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    傳聲器陣列設計

    2020-02-26    1535
            傳聲器聲陣列是由多個聲傳感器單元按照一定規律排列組成,陣列的拓撲結構會影響到聲源識別的空間分辨率及聲源識別的頻率范圍,所以需要分析影響陣列性能的因素,以期找尋到最合理的陣列結構。陣列的設計參數包括了幾何參數和特征參數兩個方面,幾何參數主要有傳聲器間距、傳聲器空間位置、陣列孔徑大小、傳聲器數目等,特征參數包含了陣列的指向性、主瓣寬度、旁瓣大小、空間分辨率等。陣列的排列方式需要考慮積極性與實用性,合理的陣列結構可以使得在傳聲器數量一定的情況下獲得較高的陣列性能。陣列孔徑影響陣列對低頻聲源的響應,孔徑尺寸越大,可以測得的聲源頻率就越小,其次孔徑越小的陣列空間分辨也越低,陣元間距決定了陣列可識別聲源頻率的范圍,傳聲器的空間幾何形式使得陣列具有了不同的主瓣寬度和旁瓣數級。在實際應用中,綜合器材及需求等因素,需要合理的選取陣列參數,比較不同的陣列形狀,選擇一個性能較好的拓撲結構。

            聲陣列中傳聲器的不合理布置會導致指向性圖譜中的旁瓣變多并且幅值變大,嚴重的還會產生空間混淆導致聲源能量泄露而無法識別到真實位置。為了避免因空間采樣不合理而出現混淆導致出現虛假聲源,并且考慮到30度的測量開角,根據奈奎斯特采樣定理可以求解得出聲陣列中陣元間距需要滿足下式:

    傳聲器陣列設計1

            陣列孔徑會影響到所測信號的頻率范圍,由于頻率與波長成反比,所以陣列孔徑尺寸越大測得的信號頻率就越小,但是在實際測量中考慮到成本與操作的方便陣列孔徑并不是越大越好。

    傳聲器陣列設計2

            上圖中不同排布形式的傳聲器陣列的響應圖譜的計算結果,其中星形、環形、棋盤陣列采用均勻排布,螺旋形為非均勻排布,相鄰最近的傳聲器間隔為0.04m,分析中陣列孔徑均為0.6m,均勻陣列的傳聲器間隔均為0.04m。在相同的陣列孔徑及傳聲器間隔下,星形、環形、棋盤陣列所需要的傳聲器個數依次增多,而螺旋形(S陣列)排布的傳聲器個數為112個,矩形陣列所需要的陣元個數遠遠超出其他結構的陣列。陣列響應圖譜結果顯示,星形陣列、環形陣列的旁瓣較多,矩形陣列、螺旋形陣列的旁瓣相對較少,說明了矩形陣列與螺旋形陣列擁有相對較好的抗干擾能力。螺旋形陣列在15dB的顯示范圍內沒有虛假聲源,更適應在復雜的聲學環境中準確的識別出真實聲源的位置。

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