麦克风相位阵列校准方法研究

焦丽娟 董宁娟

摘  要：文章对传声器阵列校准技术进行了研究。阵列校准包括实验室校准和现场校准，研究中针对阵列的实验室整体校准提出了标准传声器法，并给出了校准声源的设计方法;针对阵列的现场整体校准，提出了采用可移动式消声箱的方法，以避免试验现场试验设备和被测试件等对校准声源的反射作用。最后，在实验室内对校准方法进行了试验验证，对比校准前和校准后的定位结果可以看出，经阵列校准技术校准后，阵列的定位精度有所提高，定位结果更接近实际位置。

关键词：传声器阵列;校准技术;校准声源

中图分类号：TN641 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）33-0106-03

Abstract： The paper makes a research on the microphone array calibration technology.According to the laboratory whole calibration of microphone array， it puts forward a calibration method by using standard microphone and gives the design method of calibration sound sources. According to the site whole calibration of microphone array，it puts forward a method to avoid the reflex from air pipe and test pieces by using a movalbe anechoic box.At last，it makes a verification test in laboratory， and the results show that the sound position after calibration is closer to the actual position.Keywords： microphone array; calibration technology; calibration sound source

1 概述

傳声器阵列测试技术是目前被广泛应用于噪声源定位的前沿技术，通过将一定数量的传声器按照一定形状布置在空间中，使这些传声器组成阵列接收来自空间中不同方向的信号，然后对这些信号进行延时、加权、求和处理，使得输出信号聚焦到指定声源处，以达到对噪声源的准确定位[1，2]。传声器及传声器阵列作为噪声源定位的关键部件，为确保其测量准确，需要对其进行校准。

校准包括单个传声器校准和阵列整体校准，单个传声器校准就是采用声级校准器对传声器逐个进行校准，以对传声器的灵敏度进行修正[3]。本文主要研究阵列的整体校准方法。

2 校准原理

本次研究采用标准传声器对阵列进行整体校准。具体方法为，在阵列中心法线方向一定距离处放置点声源或者全指向性声源，并利用该声源发出白噪声，在某一固定位置同时使用M0（标准传声器采集信号）和Mi（某阵元传声器采集信号）采集该处声压值，得到两段不同的时域信号S0和Si。对采集到的两段时域信号进行FFT变换得到数据（A0，P0）和（Ai，Pi），其中A0、Ai分别为标准传声器和阵元的幅值特性，P0、Pi分别为标准传声器和阵元的相位特性，它们都是信号频率的函数[4]。校准原理图如图1所示。

在每一个频率下，将两者频域数据的幅值相除得到A0i，表示在该次试验中M0和Mi之间的幅值差异，将两者频域数据的相位相减得到P0i，表示在该次试验中M0和Mi之间的相位差异。

在以后的实验中，通过测得的幅值比和相位差对各阵元测得信号依次进行修正，就可以认为各阵元测得频域数据与全部采用标准传声器得到的频域数据一致，以完成对阵列的校准[4]。

3 校准声源设计

校准声源可选择为点声源或者无指向性声源，本文分别对两种校准声源的设计方法进行了研究。

3.1 点声源设计方法

声音在介质中传播时，若介质中声压的幅值和与声源的距离成反比，以球面波的形式将声波辐射到介质中，该声源即可近似为点声源。任何形状的声源，当声源出声口尺寸远远大于声波的波长，同时声源中心点与接收点之间的距离比声源本身最大的尺寸大两倍以上时，便可近似为点声源。本研究采用渐变截面管来构建点声源，其具体结构如图2所示。

该声源系统的设计参数主要有出声口直径C1，声源箱直径C2和渐变管道长度L3，其中，C2与扬声器尺寸有关，C1与声源最高频率波长成正比，L3则需大于最低频率波长的4倍。

3.2 无指向性声源设计方法

无指向性声源一般采用如图3所示的正12面体设计，它是在正12面体的每个面上安装型号规格完全一致的扬声器，采用同一信号源进行激励，其在大于声源等效直径5倍以上的区域内，各方向上的指向性均一致。

如果阵列的孔径较小，可采用正4面体构建小尺寸的无指向性声源，加工完成后，需要在实验室内对其指向性进行测试。

4 校准方法

4.1 实验室校准方法

阵列的试验室校准方法如图4所示，首先，将阵列放置在全消声室内，然后在阵列中心法线方向5m处放置声源，标准传声器逐次放置在各阵元处，按照第2章中所述方法对阵列进行校准。

如果试验在半消声室内进行，则需在声源和阵列之间铺设吸声材料，以避免声反射对校准造成的影响。

4.2 现场校准方法

阵列的现场校准主要是针对固定式阵列，如风洞壁面传声器阵列等。对于固定式阵列，壁面反射、被测物体、支架等都会对校准效果产生不利影响，为了避免这种影响，需要设计可移动式消声箱，并在箱内放置校准声源。校准时只需将其整体罩在待校准阵列上，就可以按照第2章中所述方法对该阵列进行校准。

5 试验验证

为了验证校准方法的有效性，在半消声声室内对某24通道传声器阵列进行了校准，测试系统框图如图5所示。计算机1驱动动态信号分析仪产生信号波形，经功率放大器放大后，激励校准声源发出声音。标准传声器将声场中的声压信号转换为电信号，经动态信号分析仪采集后传输给计算机1进行分析和存储;传声器阵列将声场中的聲压信号转换为电信号，经信号采集主机采集后传输给计算机2进行分析和存储。

校准试验现场如图6所示，试验测试流程如下：

a.按照测试系统框图搭建测试系统;

b.将声源放置在阵列正前方，并在声源与阵列之间的地面铺设吸声棉，避免地面反射对校准结果的影响;

c.声源发射白噪声，将标准传声器依次与各阵元放在同一位置并同时对声音信号进行采集和保存;

d.对阵列和标准传声器采集到的信号进行fft分析，计算各频率下二者的幅值比;

e.对阵列和标准传声器采集到的信号用相关函数求二者的时间延迟，计算各频率下二者的相位差。

校准完成后，将声源放置在三个不同位置，声源施加2000Hz的单频声，采用阵列依次对声源位置进行定位，定位结果分别见表1和图7。对比校准前和校准后的定位结果可以看出，经阵列校准技术校准后，阵列的定位结果有所改善，定位结果更接近实际位置。

6 结论

本文提出了一种标准传声器法用于传声器阵列的整体校准，通过修正阵列中各传声器与标准传声器之间的幅值比和相位差，有效提高了声源定位结果的精度，使定位结果更接近实际位置。

参考文献：

[1]Fenech B A.Accurate aeroacoustic meas

urem-ents in closed section hard-walled wind tunnels[D].UK：University of South-ampton，2009.

[2]Nobuhiro.Methods to measure acoustic sources in a closed wind tunnel test section[R].AIAA， USA：AIAA，2005，2005-3003.

[3]马森月.高速铁路噪声源识别-津秦铁路客专试验研究[D].北京：北京交通大学，2014.

[4]李元首，陈宝，张雪，等.传声器阵列校准技术研究[J].现代电子技术，2014（24）：94-97.