二维导轨声强扫描方法

李锦扬+孙靳卓

摘 要：本文介绍了一种二维导轨声强扫描方法，该方法可以通过控制传声器的阵列位置实现了声源定位与检测目的。实验证明了该方法成本低、效率高。

关键词：声强扫描法；传声器阵列；声源定位

1 引言

传声器阵列是指若干个传声器按照某个几何结构排列而成的阵列。它的优点是具有空间选择性、可对声源进行定位及跟踪、应用范围广泛、易于获取移动的声源信号、在一定的范围内实现声源的自适应检测。传声器阵列的声源定位是指通过传声器阵列采集声音信號，处理不同位置声音信号进行分析，在空间域中定出一定数量的空间坐标，即声源的位置。同时，它涉及到数据融合和信号处理等多方面的理论知识，因此测量必须要精确、减少误差，才能够使分析准确无误、确定可靠。

常用的传统声阵列测量方法有两种：快照法和扫描法。快照法使用一个平面传声器阵列一次性测量全息面的复声压，不需要参考声源，适用于相干或不相干、平稳或非平稳声场。具有采集的数据精度高、速度快、适用性广等优点。但其具有成本高、标定校准的工作量大等缺点，不便于实际工程应用[1]。扫描法需要一个和声源保持一定相位关系的参考信号，移动一个传声器或者传声器线阵和参考传声器同步测量得到扫描信号，比较适用于单频和宽带相干声场，对非完全相干声场，由于无法用一个固定的相位函数描述声场中一点的相位变化关系，不再适用[2]，且操作较为复杂，需要人为控制传声器位置进行测量，不够灵活，误差相对较大。

本文提出了一种二维导轨声强扫描法，即利用二维导轨形成声强扫描控制装置，基于传统声阵列测量方法扫描法，用以解决声阵列测量扫描法操作复杂、灵活性低、误差大等问题。通过该方法/设备，仅通过几个传声器即可完成声源定位，比起快照法，成本低、标定校准的工作量小，便于实际工程应用。通过该设备的控制，比起传统扫描法，操作较为简便，不需要人为操纵，更加精确，对数据融合和信号处理分析提供更可靠的数据事实。

2 二维导轨声强扫描法

2.1装置结构

二维导轨声强扫描控制装置基于2根普通导轨和2根滚珠丝杠滑杆的组合模式，整体由左右两根导轨作为主体结构，将一根滚珠丝杠放置于两导轨上面，形成了简易的“工”字型结构，另一根滚珠丝杠平行放置于普通导轨旁，如图（1）所示。基本构架较为简单，拆装方便，有利于携带和实际操作。

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传动方面利用滚珠丝杠，将丝杠作为主动件，通过旋转运动转换为直线运动。滚珠丝杠副是将螺母与丝杠分别加工成凹半圆弧形成螺纹，在螺纹之间放入滚珠形成的。滚珠沿螺旋通道滚动，带动螺母或丝杠轴向运动，将原先传动中使用的T形丝杠的螺纹摩擦变为滚动摩擦[3]。滚珠丝杠的优点在于：传动效率高，大于90%；运动平稳无爬行现象，精度高；刚度好，磨损小，使用寿命长；可以将旋转运动变为直线运动。旋转运动由伺服电机与联轴器组合带动，通过滚珠丝杠旋转运动变为直线运动控制中央平台在二维平面内精准移动。

控制方面利用伺服电机控制器给伺服电机控制器，通过释放脉冲信号给伺服电机，控制伺服电机转动。利用伺服电机控制滚珠丝杠的优点在于：旋转的度数与平移的距离都是相对应的，因此滚珠丝杆与伺服电机的配合可以达到很高的精确度。对于较大的测量范围也可以使用，便于实际工程应用，较为灵活。

2.2实现方法

使用二维导轨声强扫描控制装置进行声阵列测量扫描法时，确定一个和声源保持一定相位关系的参考信号，通过二维导轨声强扫描控制装置移动一个传声器或者传声器线阵和参考传声器同步测量得到扫描信号。

2.3应用传声器阵列

一维传声器阵列为最简单的均匀排列的线阵 列。通过二维导轨声强扫描控制装置可以轻松实现，实现方法为：固定一个轴（Y轴），控制平台在平行于另一个轴（X轴）的直线上移动就可实现。

二维面分布矩形阵列也是基本的二维阵列之一，此类阵列是将等距线阵在平面上进行十字排列。运用二维导轨声强扫描控制装置在全息面上进行二维移动，拾取各个测试点的声音信号，最后集中处理分析，见图（2）。

3 实验验证

设计验证实验，实验名称为定位电脑主机噪音源，实验对象为55cm（长）×15cm（宽）×53cm（高）长方体，测声面为电脑主机 长-高 面，电脑通220v标准电压，正常负荷工作。实验环境为安静无声环境。

实验基于传统声阵列测量扫描法，构建9×9点阵列，每两个点之间距离为8cm，全息面阵列总大小为72cm×72cm。使用两个声音探测头（传声器），一个通过移动采集数据，一个不动作为相位参考。

通过二维导轨声强扫描控制装置，控制电机转动，利用滚珠丝杠将旋转运动变为直线运动，继而控制一个传声器按照阵列点位置进行移动，并且收集数据，进行后台处理。

处理方式为利用 “DASP”（达世普）软件将收集到的81组数据进行拟合导出，画出实验处理声音云图，与实验对象电脑机箱进行合成，得出实验图，见图（3）。

通过本文二维导轨声强扫描控制装置进行传统声阵列测量扫描法得到的实验数据可成功的对声源进行定位，为声源面中心偏上部的位置，正好为电脑机箱散热风扇所在的位置，猜想电脑主机主要噪声源为风扇所在位置。通过二次实验进行二次验证，利用控制变量法，实验对象相同、实验方法相同，改变电脑运行负荷，改为高负荷运作。处理分析实验结果后发现有散热风扇部分明显的噪声提升。从而得出猜想实验结论正确，电脑主机主要噪声源为风扇所在位置。

实验通过二维导轨声强扫描控制装置，通过2个传声器，成功的得到81个测点的声压数据，并且定位了噪声源。仅仅利用两个传声器，大大减少了成本，利用电机控制传声器移动，减少了人力成本，增加了精确度，同时也节省了大量时间。

4 结 论

本文提出一种二维导轨声强扫描法方法，通过二维导轨声强扫描控制装置解决了传统声阵列测量扫描法操作复杂、灵活性低、误差大等问题，有效的减少了人力成本，并且增加了精确度。实验结果表明该方法可以很好的辅助传统声阵列测量扫描法进行噪声定位、声音测量等实验及工程需求。

参考文献：

[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， 张西忠， 厉勇. 滚珠丝杠传动使用与发展[J]. 机电工程技术， 2004， 33（9）：88-90.endprint