传声器阵列定位精度影响因素分析研究

贺 谦，冯建民，孙志强，韩 凯

(1.中国飞机强度研究所，全尺寸飞机结构静力/疲劳航空科技重点实验室，陕西 西安 710065；2.国防科学技术大学，湖南 长沙 410073)



传声器阵列定位精度影响因素分析研究

贺 谦1，冯建民1，孙志强2，韩 凯1

(1.中国飞机强度研究所，全尺寸飞机结构静力/疲劳航空科技重点实验室，陕西 西安 710065；2.国防科学技术大学，湖南 长沙 410073)

设计了矩形和圆形两种阵列形式，从阵列构型、基线、声源与阵列中心位置等几个方面进行传声器阵列定位精度影响因素分析，为传声器阵列设计定型以及基于声源的飞机结构损伤定位系统开发奠定基础。结果表明，在基线长度和阵元数量相等的情况下，矩形阵列的定位精度要优于圆形阵列；阵列基线长度越大，定位精度越高；当声源垂直于阵列面时，定位精度最高,声源越偏离阵列面，定位精度越低；在同样的阵列结构和时延估计误差下，声源与传声器阵列中心之间的距离越大，定位的绝对误差就越大；时延估计的误差越小，定位精度越高；对于飞机结构强度试验，应采用多传声器阵列的布设方式，提高声源定位精度。

传声器阵列；声源定位；飞机结构；强度试验

1 引 言

在飞机结构强度试验过程中，飞机结构可能会出现异常的响声。这些响声说明飞机结构出现了损伤或是损伤的前兆。目前，试验过程中捕捉并辨识飞机结构所发出的每一个可能与故障有关的声响主要依赖于技术人员的细心和经验。但是，凭借人耳收集声频信息并定位声源位置的方式并不可靠。因此，以现有声源定位技术为基础，开展飞机结构强度试验损伤定位技术研究，开发相关损伤定位系统，在提供试验决策支持、及时发现试验风险等方面具有非常重要的意义。

传声器阵列是国内外进行声源定位较为成熟的技术，在军用领域(智能雷弹、战场侦察、炮用立靶声音定位、弹头落点定位等方面)及民用领域(智能机器人定位导航、飞机、汽车噪声识别等方面)得到了广泛应用[1-6]。但对于飞机结构强度试验来说，由于试验现场包括了飞机结构本身以及众多的试验装置，环境较为复杂，因此，分析影响传声器阵列定位精度的各种因素、确定传声器阵列结构，是实现飞机结构损伤准确定位的关键。本文从阵列构型、基线、声源与阵列中心位置等几个方面进行传声器阵列定位精度影响因素分析研究，为传声器阵列设计定型以及基于声源的飞机结构损伤定位系统开发奠定基础。

2 传声器阵列设计

传声器阵列可分为面阵列和球阵列两大类，其中，面阵列的应用比较常见。面阵列分为两种，一种是矩形阵列，另一种是圆形阵列。本文也采用这两种结构形式进行传声器阵列定位精度影响因素分析。考虑到制作工艺以及展开空间方面的问题，将阵列孔径的最大值设定为3m，最小值设定为0.5m。矩形阵列按照4×4的结构进行布局，圆形阵列按照放射状的形式进行设计，阵元数量固定为16个，如图1所示。

(a)矩形阵列

(b)圆形阵列图1 传声器阵列结构

3 传声器阵列定位精度影响对比分析

阵列构型、基线、声源与阵列中心位置是影响传声器阵列定位精度的关键因素，本文分别从这几个方面进行传声器阵列定位精度影响因素分析，为传声器阵列设计提供依据。设定声源的极坐标为(2m,15°,30°)，分别代表距离阵列中心的距离、仰角和方位角，时延估计的误差控制在1个采样周期,采样频率设定为100kHz。利用单纯形搜索法作为定位算法，得到定位标准差。

3.1 矩形阵列和圆形阵列的定位精度对比分析

设定阵列基线从0.5m起步，按照0.5m的步长进行递增，最大基线到3m为止。阵列面均垂直于地面，即阵列面与地面的夹角(倾角)为90°。定位误差曲线如图2所示。可以看出，在同样的阵列基线下，采用基于时延的方法进行定位，矩形阵列都要优于圆形阵列。因此，在实际传声器阵列设计中，优先考虑采用矩形阵列。同时，阵列基线长度越大，定位精度越高；但是，基线长度增加，可能会导致距离较远的两个传声器所接收到的声音信息存在较大的差异，使得时延估计结果误差较大。

图2 圆形和矩形阵列下的定位误差曲线

考虑“最差情况”的原则，接下来在定位精度影响因素分析过程中，以“相对较差”的圆形阵列为例，分析定位误差的变化规律。

3.2 阵列面倾角对定位精度的影响分析

设定倾角按照15°为步长逐次递减。从设计和便携的角度出发，阵列基线长度设定为1m。定位精度与阵列面倾角之间的关系曲线如图3和图4所示。

图3 阵列面倾角对定位精度影响

图4 阵列面倾角对定位精度影响(截取45°之后的部分)

当声源与阵列中心的连线垂直于整个阵列面时，定位精度最高；而当两者之间的连线与整个阵列面平行时，定位精度比较差，在某些时候甚至会出现失败的定位结果。因此，在布置平面传声器阵列时，必须综合考虑声源可能存在的位置来设计阵列的倾角。当声源距离阵列面的距离远远大于阵列基线长度时，可以认为声源与阵列中心的连线与阵列面平行，此时的定位精度很难得到保证。在飞机结构强度试验中，如果采用单传声器阵列，很难保证声源与阵列中心的连线垂直于整个阵列面，因此，需要多布设传声器阵列并设计多阵列面倾角，提高声源定位精度。

3.3 声源与阵列中心位置对定位精度的影响分析

设定声源位置为极坐标(r,15°,30°)，其中，r=1,2,3,4,5，表示声源与阵列中心之间的距离。时延估计基本误差分别为0.01ms、0.02ms、0.05ms、0.1ms、0.2ms，阵列基线为1m。声源与阵列中心位置对定位精度的影响如图5所示。

图5 声源与阵列中心位置对定位精度影响

声源与阵列中心的距离越远，定位的绝对误差越大。同时，采样频率越高，定位的误差越小。但是，当采样频率为100kHz，即时延估计基本误差为0.01ms时，声源距离阵列中心超过3m后，定位绝对误差已经达到了厘米级；按照图5所示的误差变化趋势，当声源距离在20m左右，定位绝对误差可以达到分米级。由于飞机结构强度试验场地较大，如果布置单传声器阵列，声源与阵列中心距离很可能超过20m，即使采用高采样频率传声器，定位误差仍然不可接受。因此，对于飞机结构强度试验，应采用分布式的多传声器阵列布设方式，提高声源定位精度。

4 结 论

(1)对于圆形和矩形这两类平面阵列而言，在基线长度和阵元数量相等的情况下，矩形阵列的定位精度要优于圆形阵列。

(2)阵列基线长度越大，定位精度越高；但是，基线长度增加，会导致时延估计结果误差较大。

(3)当声源位于阵列面的正上方，即垂直于阵列面时，定位精度最高；声源越偏离阵列面，定位精度越低。

(4)在同样的阵列结构和时延估计误差下，声源与传声器阵列中心之间的距离越大，定位的绝对误差就越大。时延估计的误差越小，定位精度越高。

(5)对于飞机结构强度试验，应采用分布式的多传声器阵列布设方式，提高声源定位精度。

[1]李晓飞,刘宏.机器人听觉声源定位研究综述[J].智能系统学报,2012,7(1):9-20.

[2]宋凯,夏晨秋,张承伟.弹丸落点被动声定位方法[J].兵工自动化,2015,34(6):1-4.

[3]张作楠,刘国栋,王婷婷.一种多传感器反直升机智能雷伺服跟踪系统[J].电子技术应用,2011,37(11):92-96.

[4]陈平剑,仲唯贵,段广战.直升机气动噪声研究进展[J].实验流体力学,2015,29(3):18-24.

[5]庄启雷,黄青华.基于三线交点球麦克风阵列的远场多声源定位[J].上海大学学报(自然科学版),2011,17(2):125-131.

[6]杨洋,倪计民,褚志刚,等．基于波束形成的发动机噪声源识别及声功率计算[J].内燃机工程,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

贺 谦(1980-)，男，高级工程师，主要研究方向：全尺寸飞机结构静力/疲劳试验技术。

航空基金(20150981006)资助项目。

V216.5+

Bdoi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.008