一种用于波束成形的声学收发阵列排布方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种用于波束成形的声学收发阵列排布方法和装置，通过在方形区域内随机生成N个粒子，并给定表征超齐构点阵受约束的自由度数目M与总自由度数目2N比值的序参量χ，并根据χ计算超齐构点阵受约束的自由度数目M，然后通过不断增大选取整数n

【技术实现步骤摘要】
一种用于波束成形的声学收发阵列排布方法和装置


[0001]本专利技术涉及声源识别及控制领域，具体涉及一种用于波束成形的声学收发阵列排布方法和装置。

技术介绍

[0002]基于波束成形的声学器件阵列由组成器件的不同有着不同的应用：以麦克风组成的声学照相机可用于声源识别；以扬声器组成的指向性声源可用于声信号的定向传递。
[0003]声学照相机，又名声学成像仪，是利用麦克风阵列，基于波束成形技术确定声源位置，与摄像头结合，通过图像可视化的方式，将对声源位置的估计以彩色等高线图谱的方式呈现出来，有效地展示声源在空间的分布状态，声像图与视频图像叠加，形成类似于热影像仪对物体温度的探测效果。声学照相机一般应用于声源定位，常用于噪声监测、局部放电检测、气体泄漏检测、机械振动检测等噪声检测。声学照相机提供了声音维度的手段，与红外、超声波、振动等监测手段一起为用户提供更全方位的检查方案，具有较高的商业价值。
[0004]而与之类似的指向性声源，则通过扬声器阵列，同样利用波束成形技术，将要传递的声信号能量集中，并沿给定的方向发出，而其他方向上的声能量则被抑制；相比于传统扬声器，具有高指向性，强度衰减慢等特征，常用于博物馆，户外站点广场等场景，还能用于声场的私人定制和声学主动降噪等方面，有着广泛的应用前景和较高的商业价值。
[0005]阵列排布与阵列性能紧密相关。目前，国内外所应用的阵列排布方式有矩形网格阵列、十字轴阵列、圆环阵列、周期性阵列、非规则的阿基米德螺旋阵列、轮形阵列、扇形轮阵列、环形和阿基米德螺旋组合方式等。在进行波束成形算法过程中，以麦克风阵列为例，传统的排布方式由于对称性较高，在特定方向容易形成强度较大的旁瓣，影响对主瓣的识别，降低对声源识别的准确性。这对于扬声器阵列则会降低声信号能量传输效率，令声能量过多的向非指定方向传播。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提出一种用于波束成形的声学收发阵列排布方法和装置，利用超齐构无序排布的坐标点来排列声学器件，能够提高主瓣/最大旁瓣比，降低旁瓣对主瓣的影响，提高声源识别的准确性，提升声信号传输精度和效率。
[0007]本专利技术的目的通过如下的技术方案来实现：一种用于波束成形的声学收发阵列排布方法，该方法包括如下步骤：步骤一：在方形区域内随机产生N个粒子，相邻粒子之间的最小距离大于扬声器的直径；步骤二：给定表征超齐构点阵受约束的自由度数目M与总自由度数目2N比值的序参量χ，χ的取值范围为0＜χ＜1；步骤三：根据M=2Nχ，得到受约束的自由度数目M；步骤四：从小到大依次选取整数n
x
和n
y
，共选取M组，且保证，根据
下式计算周期性边界条件对应的倒空间波矢，共得到M个共得到M个步骤五：计算任意两个粒子坐标之间的关系计算任意两个粒子坐标之间的关系其中，为第j个粒子的坐标，为第l个粒子的坐标；步骤六：计算粒子坐标相互关系的总势能
ϕ
其中，L
x
和L
y
为方形区域的两个边长；步骤七：基于有约束非线性优化算法，寻找满足总势能
ϕ
接近理论最小值
ϕ
min
=
‑
MN/(L
x
*L
y
)的坐标分布 ，并根据该坐标分布排布声学收发阵列。
[0008]进一步地，序参量χ的取值范围为0.1≤χ≤0.7。
[0009]进一步地，所述有约束非线性优化算法为MATLAB函数fmincon。
[0010]一种由上述的声学收发阵列排布方法生成的声学收发阵列。
[0011]一种用于波束成形的声学收发阵列排布装置，包括一个多个处理器，用于实现上述的用于波束成形的声学收发阵列排布方法。
[0012]本专利技术的有益效果如下：（1）本专利技术提出的用于波束成形的声收发阵列排布方法，利用超齐构无序排布的坐标点来排列声学器件。相对于传统的排布方式，通过本专利技术的方法得到的超齐构无序排布的声收发阵列来排布声学器件，提高了这些声学器件产生的声场的主瓣/最大旁瓣比，降低旁瓣对主瓣的影响，提高声源识别的准确性，提升声信号传输精度和效率。
[0013]（2）通过本专利技术的方法得到的超齐构无序排布的声收发阵列可进行平移复制，以产生规模更大的点阵，相较于其他针对随机阵列的优化算法，极大地节省了计算资源和运算时间。
附图说明
[0014]图1为三种典型结构体系观察窗内的粒子数目的方差随观察窗体积的变化关系图；其中，左列为周期性体系以及对应的结构因子，中列为超齐构无序体系以及对应的结构因子，右列为无序体系及其对应的结构因子。
[0015]图2为二维情况下N个粒子在区域L
x
×
L
y
内的排布示意图，图中虚线为周期性边界。
[0016]图3为本专利技术实施例所产生的χ=0.5超齐构无序扬声器阵列与周期阵列、无序阵列的远场声辐射方向图的对比图。
[0017]图4为序参量在0.1、0.2、0.3、0.4、0.5时超齐构体系中坐标点在实空间中的分布及对应的结构因子。
[0018]图5为本专利技术实施例所产生的周期排布扬声器阵列随仰角变化的远场声辐射方向图，其中主瓣方向分别被偏转至θ=0
°
、
ϕ
=0
°
，θ=30
°
、
ϕ
=0
°
，θ=60
°
、
ϕ
=0
°
方向。
[0019]图6为本专利技术实施例所产生的超齐构无序扬声器阵列随仰角变化的的远场声辐射方向图，其中主瓣方向分别被偏转至θ=0
°
、
ϕ
=0
°
，θ=30
°
、
ϕ
=0
°
，θ=60
°
、
ϕ
=0
°
方向。
[0020]图7为本专利技术实施例的由原始超齐构无序坐标点阵拓展至更大规模超齐构坐标点阵的示意图。
[0021]图8为本专利技术实施例所产生的更大规模超齐构坐标点阵扬声器阵列随仰角变化的远场声辐射方向图，其中主瓣方向分别被偏转至θ=0
°
、
ϕ
=0
°
，θ=30
°
、
ϕ
=0
°
，θ=60
°
、
ϕ
=0
°
方向。
[0022]图9为本专利技术实施例的用于波束成形的声学收发阵列排布装置的示意图。
具体实施方式
[0023]下面根据附图和优选实施例详细描述本专利技术，本专利技术的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0024]超齐构体（Hyperuniformity）的概念是作为衡量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于波束成形的声学收发阵列排布方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一：在方形区域内随机产生N个粒子，相邻粒子之间的最小距离大于扬声器的直径；步骤二：给定表征超齐构点阵受约束的自由度数目M与总自由度数目2N比值的序参量χ，χ的取值范围为0＜χ＜1；步骤三：根据M=2Nχ，得到受约束的自由度数目M；步骤四：从小到大依次选取整数n
x
和n
y
，共选取M组，且保证，根据下式计算周期性边界条件对应的倒空间波矢，共得到M个共得到M个步骤五：计算任意两个粒子坐标之间的关系计算任意两个粒子坐标之间的关系其中，为第j个粒子的坐标，为第l个粒子的坐标；步骤六：计算粒子坐标相互关系的总势能
ϕ
其中，L
x
和L
y
为方形区域的两个边长；步骤七：基于有约束非...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐昆，张劲，王少博，施钧辉，林秦豪，高大，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：