焦麗娟 董寧娟

摘? 要：文章對(duì)傳聲器陣列校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行了研究。陣列校準(zhǔn)包括實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)和現(xiàn)場校準(zhǔn)，研究中針對(duì)陣列的實(shí)驗(yàn)室整體校準(zhǔn)提出了標(biāo)準(zhǔn)傳聲器法，并給出了校準(zhǔn)聲源的設(shè)計(jì)方法;針對(duì)陣列的現(xiàn)場整體校準(zhǔn)，提出了采用可移動(dòng)式消聲箱的方法，以避免試驗(yàn)現(xiàn)場試驗(yàn)設(shè)備和被測試件等對(duì)校準(zhǔn)聲源的反射作用。最后，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)校準(zhǔn)方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)比校準(zhǔn)前和校準(zhǔn)后的定位結(jié)果可以看出，經(jīng)陣列校準(zhǔn)技術(shù)校準(zhǔn)后，陣列的定位精度有所提高，定位結(jié)果更接近實(shí)際位置。

關(guān)鍵詞：傳聲器陣列;校準(zhǔn)技術(shù);校準(zhǔn)聲源

中圖分類號(hào)：TN641 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）33-0106-03

Abstract： The paper makes a research on the microphone array calibration technology.According to the laboratory whole calibration of microphone array， it puts forward a calibration method by using standard microphone and gives the design method of calibration sound sources. According to the site whole calibration of microphone array，it puts forward a method to avoid the reflex from air pipe and test pieces by using a movalbe anechoic box.At last，it makes a verification test in laboratory， and the results show that the sound position after calibration is closer to the actual position.Keywords： microphone array; calibration technology; calibration sound source

1 概述

傳聲器陣列測試技術(shù)是目前被廣泛應(yīng)用于噪聲源定位的前沿技術(shù)，通過將一定數(shù)量的傳聲器按照一定形狀布置在空間中，使這些傳聲器組成陣列接收來自空間中不同方向的信號(hào)，然后對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行延時(shí)、加權(quán)、求和處理，使得輸出信號(hào)聚焦到指定聲源處，以達(dá)到對(duì)噪聲源的準(zhǔn)確定位[1，2]。傳聲器及傳聲器陣列作為噪聲源定位的關(guān)鍵部件，為確保其測量準(zhǔn)確，需要對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。

校準(zhǔn)包括單個(gè)傳聲器校準(zhǔn)和陣列整體校準(zhǔn)，單個(gè)傳聲器校準(zhǔn)就是采用聲級(jí)校準(zhǔn)器對(duì)傳聲器逐個(gè)進(jìn)行校準(zhǔn)，以對(duì)傳聲器的靈敏度進(jìn)行修正[3]。本文主要研究陣列的整體校準(zhǔn)方法。

2 校準(zhǔn)原理

本次研究采用標(biāo)準(zhǔn)傳聲器對(duì)陣列進(jìn)行整體校準(zhǔn)。具體方法為，在陣列中心法線方向一定距離處放置點(diǎn)聲源或者全指向性聲源，并利用該聲源發(fā)出白噪聲，在某一固定位置同時(shí)使用M0（標(biāo)準(zhǔn)傳聲器采集信號(hào)）和Mi（某陣元傳聲器采集信號(hào)）采集該處聲壓值，得到兩段不同的時(shí)域信號(hào)S0和Si。對(duì)采集到的兩段時(shí)域信號(hào)進(jìn)行FFT變換得到數(shù)據(jù)（A0，P0）和（Ai，Pi），其中A0、Ai分別為標(biāo)準(zhǔn)傳聲器和陣元的幅值特性，P0、Pi分別為標(biāo)準(zhǔn)傳聲器和陣元的相位特性，它們都是信號(hào)頻率的函數(shù)[4]。校準(zhǔn)原理圖如圖1所示。

在每一個(gè)頻率下，將兩者頻域數(shù)據(jù)的幅值相除得到A0i，表示在該次試驗(yàn)中M0和Mi之間的幅值差異，將兩者頻域數(shù)據(jù)的相位相減得到P0i，表示在該次試驗(yàn)中M0和Mi之間的相位差異。

在以后的實(shí)驗(yàn)中，通過測得的幅值比和相位差對(duì)各陣元測得信號(hào)依次進(jìn)行修正，就可以認(rèn)為各陣元測得頻域數(shù)據(jù)與全部采用標(biāo)準(zhǔn)傳聲器得到的頻域數(shù)據(jù)一致，以完成對(duì)陣列的校準(zhǔn)[4]。

3 校準(zhǔn)聲源設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)聲源可選擇為點(diǎn)聲源或者無指向性聲源，本文分別對(duì)兩種校準(zhǔn)聲源的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。

3.1 點(diǎn)聲源設(shè)計(jì)方法

聲音在介質(zhì)中傳播時(shí)，若介質(zhì)中聲壓的幅值和與聲源的距離成反比，以球面波的形式將聲波輻射到介質(zhì)中，該聲源即可近似為點(diǎn)聲源。任何形狀的聲源，當(dāng)聲源出聲口尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聲波的波長，同時(shí)聲源中心點(diǎn)與接收點(diǎn)之間的距離比聲源本身最大的尺寸大兩倍以上時(shí)，便可近似為點(diǎn)聲源。本研究采用漸變截面管來構(gòu)建點(diǎn)聲源，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該聲源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)主要有出聲口直徑C1，聲源箱直徑C2和漸變管道長度L3，其中，C2與揚(yáng)聲器尺寸有關(guān)，C1與聲源最高頻率波長成正比，L3則需大于最低頻率波長的4倍。

3.2 無指向性聲源設(shè)計(jì)方法

無指向性聲源一般采用如圖3所示的正12面體設(shè)計(jì)，它是在正12面體的每個(gè)面上安裝型號(hào)規(guī)格完全一致的揚(yáng)聲器，采用同一信號(hào)源進(jìn)行激勵(lì)，其在大于聲源等效直徑5倍以上的區(qū)域內(nèi)，各方向上的指向性均一致。

如果陣列的孔徑較小，可采用正4面體構(gòu)建小尺寸的無指向性聲源，加工完成后，需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)其指向性進(jìn)行測試。

4 校準(zhǔn)方法

4.1 實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)方法

陣列的試驗(yàn)室校準(zhǔn)方法如圖4所示，首先，將陣列放置在全消聲室內(nèi)，然后在陣列中心法線方向5m處放置聲源，標(biāo)準(zhǔn)傳聲器逐次放置在各陣元處，按照第2章中所述方法對(duì)陣列進(jìn)行校準(zhǔn)。

如果試驗(yàn)在半消聲室內(nèi)進(jìn)行，則需在聲源和陣列之間鋪設(shè)吸聲材料，以避免聲反射對(duì)校準(zhǔn)造成的影響。

4.2 現(xiàn)場校準(zhǔn)方法

陣列的現(xiàn)場校準(zhǔn)主要是針對(duì)固定式陣列，如風(fēng)洞壁面?zhèn)髀暺麝嚵械?。?duì)于固定式陣列，壁面反射、被測物體、支架等都會(huì)對(duì)校準(zhǔn)效果產(chǎn)生不利影響，為了避免這種影響，需要設(shè)計(jì)可移動(dòng)式消聲箱，并在箱內(nèi)放置校準(zhǔn)聲源。校準(zhǔn)時(shí)只需將其整體罩在待校準(zhǔn)陣列上，就可以按照第2章中所述方法對(duì)該陣列進(jìn)行校準(zhǔn)。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證校準(zhǔn)方法的有效性，在半消聲聲室內(nèi)對(duì)某24通道傳聲器陣列進(jìn)行了校準(zhǔn)，測試系統(tǒng)框圖如圖5所示。計(jì)算機(jī)1驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀產(chǎn)生信號(hào)波形，經(jīng)功率放大器放大后，激勵(lì)校準(zhǔn)聲源發(fā)出聲音。標(biāo)準(zhǔn)傳聲器將聲場中的聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀采集后傳輸給計(jì)算機(jī)1進(jìn)行分析和存儲(chǔ);傳聲器陣列將聲場中的聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)采集主機(jī)采集后傳輸給計(jì)算機(jī)2進(jìn)行分析和存儲(chǔ)。

校準(zhǔn)試驗(yàn)現(xiàn)場如圖6所示，試驗(yàn)測試流程如下：

a.按照測試系統(tǒng)框圖搭建測試系統(tǒng);

b.將聲源放置在陣列正前方，并在聲源與陣列之間的地面鋪設(shè)吸聲棉，避免地面反射對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響;

c.聲源發(fā)射白噪聲，將標(biāo)準(zhǔn)傳聲器依次與各陣元放在同一位置并同時(shí)對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行采集和保存;

d.對(duì)陣列和標(biāo)準(zhǔn)傳聲器采集到的信號(hào)進(jìn)行fft分析，計(jì)算各頻率下二者的幅值比;

e.對(duì)陣列和標(biāo)準(zhǔn)傳聲器采集到的信號(hào)用相關(guān)函數(shù)求二者的時(shí)間延遲，計(jì)算各頻率下二者的相位差。

校準(zhǔn)完成后，將聲源放置在三個(gè)不同位置，聲源施加2000Hz的單頻聲，采用陣列依次對(duì)聲源位置進(jìn)行定位，定位結(jié)果分別見表1和圖7。對(duì)比校準(zhǔn)前和校準(zhǔn)后的定位結(jié)果可以看出，經(jīng)陣列校準(zhǔn)技術(shù)校準(zhǔn)后，陣列的定位結(jié)果有所改善，定位結(jié)果更接近實(shí)際位置。

6 結(jié)論

本文提出了一種標(biāo)準(zhǔn)傳聲器法用于傳聲器陣列的整體校準(zhǔn)，通過修正陣列中各傳聲器與標(biāo)準(zhǔn)傳聲器之間的幅值比和相位差，有效提高了聲源定位結(jié)果的精度，使定位結(jié)果更接近實(shí)際位置。

參考文獻(xiàn)：

[1]Fenech B A.Accurate aeroacoustic meas

urem-ents in closed section hard-walled wind tunnels[D].UK：University of South-ampton，2009.

[2]Nobuhiro.Methods to measure acoustic sources in a closed wind tunnel test section[R].AIAA， USA：AIAA，2005，2005-3003.

[3]馬森月.高速鐵路噪聲源識(shí)別-津秦鐵路客專試驗(yàn)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[4]李元首，陳寶，張雪，等.傳聲器陣列校準(zhǔn)技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014（24）：94-97.