賀 謙，馮建民，孫志強(qiáng)，韓 凱

(1.中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，湖南 長沙 410073)

?

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(qiáng)2，韓 凱1

(1.中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，湖南 長沙 410073)

設(shè)計了矩形和圓形兩種陣列形式，從陣列構(gòu)型、基線、聲源與陣列中心位置等幾個方面進(jìn)行傳聲器陣列定位精度影響因素分析，為傳聲器陣列設(shè)計定型以及基于聲源的飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷定位系統(tǒng)開發(fā)奠定基礎(chǔ)。結(jié)果表明，在基線長度和陣元數(shù)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(dāng)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(jié)構(gòu)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(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)，應(yīng)采用多傳聲器陣列的布設(shè)方式，提高聲源定位精度。

傳聲器陣列；聲源定位；飛機(jī)結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度試驗(yàn)

1 引 言

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)過程中，飛機(jī)結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)異常的響聲。這些響聲說明飛機(jī)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了損傷或是損傷的前兆。目前，試驗(yàn)過程中捕捉并辨識飛機(jī)結(jié)構(gòu)所發(fā)出的每一個可能與故障有關(guān)的聲響主要依賴于技術(shù)人員的細(xì)心和經(jīng)驗(yàn)。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(xiàn)有聲源定位技術(shù)為基礎(chǔ)，開展飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)損傷定位技術(shù)研究，開發(fā)相關(guān)損傷定位系統(tǒng)，在提供試驗(yàn)決策支持、及時發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)風(fēng)險等方面具有非常重要的意義。

傳聲器陣列是國內(nèi)外進(jìn)行聲源定位較為成熟的技術(shù)，在軍用領(lǐng)域(智能雷彈、戰(zhàn)場偵察、炮用立靶聲音定位、彈頭落點(diǎn)定位等方面)及民用領(lǐng)域(智能機(jī)器人定位導(dǎo)航、飛機(jī)、汽車噪聲識別等方面)得到了廣泛應(yīng)用[1-6]。但對于飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)來說，由于試驗(yàn)現(xiàn)場包括了飛機(jī)結(jié)構(gòu)本身以及眾多的試驗(yàn)裝置，環(huán)境較為復(fù)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(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷準(zhǔn)確定位的關(guān)鍵。本文從陣列構(gòu)型、基線、聲源與陣列中心位置等幾個方面進(jìn)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(shè)計定型以及基于聲源的飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷定位系統(tǒng)開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

2 傳聲器陣列設(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)形式進(jìn)行傳聲器陣列定位精度影響因素分析。考慮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(shè)定為3m，最小值設(shè)定為0.5m。矩形陣列按照4×4的結(jié)構(gòu)進(jìn)行布局，圓形陣列按照放射狀的形式進(jìn)行設(shè)計，陣元數(shù)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(jié)構(gòu)

3 傳聲器陣列定位精度影響對比分析

陣列構(gòu)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(guān)鍵因素，本文分別從這幾個方面進(jìn)行傳聲器陣列定位精度影響因素分析，為傳聲器陣列設(shè)計提供依據(jù)。設(shè)定聲源的極坐標(biāo)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(shè)定為100kHz。利用單純形搜索法作為定位算法，得到定位標(biāo)準(zhǔn)差。

3.1 矩形陣列和圓形陣列的定位精度對比分析

設(shè)定陣列基線從0.5m起步，按照0.5m的步長進(jìn)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。可以看出，在同樣的陣列基線下，采用基于時延的方法進(jìn)行定位，矩形陣列都要優(yōu)于圓形陣列。因此，在實(shí)際傳聲器陣列設(shè)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(dǎo)致距離較遠(yuǎn)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(jié)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(shè)定傾角按照15°為步長逐次遞減。從設(shè)計和便攜的角度出發(fā)，陣列基線長度設(shè)定為1m。定位精度與陣列面傾角之間的關(guān)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(dāng)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(dāng)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?xí)霈F(xiàn)失敗的定位結(jié)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(shè)計陣列的傾角。當(dāng)聲源距離陣列面的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陣列基線長度時，可以認(rèn)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(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)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(shè)傳聲器陣列并設(shè)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(shè)定聲源位置為極坐標(biāo)(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(yuǎn)，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(dāng)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(jīng)達(dá)到了厘米級；按照圖5所示的誤差變化趨勢，當(dāng)聲源距離在20m左右，定位絕對誤差可以達(dá)到分米級。由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)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(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)，應(yīng)采用分布式的多傳聲器陣列布設(shè)方式，提高聲源定位精度。

4 結(jié) 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(shù)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(dǎo)致時延估計結(jié)果誤差較大。

(3)當(dāng)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(jié)構(gòu)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(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)，應(yīng)采用分布式的多傳聲器陣列布設(shè)方式，提高聲源定位精度。

[1]李曉飛,劉宏.機(jī)器人聽覺聲源定位研究綜述[J].智能系統(tǒng)學(xué)報,2012,7(1):9-20.

[2]宋凱,夏晨秋,張承偉.彈丸落點(diǎn)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(jī)智能雷伺服跟蹤系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2011,37(11):92-96.

[4]陳平劍,仲唯貴,段廣戰(zhàn).直升機(jī)氣動噪聲研究進(jìn)展[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2015,29(3):18-24.

[5]莊啟雷,黃青華.基于三線交點(diǎn)球麥克風(fēng)陣列的遠(yuǎn)場多聲源定位[J].上海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)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(jī)噪聲源識別及聲功率計算[J].內(nèi)燃機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞試驗(yàn)技術(shù)。

航空基金(20150981006)資助項目。

V216.5+

Bdoi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.008