移动传声器阵列的稳态声源识别

李婧,张振京,黄震宇

（1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240；2.山东大学机械工程学院，山东250061）

移动传声器阵列的稳态声源识别

李婧1,张振京2,黄震宇1

（1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240；2.山东大学机械工程学院，山东250061）

由于波束形成的传声器阵列声源识别技术存在着识别低频声源的识别分辨率低、识别高频声源的识别易产生空间混叠等的问题，以致影响了声源识别的准确性。为此，对于稳态声源，提出两种传声器阵列移动方法，即改变传声器阵列中心位置、调整测量距离来提高低频声源识别分辨率，和采用旋转传声器阵列进行多次测量的方法来抑制高频声源识别中的空间混叠，从而达到使用较少传声器即可提高声源识别性能的目的。通过仿真和实验验证了此方法的有效性。

声学；波束形成；移动传声器阵列；阵列分辨率；空间混叠

噪声源的准确识别和定位是有效实施噪声控制的前提。基于传声器阵列的波束形成法是应用最为广泛的噪声源定位技术[1]。

波束形成算法的声源识别能力主要取决于传声器阵列的性能指标，包括将两个点声源区分开来的最小距离的分辨率、和系统抑制虚假声源能力的最大旁瓣级等。一般来说，较高的阵列性能意味着较大的传声器数量和相应较高的采样和分析数据量。因此，设计传声器阵列需要根据声源辨识的指标要求，采用尽可能数量少的传声器达到最佳识别效果。国内外一些文献已经对传声器阵列性能做出了相应分析和研究[1―4]，得出了圆阵与轮形阵列性能较优且改进的立体阵列优于传统平面阵列的结论；Bryden将旋转传声器阵列运用到水下声源定位中[5,6]，使分辨率得到提高；Cigada等人提出具有一定转速的传声器阵列能有效减少空间混叠[7]。但国内关于移动传声器阵列的研究相对来讲还较欠缺。

本文从提高分辨率和抑制空间混叠两个角度出发，提出两种传声器阵列移动方式，即移动传声器位置和旋转传声器阵列进行多次测量的方法，实现对目标声源定位性能的优化，并通过仿真和实验验证了这种方法的有效性。

1 移动传声器阵列的选型

1.1 阵列参数比较

评价阵列定位性能的重要参数是阵列分辨率和最大旁瓣级。分辨率表示能将两个点声源区分开来的最小距离，其值越小则声源识别效果越好。根据瑞利准则[1]，近场声源识别中阵列分辨率为

其中θ为偏离阵列轴线的扫描角度，α为与阵列类型有关的阵列系数，如线性阵列取α=1，圆形阵列取α=1.22；z为传声器阵列平面与聚焦声源平面的距离；D为阵列孔径；c0为声速；f为声波频率。

由式可知，对于类型和尺寸一定的阵列，其对于高频段、近距离声波具有较高的分辨率。且θ越小分辨率越高，当聚焦方向偏离阵列轴线大于30°时，分辨率迅速降低。因此在实际应用中，传声器阵列的开角范围通常限制在30°之内。由简单的几何关系得聚焦平面的平面直径为

阵列分辨率不能大于聚焦平面的直径，即R(θ)≤L，由此得到声源识别的下限频率[1]

其中d为阵列间距。

可见，移动阵列设计参数包括阵列间距、阵列孔径、阵列布局、传声器数量，它们决定了阵列可测信号频率区间，影响了系统的应用范围。

阵列的指向性函数可用来评价阵列性能，其构成的几何图形为波束图。最大旁瓣级定义为阵列指向性函数中最大旁瓣与主瓣幅度的比值，其反映了系统抑制虚假声源的能力。

下面通过分析目前常用的规则阵列和不规则阵列的主瓣和最大旁瓣级来决定移动传声器阵列的选型。其中主瓣宽度反映了分辨率的大小，主瓣越窄，分辨率越小，声源识别效果越好。

规则阵列主要有十字阵列、网格阵列，由于在相同间距之间的不断重复采样，规则阵列易产生空间混叠，严重的空间混叠将导致虚影的产生，使得实际声源的识别变得困难。不规则阵列可有效避免空间混叠现象的产生，它主要包括随机阵列、B&K公司

由空间采样定理得到声源识别的上限频率[1]：设计的轮形阵列以及旋转轮形阵列[1]。

现选取十字、网格、旋转轮形阵列进行研究，设阵列孔径均为1 m，得到波束图如图1所示，计算得到设计参数及性能参数如表1所示。分析图1和表1可知，网格阵列的旁瓣很小，聚焦性能良好，这与其数量庞大的传声器有很大联系，但这在实际情况中通常难以满足。十字阵列所需的传声器数量相对较少，但缺点为旁瓣较大。旋转轮形阵列的最大旁瓣级最小，指向性最好，这证明其抑制虚假声源的能力更高。因此，移动传声器阵列的选型结论为旋转轮形阵列。

表1 阵列设计参数及性能参数

1.2 仿真模型与实验系统

建立声源识别仿真模型，传声器阵列所在平面为测量面，在距离声源很近的平面构造一个聚焦重建面，大小为2×2 m。旋转轮形阵列间距d为0.12 m，阵列孔径D约为0.84 m，共由24个传声器构成，如图2所示。

本实验结合现有的实验设备，以两个单频音箱为研究对象，实验在环境空旷的房间内进行，

其长×宽×高为12 m×7.5 m×3 m，传声器阵列系统由BSWA MPA 416组成，数据采集系统为NI 6255。

声源系统为单频声音文件，由计算机的声卡发声，并驱动音箱发声，形成单频的稳态声场，然后传声器阵列接收到的声音经数据采集系统并由Labview开发的多通道信号采集软件处理，最后进行数据分析，即波束形成算法处理,实验流程如图3所示。

2 提高分辨率

假设空间中存在两个声源，声源1：f=1 500 Hz，坐标(0，0)；声源2：f=500 Hz，坐标(0.4，0.2)，测量距离z=1.5 m，传声器阵列中心坐标为(0，0)，由式得到下限频率fL≈430 Hz，重建效果如图4(a)所示，由于声源2的频率接近阵列可测声源的下限频率，阵列分辨率很低。

图1 阵列排布及其波束图

由式可知，若要提高分辨率，可从改变偏离阵列轴线的扫描角度θ和测量距离z入手。首先，将测量距离减小，令z=0.7 m，得到图4(b)，

其分辨率相较于图4(a)的结果有所提高，在此基础上再传声器中心移至坐标（0.3，0）处，其它条件不变，重建效果图如图4(c)，此时阵列的分辨率显著提高，声源1和声源2可被清晰分辨开来。

因此，在实际测量中，可采用“多次对焦”的方法，首先粗略确定声源位置，再针对感兴趣的声源调整传声器阵列位置并缩短测量距离，从而达到提高分辨率，优化定位性能的效果。

3 抑制空间混叠

减小传声器阵列间距d可防止空间混叠，但由式可知，若d减小，在不影响分辨率的情况下，不能减小阵列孔径D，这势必会导致传声器数量的增加，违背了控制成本的目的。下面介绍一种旋转传声器阵列多次测量的方法，阵列是由16个传声器组成的旋转轮形阵，仿真和实验结果表明其可以有效抑制空间混叠。

图4 不同阵列位置的声源重建效果图

假设空间中存在一个声源，f=4 500 Hz，坐标(0，0)。由式得上限频率fU≈2 800 Hz，可见此时声源频率远大于此值，重建效果图中出现很多虚影，如图5(a)所示。图5(b)为24元旋转轮形阵列识别效果，可见增加少量阵元对虚影的抑制效果不明显。

现将阵列绕中心旋转进行三次测量，且在阵列中心增加一个传声器，其位置固定，接收信号作为参考信号。这种方法在无形中“增加”了传声器数量，

图2 仿真模型与实验系统

图3 实验流程图

图5 静止阵列声源重建效果图

在传声器数量有限的情况下可有效抑制虚假声源，仿真和实验结果如图6所示。但由于旋转阵列增加了测量时间，故本方法适用于稳定声源的识别。

从图6可以看出，旋转后重建效果图上虚影减少，空间混叠得到有效抑制，证明了此方法在防止虚假声源的干扰上具有明显的效果。从理论上说，旋转次数越多，定位性能越好，但增加测量次数必然导致测量时间的增加，这对声源稳定性要求更高。与图5(b)中24个静止传声器阵元测量的重建效果图相比较，可见旋转阵列多次测量能够有效控制成本。

图6 旋转阵列多次测量声源重建效果图

4 结语

本文针对波束形成法在低频率声源定位中的低分辨率和在高频率声源定位中的空间混叠问题介绍了一种改善方法，提出移动传声器阵列来改善定位性能的方法，即通过改变传声器阵列位置和测量距离来改善分辨率以及通过旋转传声器阵列进行多次测量来抑制空间混叠，并通过仿真和实验验证了该方法的有效性。该优化方法只针对稳态声源，对于非稳态声源的定位优化还有待研究。

[1]Christensen J J,Hald J.Beam forming[Z].B&K Technical Review,2004(1):1-31.

[2]赵芳芳，陈进，李加庆，薛伟飞.基于Beam form ing方法的噪声源识别技术[J].振动与冲击，2006，25(8)：458-460.

[3]张金圈，毕传兴，陈心昭.Beam form ing方法的阵列研究及其在噪声源识别中的应用[J].噪声与振动控制，2009，29(3)：54-58.

[4]贾智骏，蒋伟康.基于传声器阵列的电汞噪声源识别研究[J].噪声与振动控制，2004，24(6)：49-51.

[5]Bryden I G.Three-dimensional acoustic mapping using small rotating arrays[J].1989,111(4): 318-322.

[6]Lee A K,Bryden I G.Acoustic beam forming using a novel correlation technique[J].Mech.Arct.Eng., Meas.Sci.Technol,1991(2):229-237.

[7]Cigada A,Lurati M,Ripamonti F and Vanali M.Moving m icrophone arrays to reduce spatial aliasing in the beam form ing technique:Theoretical background and numerical investigation[J].Acoust.Soc.Am.,2008,124 (6):3648-3658.

Identification of Steady Sound Source Using Moving M icrophoneArray

LI Jing1,ZHANG Zhen-jing2,HUANG Zhen-yu1

(1.School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240,China; 2.School of Mechanical Engineering,Shan Dong University，Shandong 250061,China)

The main disadvantages of beam form ing technique are the poor spatial resolution at low frequencies,and the spatial aliasing at high frequencies,which will lead to the identification of false sources.This paper introduces two kinds of microphone-array moving methods for identification of steady sound sources.One is to change the position of the m icrophone array center and adjust the measurement distance to improve the resolution in low-frequency sound source identification.And the other is to rotate the array for multiple measurements to suppress the spatial aliasing in highfrequency sound source identification so as to achieve the goal of using less m icrophones to improve the performance of the sound source identification.The effectiveness of this method is verified by simulation and experiment.

acoustics;beam form ing;moving m icrophone array;spatial resolution;spatial aliasing

TB5；TB532

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.01.035

1006-1355(2014)01-0155-05

2013-01-31

李婧（1989-），女，湖南株洲人，硕士研究生，研究方向为声源识别。

E-mail:lj1989@sjtu.edu.cn