小型差分传声器阵列安装误差分析

小型差分传声器阵列安装误差分析

1单元误差对阵列性能的影响差分检测器序列具有抑制远场干扰噪声的功能，可以广泛应用于免除语音通信和辅助听力系统。小型近讲差分传声器阵列由几个传声器单元在一个小范围内按照一定空间分布安装而成，由于它在噪声环境下具有良好的信号采集性能，因此越来越受到研究人员的关注。在小型近讲差分传声器阵列的实验中，位置误差引起的单元相位误差会对阵列性能产生影响。主要通过提出互相关法和相位法2种位置校准方法，对小型传声器差分阵列单元的相对位置进行测量及校准，以提高阵列单元位置安装的精度，确保阵列实验结果的可靠性。2小体积、小接触单元差分对阵列安装误差的影响差分阵列单元一般采用全指向性单元，n个全指向性的传声器可组成（n-1）阶的差分阵列。简单的一阶差分阵列由2个传声器单元组成，如图1所示。由于现代通信及电子技术的迅速发展，小型差分传声器阵列在强噪声环境下的应用引起广大研究人员的兴趣。处在球面波声场中的差分传声器阵列，具有明显的近讲效应，即采集相对近场的声信号，抵消相对远场的噪声。这里所说的相对近场和相对远场都满足活塞辐射远场r>>a2/λ的条件。例如声源线度为2cm，声波频率为1000Hz，距离声源大约1.2cm以外的声场都可认为是远场。假定某阵列是由若干个传声器差分对组成，并使用延时相加的波束形成技术。由于进行小型差分传声器阵列实验的器材尺寸很小，因此对传声器差分对单元的安装精度要求很高。理想情况是测试装置位于起始位置时，声源到达每个差分对的2个单元声程差都是零，但有时由于单元不共面，或差分对的中心偏离，从而引起传声器安装误差，如图2所示。下面的研究表明，不共面的影响要比旋转中心偏离的影响大。首先考虑差分传声器阵列物理中心和旋转中心偏离Δ在相对远场和相对近场情况下对阵列性能的影响。图3(a）和图3(b）分别模拟了声源距离阵列中心10cm和1m，单元间距为4cm的某二单元差分阵列指向性测量结果，阵列灵敏度分别进行过归一化。实线表示在相同的测试条件下传声器单元位置安装精确的阵列指向性，虚线表示物理中心偏离旋转中心Δ=2mm的阵列指向性。极角表示旋转角度，极轴的幅值为阵列输出信号的大小。可看出差分对的中心位置变化偏差对相对远场的指向性测试结果没有产生明显影响，但是对差分阵列相对近场的指向性测试结果产生了影响。虽然变化不是很明显，但在相对近场的条件下还是需要注意安装误差带来的影响。图2中显示了阵列单元不共面的情况，即某一对差分单元在起始位置就有一定的偏转。指向性测试结果如图4所示，实线表示阵列单元共面的测试结果，虚线表示单元不共面的测试结果。可看出该差分传声器对的指向性不同于精确安装的阵列指向性，从而对整个阵列的指向性也会产生影响。以上分析表明，为了提高实验精度，有必要对差分阵列进行位置校准。3传声器单元的差分使用延时相加波束形成技术的差分小阵列的信号处理对阵列单元的相位特别是高频相位的要求非常严格。传声器尤其是驻极体传声器生产工艺的逐步提高，使得传声器单元本身的相位差小于由声波传播引起的相位差。优质的传声器相位差可控制在0.2°以下，而声波传播1～2mm的声程差在1kHz处引起的相位差有1～2°。在相关的研究中使用的阵列总共有4个差分对。通过用互相关法和相位法2种校准方法，测量了阵列单元零相差方向角的变化，准确得到了阵列单元相对位置的校准值，因而有效地实现了阵列单元位置的校准。3.1采样率过时间差测量模型可通过以下2种方法得到阵列单元之间的相对位置信息：(1）把一对传声器同步采集的信号进行互相关，寻找互相关信号最大值，得到2信号之间的延时τ，再乘以声传播速度c0得到相对位置间距d=c0τ。(2）测量一对传声器同步采集的信号相位差Δφ，根据频率f和声传播速度c0得到这一对传声器的位置间隔d=C0Δφ/（2πf）。通过互相关求2个信号的延时是常用的方法，τ是采样间隔的整数倍。若采用如图2的实验装置进行测试，声源距离2传声器连线中心O点为8cm，传声器间隔为3.5cm，声速取340m/s。该实验需要2传声器沿虚线所示轨迹以O为圆心旋转一周，每相隔10°以fs=48kHz的采样率进行一次录音，并分析这一组录音信号序列之间的时间差τn，即声波抵达传声器的时间差。相邻2个数据记录点（对应旋转角相差10°）的时间差变化率τn-τn-1(n=1,2，…，36）如图5所示，虚线表示对应采样率下的最小时间分辨率1/fs，可看出互相关的方法无法区分τn和τn-1之间的变化，所以用它来分析2支传声器的相对位置的精度也会受到限制。分析2组信号的相位差同样可得到声波抵达2传声器单元的时间差，理论上这个相位差包含了声传播路程和传声器单元的相位差。中科院声学所的研究表明，传声器的相位差异对这2组信号延时的影响可忽略，或者可等效为声程差的影响。两组序列的频率及相位精度会受到采样频率和序列长度的限制，而插值DFT的方法可弥补这一缺陷。使用插值DFT方法可在相对低的频率分辨率下还原信号的真实频谱。通过DFT分析序列的频率分辨率是Δf=1/（NΔt），其中N是序列的长度，fs=1/Δt是采样频率。实现插值DFT的方法如下其中f是信号的频率，φ是该频率的相位，L是信号频谱的最大值点，Δf=1/（NΔt）是频率分辨率，而δ的求解由频谱最大值X(L）和相邻的次大值X(L+i）决定其中，i可以是1或-1。3.2单元安装位置误差的校准按照上面提到的方法将该阵列旋转一周，可获得连续变化的阵列单元相对位置Δr，通过分析Δr的变化，可得到阵列单元安装的精度信息。图6是某阵列4组差分对传声器单元距离声源的声程差随旋转角变化的曲线。实线表示实测的声程差变化曲线，虚线表示精确安装的单元之间的声程差变化曲线。如果阵列安装无误，单元间的零相差应该发生在起始位置。可看出通过相位法分析传声器相对位置差的精度要比互相关法分析的精度高。在比较细致的安装条件下，阵列单元的位置误差在可接受的范围内，如单元1-2，单元5-6。从图中可看出单元7-8的零相差位置不在起始位置，单元3-4的安装也存在轻微偏差。单元3-4在起始位置离开声源的位置误差都小于单元7-8。因此需要对这2组单元进行校准。根据前面所述，假设这个偏差是由传声器中心偏离旋转中心引起的（如图7所示），2个传声器间距是d，点声源距离传声器阵列中心位置r。如果传声器中心偏离旋转中心Δ，则传声器围绕连线中心旋转360°，在传声器连线的垂线转过的角度为θ时，从声源到2个传声器的声传播路程分别为则声波抵达2传声器的声程差，若零声程差对应它的零相差点不在0°或180°，而在处，利用θ及r可求出传声器对的物理中心偏离旋转中心的距离Δ。并可据此调整传声器对的位置。而根据单元7-8的零相差点θ≈37°，这时Δ=rsinθ>d，假设是由于中心偏离，偏离程度应该是4.8cm，这一结果大于差分对单元本身的尺寸3.5cm，因此中心偏离不是引起这一现象的原因。如果将共面的差分对一开始就旋转37°，可得到产生同样偏差的测量结果，因此判断该差分传声器对和其它传声器不在同一个平面。观察实验装置也证实了这一判断。经过调整并比较调整后的阵列指向性和未经调整的阵列指向性，发现有明显的改善，如图8所示。4