二維導(dǎo)軌聲強(qiáng)掃描方法

李錦揚(yáng)+孫靳卓

摘 要：本文介紹了一種二維導(dǎo)軌聲強(qiáng)掃描方法，該方法可以通過控制傳聲器的陣列位置實(shí)現(xiàn)了聲源定位與檢測目的。實(shí)驗(yàn)證明了該方法成本低、效率高。

關(guān)鍵詞：聲強(qiáng)掃描法；傳聲器陣列；聲源定位

1 引言

傳聲器陣列是指若干個傳聲器按照某個幾何結(jié)構(gòu)排列而成的陣列。它的優(yōu)點(diǎn)是具有空間選擇性、可對聲源進(jìn)行定位及跟蹤、應(yīng)用范圍廣泛、易于獲取移動的聲源信號、在一定的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)聲源的自適應(yīng)檢測。傳聲器陣列的聲源定位是指通過傳聲器陣列采集聲音信號，處理不同位置聲音信號進(jìn)行分析，在空間域中定出一定數(shù)量的空間坐標(biāo)，即聲源的位置。同時，它涉及到數(shù)據(jù)融合和信號處理等多方面的理論知識，因此測量必須要精確、減少誤差，才能夠使分析準(zhǔn)確無誤、確定可靠。

常用的傳統(tǒng)聲陣列測量方法有兩種：快照法和掃描法。快照法使用一個平面?zhèn)髀暺麝嚵幸淮涡詼y量全息面的復(fù)聲壓，不需要參考聲源，適用于相干或不相干、平穩(wěn)或非平穩(wěn)聲場。具有采集的數(shù)據(jù)精度高、速度快、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)。但其具有成本高、標(biāo)定校準(zhǔn)的工作量大等缺點(diǎn)，不便于實(shí)際工程應(yīng)用[1]。掃描法需要一個和聲源保持一定相位關(guān)系的參考信號，移動一個傳聲器或者傳聲器線陣和參考傳聲器同步測量得到掃描信號，比較適用于單頻和寬帶相干聲場，對非完全相干聲場，由于無法用一個固定的相位函數(shù)描述聲場中一點(diǎn)的相位變化關(guān)系，不再適用[2]，且操作較為復(fù)雜，需要人為控制傳聲器位置進(jìn)行測量，不夠靈活，誤差相對較大。

本文提出了一種二維導(dǎo)軌聲強(qiáng)掃描法，即利用二維導(dǎo)軌形成聲強(qiáng)掃描控制裝置，基于傳統(tǒng)聲陣列測量方法掃描法，用以解決聲陣列測量掃描法操作復(fù)雜、靈活性低、誤差大等問題。通過該方法/設(shè)備，僅通過幾個傳聲器即可完成聲源定位，比起快照法，成本低、標(biāo)定校準(zhǔn)的工作量小，便于實(shí)際工程應(yīng)用。通過該設(shè)備的控制，比起傳統(tǒng)掃描法，操作較為簡便，不需要人為操縱，更加精確，對數(shù)據(jù)融合和信號處理分析提供更可靠的數(shù)據(jù)事實(shí)。

2 二維導(dǎo)軌聲強(qiáng)掃描法

2.1裝置結(jié)構(gòu)

二維導(dǎo)軌聲強(qiáng)掃描控制裝置基于2根普通導(dǎo)軌和2根滾珠絲杠滑桿的組合模式，整體由左右兩根導(dǎo)軌作為主體結(jié)構(gòu)，將一根滾珠絲杠放置于兩導(dǎo)軌上面，形成了簡易的“工”字型結(jié)構(gòu)，另一根滾珠絲杠平行放置于普通導(dǎo)軌旁，如圖（1）所示?；緲?gòu)架較為簡單，拆裝方便，有利于攜帶和實(shí)際操作。

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傳動方面利用滾珠絲杠，將絲杠作為主動件，通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動。滾珠絲杠副是將螺母與絲杠分別加工成凹半圓弧形成螺紋，在螺紋之間放入滾珠形成的。滾珠沿螺旋通道滾動，帶動螺母或絲杠軸向運(yùn)動，將原先傳動中使用的T形絲杠的螺紋摩擦變?yōu)闈L動摩擦[3]。滾珠絲杠的優(yōu)點(diǎn)在于：傳動效率高，大于90%；運(yùn)動平穩(wěn)無爬行現(xiàn)象，精度高；剛度好，磨損小，使用壽命長；可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由伺服電機(jī)與聯(lián)軸器組合帶動，通過滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動控制中央平臺在二維平面內(nèi)精準(zhǔn)移動。

控制方面利用伺服電機(jī)控制器給伺服電機(jī)控制器，通過釋放脈沖信號給伺服電機(jī)，控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動。利用伺服電機(jī)控制滾珠絲杠的優(yōu)點(diǎn)在于：旋轉(zhuǎn)的度數(shù)與平移的距離都是相對應(yīng)的，因此滾珠絲桿與伺服電機(jī)的配合可以達(dá)到很高的精確度。對于較大的測量范圍也可以使用，便于實(shí)際工程應(yīng)用，較為靈活。

2.2實(shí)現(xiàn)方法

使用二維導(dǎo)軌聲強(qiáng)掃描控制裝置進(jìn)行聲陣列測量掃描法時，確定一個和聲源保持一定相位關(guān)系的參考信號，通過二維導(dǎo)軌聲強(qiáng)掃描控制裝置移動一個傳聲器或者傳聲器線陣和參考傳聲器同步測量得到掃描信號。

2.3應(yīng)用傳聲器陣列

一維傳聲器陣列為最簡單的均勻排列的線陣 列。通過二維導(dǎo)軌聲強(qiáng)掃描控制裝置可以輕松實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)方法為：固定一個軸（Y軸），控制平臺在平行于另一個軸（X軸）的直線上移動就可實(shí)現(xiàn)。

二維面分布矩形陣列也是基本的二維陣列之一，此類陣列是將等距線陣在平面上進(jìn)行十字排列。運(yùn)用二維導(dǎo)軌聲強(qiáng)掃描控制裝置在全息面上進(jìn)行二維移動，拾取各個測試點(diǎn)的聲音信號，最后集中處理分析，見圖（2）。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)名稱為定位電腦主機(jī)噪音源，實(shí)驗(yàn)對象為55cm（長）×15cm（寬）×53cm（高）長方體，測聲面為電腦主機(jī) 長-高 面，電腦通220v標(biāo)準(zhǔn)電壓，正常負(fù)荷工作。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為安靜無聲環(huán)境。

實(shí)驗(yàn)基于傳統(tǒng)聲陣列測量掃描法，構(gòu)建9×9點(diǎn)陣列，每兩個點(diǎn)之間距離為8cm，全息面陣列總大小為72cm×72cm。使用兩個聲音探測頭（傳聲器），一個通過移動采集數(shù)據(jù)，一個不動作為相位參考。

通過二維導(dǎo)軌聲強(qiáng)掃描控制裝置，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，利用滾珠絲杠將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動，繼而控制一個傳聲器按照陣列點(diǎn)位置進(jìn)行移動，并且收集數(shù)據(jù)，進(jìn)行后臺處理。

處理方式為利用 “DASP”（達(dá)世普）軟件將收集到的81組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合導(dǎo)出，畫出實(shí)驗(yàn)處理聲音云圖，與實(shí)驗(yàn)對象電腦機(jī)箱進(jìn)行合成，得出實(shí)驗(yàn)圖，見圖（3）。

通過本文二維導(dǎo)軌聲強(qiáng)掃描控制裝置進(jìn)行傳統(tǒng)聲陣列測量掃描法得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可成功的對聲源進(jìn)行定位，為聲源面中心偏上部的位置，正好為電腦機(jī)箱散熱風(fēng)扇所在的位置，猜想電腦主機(jī)主要噪聲源為風(fēng)扇所在位置。通過二次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行二次驗(yàn)證，利用控制變量法，實(shí)驗(yàn)對象相同、實(shí)驗(yàn)方法相同，改變電腦運(yùn)行負(fù)荷，改為高負(fù)荷運(yùn)作。處理分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果后發(fā)現(xiàn)有散熱風(fēng)扇部分明顯的噪聲提升。從而得出猜想實(shí)驗(yàn)結(jié)論正確，電腦主機(jī)主要噪聲源為風(fēng)扇所在位置。

實(shí)驗(yàn)通過二維導(dǎo)軌聲強(qiáng)掃描控制裝置，通過2個傳聲器，成功的得到81個測點(diǎn)的聲壓數(shù)據(jù)，并且定位了噪聲源。僅僅利用兩個傳聲器，大大減少了成本，利用電機(jī)控制傳聲器移動，減少了人力成本，增加了精確度，同時也節(jié)省了大量時間。

4 結(jié) 論

本文提出一種二維導(dǎo)軌聲強(qiáng)掃描法方法，通過二維導(dǎo)軌聲強(qiáng)掃描控制裝置解決了傳統(tǒng)聲陣列測量掃描法操作復(fù)雜、靈活性低、誤差大等問題，有效的減少了人力成本，并且增加了精確度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可以很好的輔助傳統(tǒng)聲陣列測量掃描法進(jìn)行噪聲定位、聲音測量等實(shí)驗(yàn)及工程需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] Williams E G， Maynard J， Skudrzyk E. Sound source reconstructions using a microphone array[J]. The Journal of the Acoustical Society of America， 1980， 68（1）： 340-344.

[2] Williams E G， Maynard J. Holographic imaging without the wavelength resolution limit[J]. Physical Review Letters， 1980， 45（7）： 554.

[3]王志民， 張西忠， 厲勇. 滾珠絲杠傳動使用與發(fā)展[J]. 機(jī)電工程技術(shù)， 2004， 33（9）：88-90.endprint