焦麗娟 董寧娟

摘? 要：文章對傳聲器陣列校準技術(shù)進行了研究。陣列校準包括實驗室校準和現(xiàn)場校準，研究中針對陣列的實驗室整體校準提出了標準傳聲器法，并給出了校準聲源的設計方法;針對陣列的現(xiàn)場整體校準，提出了采用可移動式消聲箱的方法，以避免試驗現(xiàn)場試驗設備和被測試件等對校準聲源的反射作用。最后，在實驗室內(nèi)對校準方法進行了試驗驗證，對比校準前和校準后的定位結(jié)果可以看出，經(jīng)陣列校準技術(shù)校準后，陣列的定位精度有所提高，定位結(jié)果更接近實際位置。

關(guān)鍵詞：傳聲器陣列;校準技術(shù);校準聲源

中圖分類號：TN641 文獻標志碼：A 文章編號：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

傳聲器陣列測試技術(shù)是目前被廣泛應用于噪聲源定位的前沿技術(shù)，通過將一定數(shù)量的傳聲器按照一定形狀布置在空間中，使這些傳聲器組成陣列接收來自空間中不同方向的信號，然后對這些信號進行延時、加權(quán)、求和處理，使得輸出信號聚焦到指定聲源處，以達到對噪聲源的準確定位[1，2]。傳聲器及傳聲器陣列作為噪聲源定位的關(guān)鍵部件，為確保其測量準確，需要對其進行校準。

校準包括單個傳聲器校準和陣列整體校準，單個傳聲器校準就是采用聲級校準器對傳聲器逐個進行校準，以對傳聲器的靈敏度進行修正[3]。本文主要研究陣列的整體校準方法。

2 校準原理

本次研究采用標準傳聲器對陣列進行整體校準。具體方法為，在陣列中心法線方向一定距離處放置點聲源或者全指向性聲源，并利用該聲源發(fā)出白噪聲，在某一固定位置同時使用M0（標準傳聲器采集信號）和Mi（某陣元傳聲器采集信號）采集該處聲壓值，得到兩段不同的時域信號S0和Si。對采集到的兩段時域信號進行FFT變換得到數(shù)據(jù)（A0，P0）和（Ai，Pi），其中A0、Ai分別為標準傳聲器和陣元的幅值特性，P0、Pi分別為標準傳聲器和陣元的相位特性，它們都是信號頻率的函數(shù)[4]。校準原理圖如圖1所示。

在每一個頻率下，將兩者頻域數(shù)據(jù)的幅值相除得到A0i，表示在該次試驗中M0和Mi之間的幅值差異，將兩者頻域數(shù)據(jù)的相位相減得到P0i，表示在該次試驗中M0和Mi之間的相位差異。

在以后的實驗中，通過測得的幅值比和相位差對各陣元測得信號依次進行修正，就可以認為各陣元測得頻域數(shù)據(jù)與全部采用標準傳聲器得到的頻域數(shù)據(jù)一致，以完成對陣列的校準[4]。

3 校準聲源設計

校準聲源可選擇為點聲源或者無指向性聲源，本文分別對兩種校準聲源的設計方法進行了研究。

3.1 點聲源設計方法

聲音在介質(zhì)中傳播時，若介質(zhì)中聲壓的幅值和與聲源的距離成反比，以球面波的形式將聲波輻射到介質(zhì)中，該聲源即可近似為點聲源。任何形狀的聲源，當聲源出聲口尺寸遠遠大于聲波的波長，同時聲源中心點與接收點之間的距離比聲源本身最大的尺寸大兩倍以上時，便可近似為點聲源。本研究采用漸變截面管來構(gòu)建點聲源，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該聲源系統(tǒng)的設計參數(shù)主要有出聲口直徑C1，聲源箱直徑C2和漸變管道長度L3，其中，C2與揚聲器尺寸有關(guān)，C1與聲源最高頻率波長成正比，L3則需大于最低頻率波長的4倍。

3.2 無指向性聲源設計方法

無指向性聲源一般采用如圖3所示的正12面體設計，它是在正12面體的每個面上安裝型號規(guī)格完全一致的揚聲器，采用同一信號源進行激勵，其在大于聲源等效直徑5倍以上的區(qū)域內(nèi)，各方向上的指向性均一致。

如果陣列的孔徑較小，可采用正4面體構(gòu)建小尺寸的無指向性聲源，加工完成后，需要在實驗室內(nèi)對其指向性進行測試。

4 校準方法

4.1 實驗室校準方法

陣列的試驗室校準方法如圖4所示，首先，將陣列放置在全消聲室內(nèi)，然后在陣列中心法線方向5m處放置聲源，標準傳聲器逐次放置在各陣元處，按照第2章中所述方法對陣列進行校準。

如果試驗在半消聲室內(nèi)進行，則需在聲源和陣列之間鋪設吸聲材料，以避免聲反射對校準造成的影響。

4.2 現(xiàn)場校準方法

陣列的現(xiàn)場校準主要是針對固定式陣列，如風洞壁面?zhèn)髀暺麝嚵械?。對于固定式陣列，壁面反射、被測物體、支架等都會對校準效果產(chǎn)生不利影響，為了避免這種影響，需要設計可移動式消聲箱，并在箱內(nèi)放置校準聲源。校準時只需將其整體罩在待校準陣列上，就可以按照第2章中所述方法對該陣列進行校準。

5 試驗驗證

為了驗證校準方法的有效性，在半消聲聲室內(nèi)對某24通道傳聲器陣列進行了校準，測試系統(tǒng)框圖如圖5所示。計算機1驅(qū)動動態(tài)信號分析儀產(chǎn)生信號波形，經(jīng)功率放大器放大后，激勵校準聲源發(fā)出聲音。標準傳聲器將聲場中的聲壓信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)動態(tài)信號分析儀采集后傳輸給計算機1進行分析和存儲;傳聲器陣列將聲場中的聲壓信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)信號采集主機采集后傳輸給計算機2進行分析和存儲。

校準試驗現(xiàn)場如圖6所示，試驗測試流程如下：

a.按照測試系統(tǒng)框圖搭建測試系統(tǒng);

b.將聲源放置在陣列正前方，并在聲源與陣列之間的地面鋪設吸聲棉，避免地面反射對校準結(jié)果的影響;

c.聲源發(fā)射白噪聲，將標準傳聲器依次與各陣元放在同一位置并同時對聲音信號進行采集和保存;

d.對陣列和標準傳聲器采集到的信號進行fft分析，計算各頻率下二者的幅值比;

e.對陣列和標準傳聲器采集到的信號用相關(guān)函數(shù)求二者的時間延遲，計算各頻率下二者的相位差。

校準完成后，將聲源放置在三個不同位置，聲源施加2000Hz的單頻聲，采用陣列依次對聲源位置進行定位，定位結(jié)果分別見表1和圖7。對比校準前和校準后的定位結(jié)果可以看出，經(jīng)陣列校準技術(shù)校準后，陣列的定位結(jié)果有所改善，定位結(jié)果更接近實際位置。

6 結(jié)論

本文提出了一種標準傳聲器法用于傳聲器陣列的整體校準，通過修正陣列中各傳聲器與標準傳聲器之間的幅值比和相位差，有效提高了聲源定位結(jié)果的精度，使定位結(jié)果更接近實際位置。

參考文獻：

[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]馬森月.高速鐵路噪聲源識別-津秦鐵路客專試驗研究[D].北京：北京交通大學，2014.

[4]李元首，陳寶，張雪，等.傳聲器陣列校準技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014（24）：94-97.