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(gè)傳聲器按照某個(gè)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(dòng)的聲源信號(hào)、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(hào)，處理不同位置聲音信號(hào)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(shí)，它涉及到數(shù)據(jù)融合和信號(hào)處理等多方面的理論知識(shí)，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(gè)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(gè)和聲源保持一定相位關(guān)系的參考信號(hào)，移動(dòng)一個(gè)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(hào)，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(gè)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(gè)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(hào)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。基本構(gòu)架較為簡單，拆裝方便，有利于攜帶和實(shí)際操作。

.

傳動(dòng)方面利用滾珠絲杠，將絲杠作為主動(dòng)件，通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。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(dòng)，帶動(dòng)螺母或絲杠軸向運(yùn)動(dòng)，將原先傳動(dòng)中使用的T形絲杠的螺紋摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦[3]。滾珠絲杠的優(yōu)點(diǎn)在于：傳動(dòng)效率高，大于90%；運(yùn)動(dòng)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(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)與聯(lián)軸器組合帶動(dòng)，通過滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)控制中央平臺(tái)在二維平面內(nèi)精準(zhǔn)移動(dòng)。

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(hào)給伺服電機(jī)，控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。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(shí)，確定一個(gè)和聲源保持一定相位關(guān)系的參考信號(hào)，通過二維導(dǎo)軌聲強(qiáng)掃描控制裝置移動(dòng)一個(gè)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(hào)。

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(gè)軸（Y軸），控制平臺(tái)在平行于另一個(gè)軸（X軸）的直線上移動(dòng)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(dòng)，拾取各個(gè)測試點(diǎn)的聲音信號(hào)，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(gè)點(diǎn)之間距離為8cm，全息面陣列總大小為72cm×72cm。使用兩個(gè)聲音探測頭（傳聲器），一個(gè)通過移動(dòng)采集數(shù)據(jù)，一個(gè)不動(dòng)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(dòng)，利用滾珠絲杠將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，繼而控制一個(gè)傳聲器按照陣列點(diǎn)位置進(jìn)行移動(dòng)，并且收集數(shù)據(jù)，進(jìn)行后臺(tái)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(gè)傳聲器，成功的得到81個(gè)測點(diǎn)的聲壓數(shù)據(jù)，并且定位了噪聲源。僅僅利用兩個(gè)傳聲器，大大減少了成本，利用電機(jī)控制傳聲器移動(dòng)，減少了人力成本，增加了精確度，同時(shí)也節(jié)省了大量時(shí)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(dòng)使用與發(fā)展[J]. 機(jī)電工程技術(shù)， 2004， 33（9）：88-90.endprint