本發(fā)明屬于裝備噪聲測試技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種手持式傳聲器陣列及其測試自行裝備駕駛艙內(nèi)噪聲分布的方法。

背景技術(shù)：

自行裝備屬于大型武器設(shè)備，復(fù)雜機(jī)械構(gòu)件的相互碰撞、摩擦和排氣系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲量級(jí)很大。同時(shí)，自行裝備的駕駛艙通常為密閉設(shè)計(jì)，不利于噪聲的傳播，導(dǎo)致駕駛員和武器操作人員工作的聲音環(huán)境十分惡劣，不利于自行裝備作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。因此，對(duì)裝備駕駛艙噪聲分布進(jìn)行測試，對(duì)控制噪聲、改善操作人員的工作環(huán)境具有重要意義。

由于裝備駕駛艙的空間較小，且通常為密閉設(shè)計(jì)，使常規(guī)的大尺寸陣列測量變得極為困難。目前，在裝備艙內(nèi)噪聲測試方面并沒有一個(gè)較為完善的測試方法，通常采用單點(diǎn)或者多點(diǎn)測量特定點(diǎn)的聲級(jí)計(jì)權(quán)的方法，測量結(jié)果較為簡單，僅能反映總體噪聲的量級(jí)大小,不能完整描述空間噪聲分布，特別是對(duì)噪聲的來源位置和貢獻(xiàn)量無法明確的給出，不利于裝備駕駛艙的噪聲防護(hù)研究和改善。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠完成駕駛艙內(nèi)穩(wěn)定噪聲的測試并可實(shí)現(xiàn)噪聲強(qiáng)度分布的聲學(xué)圖像與實(shí)物來源相匹配的手持式傳聲器陣列及其測試自行裝備駕駛艙內(nèi)噪聲分布的方法。

為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種手持式傳聲器陣列及其測試自行裝備駕駛艙內(nèi)噪聲分布的方法。

所述手持式傳聲器陣列包括平板式支架、設(shè)置在平板式支架上表面的n×n個(gè)傳聲器和攝像頭，其中n≥3；每n個(gè)傳聲器等間距組成一個(gè)水平或豎直的直線陣，所述傳聲器之間的間距分別為D，D的取值范圍是0.1～0.2m；n個(gè)直線陣平行等間距組成n×n平面正方形陣列，所述n×n平面正方形陣列的行距與所述間距相等；所述攝像頭位于所述n×n平面正方形陣列的中心點(diǎn)O。

上述手持式傳聲器陣列的傳聲器采用40PH型陣列傳聲器。

利用所述手持式傳聲器陣列測試自行裝備駕駛艙內(nèi)噪聲分布的方法包括如下步驟：

(1)建立測試平臺(tái)；

所述測試平臺(tái)包括手持式傳聲器陣列、信號(hào)調(diào)理模塊、記錄硬件模塊和上位機(jī)；將手持式傳聲器陣列中的各傳聲器以及攝像頭的輸出端分別接信號(hào)調(diào)理模塊的相應(yīng)輸入端；所述信號(hào)調(diào)理模塊的輸出端分別接所述記錄硬件模塊和上位機(jī)的相應(yīng)輸入端；

(2)對(duì)測試平臺(tái)進(jìn)行調(diào)試，確認(rèn)測試平臺(tái)可靠運(yùn)行后發(fā)動(dòng)自行裝備，待自行裝備持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間T，使待測自行裝備駕駛艙內(nèi)噪聲穩(wěn)定后，即可進(jìn)行自行裝備駕駛艙內(nèi)噪聲分布測試；調(diào)試時(shí)，所述手持式傳聲器陣列置于待測自行裝備駕駛艙內(nèi)任一位置；其中T≥60s；

(3)確定自行裝備駕駛艙內(nèi)噪分布情況：

以所述n×n平面正方形陣列的中心點(diǎn)O為原點(diǎn)O(0,0)，建立坐標(biāo)系；所述手持式傳聲器陣列中第i個(gè)傳聲器記為M_i，其位置向量為其中i＝1,2，…，n²，然后進(jìn)行下述操作：

(3-1)確定噪聲信號(hào)到達(dá)第i個(gè)傳聲器M_i與到達(dá)原點(diǎn)O(0,0)的時(shí)間差τ_i；來自方向的噪聲信號(hào)到達(dá)第i個(gè)傳聲器M_i與到達(dá)原點(diǎn)O(0,0)的時(shí)間差τ_i的計(jì)算公式如下：

在(式1)中，為原點(diǎn)O(0,0)到聲源平面中待測區(qū)域的向量；為第i個(gè)傳聲器M_i到原點(diǎn)O(0,0)的位置向量；c為即時(shí)聲速；

(3-2)確定頻域形式的聲源強(qiáng)度

來自方向的頻域形式的聲源強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

在(式2)中，ω為聲信號(hào)的圓頻率；w_i為傳聲器的特征系數(shù)；p_i為傳聲器測得的聲信號(hào)聲壓值；其中i＝1,2，…，n²；

(3-3)確定聲源的平面波束形成能量輸出；

第i個(gè)傳聲器M_i的轉(zhuǎn)向向量計(jì)算公式如下：

在(式3)中，k為聲信號(hào)的波數(shù)，k＝ω/c；

來自方向的頻率為ω的波束形成能量輸出計(jì)算公式如下：

在(式4)中，C_ij為第i個(gè)傳聲器M_i和第j個(gè)傳聲器M_j的采集信號(hào)互譜，其中，i和j均為1,2，…，n²；i≠j；為第i個(gè)傳聲器M_i的轉(zhuǎn)向向量；為第j個(gè)傳聲器M_j的轉(zhuǎn)向向量；(3-4)確定聲源平面的實(shí)物噪聲分布

利用位于所述n×n平面正方形陣列的中心點(diǎn)O的攝像頭，拍攝聲源平面的實(shí)物光學(xué)圖像；在待分析的頻率為ω處，將原點(diǎn)O(0,0)到聲源的向量末端按照逐行掃描的順序掃描整個(gè)聲源平面，按步驟(3-1)、(3-1)、(3-3)分別計(jì)算出向量所對(duì)應(yīng)的聲源平面位置噪聲的波束形成能量輸出再把聲源平面每個(gè)位置的能量按照位置排布，得到頻率為ω時(shí)的噪聲分布強(qiáng)度云圖；調(diào)節(jié)噪聲分布強(qiáng)度云圖的圖片參數(shù)，使其透明度調(diào)整至50％，即半透明程度后，將噪聲分布強(qiáng)度云圖與聲源的實(shí)物光學(xué)圖像進(jìn)行合并疊加，使噪聲分布強(qiáng)度云圖處于頂層，實(shí)物圖像處于底層，即可得到聲源的實(shí)物噪聲分布。

所述信號(hào)調(diào)理模塊采用PM60B型的信號(hào)調(diào)理器；所述采集記錄模塊采用PXIe-4499型數(shù)據(jù)采集卡；所述上位機(jī)采用PXIe-8135型控制器。

本發(fā)明的技術(shù)效果：本發(fā)明提出的傳聲器陣列構(gòu)建方法，將n²個(gè)性質(zhì)相同的傳聲器等間距且等行距的組成n×n的平面正方形陣列，這種傳聲器陣列能夠在狹小密閉的駕駛艙內(nèi)進(jìn)行有效的測試；本發(fā)明提出的方法能夠獲得駕駛艙內(nèi)噪聲的聲學(xué)分布圖像，并與攝像頭獲取的實(shí)物光學(xué)圖像進(jìn)行重合，即可以得到駕駛艙內(nèi)不同位置的實(shí)物噪聲強(qiáng)度分布；由本發(fā)明得到的結(jié)果實(shí)時(shí)、直觀、準(zhǔn)確，且操作簡單，只需手持傳聲器陣列在駕駛艙內(nèi)進(jìn)行信號(hào)和視頻采集即可，具有良好的實(shí)用及推廣價(jià)值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明手持式傳聲器陣列結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明測試平臺(tái)的電路原理框圖。

圖3為本發(fā)明聲信號(hào)傳播路徑示意圖。

在圖1-3中，1、平板式支架，2、傳聲器，3、攝像頭，5、聲源區(qū)域，6、聲波。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖1-3及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說明。

本發(fā)明采用小型手持式傳聲器陣列，能夠完成駕駛艙內(nèi)穩(wěn)定噪聲的測試，形成噪聲強(qiáng)度分布的聲學(xué)圖像，并通過和實(shí)物圖像重合，實(shí)現(xiàn)噪聲分布和實(shí)物來源的匹配。

一、構(gòu)建傳聲器陣列

在平板式支架1上，布置n×n個(gè)傳聲器2，組成n×n平面正方形陣列，傳聲器2采用GRAS公司的40PH型陣列傳聲器。如圖1-2所示，取n＝4，則手持式傳聲器陣列包括16個(gè)傳聲器，4個(gè)傳聲器等間距組成一個(gè)直線陣，間距為D；4個(gè)直線陣平行等間距組成4×4的平面正方形陣，行距為D，D根據(jù)測試需求確定，此處取D＝0.1m。

二、設(shè)置視頻攝像頭

在平面正方形陣列的幾何中心點(diǎn)O，布置一個(gè)視頻攝像頭3。

測試平臺(tái)電路原理框圖如圖2所示，傳聲器2和攝像頭3分別與信號(hào)調(diào)理模塊、采集記錄模塊和上位機(jī)相連接。其中，信號(hào)調(diào)理模塊使用聲傳科技的PM60B型信號(hào)調(diào)理器；采集記錄模塊使用NI公司的PXIe-4499型數(shù)據(jù)采集卡；上位機(jī)使用NI公司的PXIe-8135型控制器。對(duì)測試平臺(tái)進(jìn)行調(diào)試并確認(rèn)可靠后，操作人員發(fā)動(dòng)自行裝備，持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間待駕駛艙內(nèi)噪聲穩(wěn)定后，即可進(jìn)行測試。

三、確定自行裝備駕駛艙內(nèi)噪聲分布情況：

以傳聲器陣列平面正方形陣列的幾何中心點(diǎn)O為原點(diǎn)O(0,0)，建立坐標(biāo)系。

傳聲器陣列中的第i個(gè)傳聲器記為M_i(i＝1,2,…,16)，其位置向量分別為然后進(jìn)行下述操作：

1)確定噪聲信號(hào)到達(dá)第i個(gè)傳聲器M_i與到達(dá)原點(diǎn)O(0,0)的時(shí)間差τ_i(i＝1,2,…,16)；來自方向的噪聲信號(hào)到達(dá)第i個(gè)傳聲器M_i與到達(dá)原點(diǎn)O(0,0)的時(shí)間差τ_i的計(jì)算公式如下：

在上式中，為原點(diǎn)O(0,0)到聲源平面中待測區(qū)域的向量；為第i個(gè)傳聲器M_i到原點(diǎn)O(0,0)的位置向量；c為即時(shí)聲速；

2)確定頻域形式的聲源強(qiáng)度

來自方向的頻域形式的聲源強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

在上式中，ω為聲信號(hào)的圓頻率；w_i為傳聲器的特征系數(shù)；p_i為傳聲器測得的聲信號(hào)聲壓值；其中i＝1,2,…,16；

3)確定聲源的平面波束形成能量輸出：

第i個(gè)傳聲器M_i的轉(zhuǎn)向向量計(jì)算公式如下：

在上式中，k為聲信號(hào)的波數(shù)，k＝ω/c；

來自方向的頻率為ω的波束形成能量輸出計(jì)算公式如下：

在上式中，C_ij為第i個(gè)傳聲器M_i和第j個(gè)傳聲器M_j的采集信號(hào)互譜，其中，i和j均為1,2，…,16，且i≠j；為第i個(gè)傳聲器M_i的轉(zhuǎn)向向量；為第j個(gè)傳聲器M_j的轉(zhuǎn)向向量；

4)對(duì)準(zhǔn)傳聲器陣列和攝像頭的匹配關(guān)系

在使用4×4平面正方形陣列的傳聲器陣列對(duì)駕駛艙內(nèi)噪聲進(jìn)行測試之前，需要將傳聲器陣列和視頻攝像頭進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，保證測試結(jié)果和光學(xué)圖像的位置能夠正確匹配。

設(shè)置兩個(gè)高度和位置均不同的單聲源，使用固定頻率w₀的白噪聲作為聲源信號(hào)持續(xù)發(fā)聲，發(fā)聲穩(wěn)定后進(jìn)行測試并拍攝光學(xué)圖像。在頻率ω₀處，將原點(diǎn)到聲源的向量末端按照逐行掃描的順序掃描整個(gè)聲源平面，按步驟1)、2)、3)分別計(jì)算出聲源平面每個(gè)位置聲音的相對(duì)能量輸出，進(jìn)行匯總形成頻率為ω₀時(shí)的噪聲分布強(qiáng)度云圖。將噪聲強(qiáng)度分布云圖與聲源的實(shí)物光學(xué)圖像進(jìn)行對(duì)比，并根據(jù)對(duì)比結(jié)果調(diào)整攝像頭的位置及焦距，確保在后期使用中傳聲器陣列測試結(jié)果和攝像頭拍攝圖像能夠正確匹配；

5)確定聲源平面的實(shí)物噪聲分布

使用陣列中心的視頻攝像頭，拍攝聲源平面的實(shí)物光學(xué)圖像；在待分析的頻率ω處，ω的取值范圍是20～3000Hz，將原點(diǎn)到聲源的向量末端按照逐行掃描的順序掃描整個(gè)聲源平面，按步驟1)、2)、3)分別計(jì)算出聲源平面每個(gè)位置聲音的相對(duì)能量輸出，進(jìn)行匯總形成頻率為ω時(shí)的噪聲分布強(qiáng)度云圖；調(diào)節(jié)噪聲分布云圖的透明度至半透明程度后，與聲源的實(shí)物光學(xué)圖像進(jìn)重疊，即可得到聲源的實(shí)物噪聲分布。本發(fā)明提出的噪聲測試方法能夠有效地獲得駕駛艙內(nèi)不同位置的實(shí)物噪聲分布。

以上所述實(shí)施方式僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，而并非本發(fā)明可行實(shí)施例的窮舉。對(duì)于本領(lǐng)域一般技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明原理和精神的前提下對(duì)其所作出的任何顯而易見的改動(dòng)，都應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。