賀謙 韓凱 馮建民

摘要：針對飛機結(jié)構(gòu)強度試驗復雜環(huán)境，開展了基于任意布設(shè)傳聲器的聲源定位方法研究。以基于時差的定位算法為基礎(chǔ)，通過信號端點檢測法進行不同傳聲器之間的時差計算。采用優(yōu)化算法進行標定方程組的求解，建立了任意布設(shè)傳聲器的空間坐標標定方法。通過聲源定位算法和傳聲器的空間坐標標定方法研究，形成了一種基于任意布設(shè)傳聲器的聲源定位方法，并對該方法進行了驗證。結(jié)果表明，該方法能夠在飛機結(jié)構(gòu)強度試驗復雜環(huán)境下，準確定位異常聲源的空間位置，為實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)強度試驗異常聲響快速、準確定位提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：傳聲器；聲源定位；坐標標定；任意布設(shè)；飛機結(jié)構(gòu)強度試驗

中圖分類號：V216.5文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.12.007

基金項目：航空科學基金（201809T7001）

飛機結(jié)構(gòu)強度試驗中的異常聲響是結(jié)構(gòu)損傷或損傷前兆的表征，準確、快速定位異常聲響位置在提供試驗決策支持等方面具有非常重要的意義。飛機結(jié)構(gòu)強度試驗現(xiàn)場有大量的加載及測控設(shè)備，常規(guī)傳聲器陣列受體積的限制很難按需求布設(shè)，造成異常聲響的定位精度無法滿足厘米級的要求[1]。根據(jù)飛機和試驗現(xiàn)場設(shè)備位置任意布設(shè)傳聲器的方式，更加符合飛機結(jié)構(gòu)強度試驗中聲源定位的特殊應(yīng)用需求。目前，常規(guī)固定構(gòu)型陣列的聲源定位方法依然是國內(nèi)外科研人員的研究重點[2-6]，但針對基于任意布設(shè)傳聲器的聲源定位方法，國內(nèi)外的相關(guān)研究還不多見。

本文針對飛機結(jié)構(gòu)強度試驗復雜環(huán)境，以任意布設(shè)傳聲器為研究對象，旨在形成一種基于任意布設(shè)傳聲器陣列的聲源定位方法，為實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)強度試驗環(huán)境下異常聲響快速、準確定位提供技術(shù)支持。

1基于時差的聲源定位方法

飛機結(jié)構(gòu)強度試驗異常聲響屬于短時脈沖信號。與常用的可控波束形成方法和高分辨率譜估計方法相比，基于時差的聲源定位方法適用于音頻信號持續(xù)時間短、信號強度高、有明顯脈沖尖峰的聲源定位[7]。因此，本文采用基于時差的定位方法作為聲源定位算法。

基于時差的聲源定位方法核心是一個已知傳聲器坐標和各傳聲器聲音傳播的時差，以聲源到不同傳聲器的距離差誤差最小為目標的優(yōu)化問題。

假設(shè)一個由n個傳聲器組成的陣列，傳聲器和聲源的位置關(guān)系如圖1所示。其中，x1為坐標原點和傳聲器1位置，第i個傳聲器的空間坐標為xi，聲源的空間坐標為xs。

由于傳聲器坐標xi已知，聲源定位的精度主要取決于時差計算值τi1的準確性。

2基于信號端點檢測的時差計算方法

互相關(guān)法是最常用的時差計算方法，適用于持續(xù)時間較長的聲音信號。飛機結(jié)構(gòu)強度試驗異常聲響屬于短時脈沖信號，且存在較為明顯的混響和噪聲干擾。利用互相關(guān)法進行時差計算會產(chǎn)生大量的異常值，導致時差計算無效[8-9]。

本文采用基于信號端點檢測的時差計算方法。該方法在含背景噪聲的飛機結(jié)構(gòu)強度試驗環(huán)境中，可有效提取結(jié)構(gòu)損傷的聲音信號[10]，適用于飛機結(jié)構(gòu)強度試驗環(huán)境下的時差計算。通過Teager能量算子加短時過零率的雙參數(shù)雙門限法進行信號端點檢測[11-12]，計算聲音到達傳聲器i和傳聲器j之間的時差：

時差計算值從某種意義上可以認為是一個隨機值，多次測量得到的測定值可以認為是從某個正態(tài)分布總體中提取的抽樣，正態(tài)分布的均值為時差計算的真實值。

一次試驗很難直接得到最接近真實值的時差計算值。因此，根據(jù)統(tǒng)計試驗理論，應(yīng)該在同一個聲源點處開展多次試驗，將每次得到的時差計算值求平均，能夠較好地消除誤差影響。但是，由于一些偶發(fā)因素和算法自身的影響，在某些試驗中，可能會出現(xiàn)時差計算值與真實值偏離特別大的情形。對于這類估計值，統(tǒng)計學中通常稱為異常值或者野值。因此，在利用求平均得到時差計算值之前，應(yīng)該首先剔除野值。

3傳聲器坐標標定方法

采用任意布設(shè)傳聲器進行聲源定位，確定傳聲器的空間坐標是需要解決的核心問題。

傳聲器坐標標定是通過已知聲源坐標，確定傳聲器坐標，本質(zhì)上是聲源定位的逆過程。與聲源定位類似，傳聲器坐標標定方法的核心依然是計算聲源與不同傳聲器的距離差。每一個傳聲器坐標確定，至少需要三個獨立的方程。

4試驗驗證

在實驗室環(huán)境中，布設(shè)了含6個傳聲器的陣列，如圖2所示，各傳聲器的真實坐標已知。

采用本文的傳聲器坐標標定方法，標定得到各個傳聲器的空間坐標，并通過與已知的準確坐標對比進行標定誤差分析，驗證坐標標定方法的精度。

隨后采用標定得到的傳聲器坐標值進行聲源定位試驗，對本文基于任意構(gòu)型傳聲器陣列的聲源定位方法的精度和成功率進行驗證。

4.1傳聲器坐標標定

圖2中各傳聲器的真實坐標見表1。布設(shè)了4個標定聲源點，坐標分別為（2.367， 0.85， 0.9）、（2.367， 1.5， 0.9）、（1.03， 2.77， 2.1）和（1.03， 2.77， 0.5）。傳聲器1為參考傳聲器，采用本文方法，依次對傳聲器2～傳聲器6的空間坐標進行標定。以傳聲器2為例，對標定過程進行說明。標定聲源為一個直徑3.5cm的球形音箱，采樣頻率100kHz。

在標定聲源點（2.367， 0.85， 0.9）進行50次時差計算試驗，可以得到該標定聲源點處的50個時差計算值。采用公式（8）進行野值剔除。

剔除結(jié)果如圖3所示。在兩條虛線之外的點就是被剔除的野值。取剩余時差計算值的均值作為最終時差計算值，計算結(jié)果為-158.6092個采樣點。

采用同樣方法，依次在其他三個標定聲源點進行時差計算，得到4個標定聲源點的時差計算結(jié)果，見表2。

根據(jù)表2中的時差計算結(jié)果，采用單純形替換法求解公式（8），得到傳聲器2的空間坐標為（0.9133， 0.0067， 0.7135）。

采用同樣方法，依次得到傳聲器3～傳聲器6的空間坐標，見表3。

為確保飛機結(jié)構(gòu)強度試驗中聲源定位達到厘米級精度，傳聲器坐標標定的誤差必須控制在毫米級。從表3中可以看到，通過本文方法標定得到的傳聲器2～傳聲器6空間坐標的最大絕對誤差為8.3mm，滿足飛機結(jié)構(gòu)強度試驗對傳聲器空間坐標標定精度的要求。

4.2聲源定位

聲源定位試驗的目的是驗證本文基于任意構(gòu)型傳聲器陣列的聲源定位方法的精度和成功率。采用圖2中的傳聲器陣列，傳聲器空間坐標為表3中的標定結(jié)果。設(shè)置兩個聲源點，聲源點真實坐標見表4。聲源依然采用標定試驗中的球形音箱。為避免奇異數(shù)據(jù)對驗證結(jié)果的影響，依次在兩個聲源點分別進行20次定位試驗。

對聲源點1的20次定位試驗全部成功，成功率為100%。三個方向的誤差參數(shù)見表5。X、Y、Z方向的最大誤差為6cm，三個方向誤差標準差和均值都非常小，達到了飛機結(jié)構(gòu)強度試驗異常聲源定位的精度要求。

在聲源點2，20次定位試驗全部成功，成功率為100%。三個方向的誤差參數(shù)見表6。X、Y、Z方向的最大誤差為7cm，誤差標準差和均值分別為5cm和6cm，達到了飛機結(jié)構(gòu)強度試驗異常聲源定位的精度要求。

傳聲器空間坐標標定以及聲源定位試驗的結(jié)果表明，本文基于任意布設(shè)傳聲器的聲源定位方法能夠滿足飛機結(jié)構(gòu)強度試驗復雜環(huán)境下厘米級的聲源定位精度要求。

另外，聲源點與傳聲器陣列距離是影響定位精度的重要因素。聲源定位試驗中，聲源點2的定位精度與聲源點1相比已經(jīng)有了明顯下降。同時，考慮到試驗現(xiàn)場聲音反射混響影響，后續(xù)還需要在聲源點與傳聲器陣列的最小距離確定，以及考慮混響的定位算法方面開展進一步的研究。

5結(jié)束語

針對飛機結(jié)構(gòu)強度試驗異常聲源定位的實際需求和復雜試驗環(huán)境中傳聲器任意布設(shè)的應(yīng)用特點，通過任意布設(shè)傳聲器坐標標定方法和聲源定位算法研究，提出了一種任意布設(shè)傳聲器聲源定位方法。通過驗證表明，在傳聲器任意布設(shè)的情況下，該方法能夠滿足飛機結(jié)構(gòu)強度試驗中異常聲源定位的精度要求。

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（責任編輯陳東曉）

作者簡介

賀謙（1980-）男，博士，高級工程師。主要研究方向：全機結(jié)構(gòu)地面驗證技術(shù)。

Tel：029-81665351E-mail：heqianrun@163.com

韓凱（1984-）男，碩士，工程師。主要研究方向：全機結(jié)構(gòu)地面驗證技術(shù)。

Tel：029-81665351E-mail：hank03@qq.com

馮建民（1966-）男，博士，研究員。主要研究方向：全機結(jié)構(gòu)地面驗證技術(shù)。

Tel：029-81665351E-mail：fjm623@hotmail.com

Sound Source Localization Method for Aircraft Structural Test with Random Microphone Array

He Qian*，Han Kai，F(xiàn)eng Jianmin

Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Full Scale Aircraft Structure Static and Fatigue Strength，AVIC Aircraft Strength Research Institute，Xian 710065，China

Abstract： A sound source localization method for random microphone array was presented for rapid and accurate localization of abnormal sound in aircraft structural static and fatigue test according to the application of microphone array in complicated environment of the test. The calibration equations were solved by optimization method to realize microphone position calibration of random array. To reduce the time delay of arrival （TDOA） error from different microphones， generalized cross-correlation method was employed combined with signal endpoint detection method based on TDOA algorithm， and a sound source localization technological process was set up. A sound source localization method for random microphone array was established based on the microphone position calibration method for random array and sound source localization algorithm， and the method was validated by locating three sound sources. The result shows that sound source localization can be realized by the method when microphones were arrayed randomly. The calibration precise of microphone position coordinates is millimeter-level， and the precise of sound source localization is centimeter-level， and it meets the precision requirement of sound source localization in complex environment of aircraft structural static and fatigue test. The method provides the technical support for abnormal sound localization of aircraft structure.

Key Words： microphone array； sound source localization； microphone position calibration； arbitrary configuration； aircraft structural strength test