺聲源定位研究綜述[J].智能系統學報,2012,7(1):9-20.

[2]宋凱,夏晨秋,張承偉.彈丸落點被動聲定位方法[J].兵工自動化,2015,34(6):1-4.

[3]張作楠,劉國棟,王婷婷.一種多傳感器反直升機智能雷伺服跟蹤系統[J].電子技術應用,2011,37(11):92-96.

[4]陳平劍,仲唯貴,段廣戰(zhàn).直升機氣動噪聲研究進展[J].實驗流體力學,2015,29(3):18-24.

[5]莊啟雷,黃青華.基于三線交點球麥克風陣列的遠場多聲源定位[J].上海大學學報(自然科學版),2011,17(2):125-131.

[6]楊洋,倪計民,褚志剛,等．基于波束形成的發(fā)動機噪聲源識別及聲功率計算[J].內燃機工程,2013,34(3):40-44.

Study on Influencing Factor for Sound Localization Precision of Microphone Array

He Qian1, Feng Jianmin1, Sun Zhiqiang2, Han Kai1

(1.Aircraft Strength Research Institute, Aviation Technology Key Laboratory of Full Scale Aircraft Structure Static and Fatigue Test, Xi′an 710065, Shaanxi, China;2.National University of Defense Technology, Changsha 410073, Hunan, China)

Sound localization precision of microphone array is analyzed from array configuration, base line, distance between sound and array with rectangular and circular array, which is the basement of microphone array and aircraft structural damage localization system. The result shows that precision of rectangular array is higher than circular one with the same base line length and microphone number. Localization precision is in direct proportion to base line length. Localization precision is higher when sound is perpendicular to the plane of array. Localization precision is inversely proportional to the distance between sound and array. Distributed microphone arrays should be employed in order to increase sound localization precision of aircraft structural strength test.

microphone array; sound localization; aircraft structure; strength test

2016-08-10

賀 謙(1980-)，男，高級工程師，主要研究方向：全尺寸飛機結構靜力/疲勞試驗技術。

航空基金(20150981006)資助項目。

V216.5+

Bdoi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.008