小型差分傳聲器陣列安裝誤差分析

小型差分傳聲器陣列安裝誤差分析

1單元誤差對陣列性能的影響差分檢測器序列具有抑制遠場干擾噪聲的功能，可以廣泛應用于免除語音通信和輔助聽力系統(tǒng)。小型近講差分傳聲器陣列由幾個傳聲器單元在一個小范圍內按照一定空間分布安裝而成，由于它在噪聲環(huán)境下具有良好的信號采集性能，因此越來越受到研究人員的關注。在小型近講差分傳聲器陣列的實驗中，位置誤差引起的單元相位誤差會對陣列性能產(chǎn)生影響。主要通過提出互相關法和相位法2種位置校準方法，對小型傳聲器差分陣列單元的相對位置進行測量及校準，以提高陣列單元位置安裝的精度，確保陣列實驗結果的可靠性。2小體積、小接觸單元差分對陣列安裝誤差的影響差分陣列單元一般采用全指向性單元，n個全指向性的傳聲器可組成（n-1）階的差分陣列。簡單的一階差分陣列由2個傳聲器單元組成，如圖1所示。由于現(xiàn)代通信及電子技術的迅速發(fā)展，小型差分傳聲器陣列在強噪聲環(huán)境下的應用引起廣大研究人員的興趣。處在球面波聲場中的差分傳聲器陣列，具有明顯的近講效應，即采集相對近場的聲信號，抵消相對遠場的噪聲。這里所說的相對近場和相對遠場都滿足活塞輻射遠場r>>a2/λ的條件。例如聲源線度為2cm，聲波頻率為1000Hz，距離聲源大約1.2cm以外的聲場都可認為是遠場。假定某陣列是由若干個傳聲器差分對組成，并使用延時相加的波束形成技術。由于進行小型差分傳聲器陣列實驗的器材尺寸很小，因此對傳聲器差分對單元的安裝精度要求很高。理想情況是測試裝置位于起始位置時，聲源到達每個差分對的2個單元聲程差都是零，但有時由于單元不共面，或差分對的中心偏離，從而引起傳聲器安裝誤差，如圖2所示。下面的研究表明，不共面的影響要比旋轉中心偏離的影響大。首先考慮差分傳聲器陣列物理中心和旋轉中心偏離Δ在相對遠場和相對近場情況下對陣列性能的影響。圖3(a）和圖3(b）分別模擬了聲源距離陣列中心10cm和1m，單元間距為4cm的某二單元差分陣列指向性測量結果，陣列靈敏度分別進行過歸一化。實線表示在相同的測試條件下傳聲器單元位置安裝精確的陣列指向性，虛線表示物理中心偏離旋轉中心Δ=2mm的陣列指向性。極角表示旋轉角度，極軸的幅值為陣列輸出信號的大小?？煽闯霾罘謱Φ闹行奈恢米兓顚ο鄬h場的指向性測試結果沒有產(chǎn)生明顯影響，但是對差分陣列相對近場的指向性測試結果產(chǎn)生了影響。雖然變化不是很明顯，但在相對近場的條件下還是需要注意安裝誤差帶來的影響。圖2中顯示了陣列單元不共面的情況，即某一對差分單元在起始位置就有一定的偏轉。指向性測試結果如圖4所示，實線表示陣列單元共面的測試結果，虛線表示單元不共面的測試結果?？煽闯鲈摬罘謧髀暺鲗Φ闹赶蛐圆煌诰_安裝的陣列指向性，從而對整個陣列的指向性也會產(chǎn)生影響。以上分析表明，為了提高實驗精度，有必要對差分陣列進行位置校準。3傳聲器單元的差分使用延時相加波束形成技術的差分小陣列的信號處理對陣列單元的相位特別是高頻相位的要求非常嚴格。傳聲器尤其是駐極體傳聲器生產(chǎn)工藝的逐步提高，使得傳聲器單元本身的相位差小于由聲波傳播引起的相位差。優(yōu)質的傳聲器相位差可控制在0.2°以下，而聲波傳播1～2mm的聲程差在1kHz處引起的相位差有1～2°。在相關的研究中使用的陣列總共有4個差分對。通過用互相關法和相位法2種校準方法，測量了陣列單元零相差方向角的變化，準確得到了陣列單元相對位置的校準值，因而有效地實現(xiàn)了陣列單元位置的校準。3.1采樣率過時間差測量模型可通過以下2種方法得到陣列單元之間的相對位置信息：(1）把一對傳聲器同步采集的信號進行互相關，尋找互相關信號最大值，得到2信號之間的延時τ，再乘以聲傳播速度c0得到相對位置間距d=c0τ。(2）測量一對傳聲器同步采集的信號相位差Δφ，根據(jù)頻率f和聲傳播速度c0得到這一對傳聲器的位置間隔d=C0Δφ/（2πf）。通過互相關求2個信號的延時是常用的方法，τ是采樣間隔的整數(shù)倍。若采用如圖2的實驗裝置進行測試，聲源距離2傳聲器連線中心O點為8cm，傳聲器間隔為3.5cm，聲速取340m/s。該實驗需要2傳聲器沿虛線所示軌跡以O為圓心旋轉一周，每相隔10°以fs=48kHz的采樣率進行一次錄音，并分析這一組錄音信號序列之間的時間差τn，即聲波抵達傳聲器的時間差。相鄰2個數(shù)據(jù)記錄點（對應旋轉角相差10°）的時間差變化率τn-τn-1(n=1,2，…，36）如圖5所示，虛線表示對應采樣率下的最小時間分辨率1/fs，可看出互相關的方法無法區(qū)分τn和τn-1之間的變化，所以用它來分析2支傳聲器的相對位置的精度也會受到限制。分析2組信號的相位差同樣可得到聲波抵達2傳聲器單元的時間差，理論上這個相位差包含了聲傳播路程和傳聲器單元的相位差。中科院聲學所的研究表明，傳聲器的相位差異對這2組信號延時的影響可忽略，或者可等效為聲程差的影響。兩組序列的頻率及相位精度會受到采樣頻率和序列長度的限制，而插值DFT的方法可彌補這一缺陷。使用插值DFT方法可在相對低的頻率分辨率下還原信號的真實頻譜。通過DFT分析序列的頻率分辨率是Δf=1/（NΔt），其中N是序列的長度，fs=1/Δt是采樣頻率。實現(xiàn)插值DFT的方法如下其中f是信號的頻率，φ是該頻率的相位，L是信號頻譜的最大值點，Δf=1/（NΔt）是頻率分辨率，而δ的求解由頻譜最大值X(L）和相鄰的次大值X(L+i）決定其中，i可以是1或-1。3.2單元安裝位置誤差的校準按照上面提到的方法將該陣列旋轉一周，可獲得連續(xù)變化的陣列單元相對位置Δr，通過分析Δr的變化，可得到陣列單元安裝的精度信息。圖6是某陣列4組差分對傳聲器單元距離聲源的聲程差隨旋轉角變化的曲線。實線表示實測的聲程差變化曲線，虛線表示精確安裝的單元之間的聲程差變化曲線。如果陣列安裝無誤，單元間的零相差應該發(fā)生在起始位置。可看出通過相位法分析傳聲器相對位置差的精度要比互相關法分析的精度高。在比較細致的安裝條件下，陣列單元的位置誤差在可接受的范圍內，如單元1-2，單元5-6。從圖中可看出單元7-8的零相差位置不在起始位置，單元3-4的安裝也存在輕微偏差。單元3-4在起始位置離開聲源的位置誤差都小于單元7-8。因此需要對這2組單元進行校準。根據(jù)前面所述，假設這個偏差是由傳聲器中心偏離旋轉中心引起的（如圖7所示），2個傳聲器間距是d，點聲源距離傳聲器陣列中心位置r。如果傳聲器中心偏離旋轉中心Δ，則傳聲器圍繞連線中心旋轉360°，在傳聲器連線的垂線轉過的角度為θ時，從聲源到2個傳聲器的聲傳播路程分別為則聲波抵達2傳聲器的聲程差，若零聲程差對應它的零相差點不在0°或180°，而在處，利用θ及r可求出傳聲器對的物理中心偏離旋轉中心的距離Δ。并可據(jù)此調整傳聲器對的位置。而根據(jù)單元7-8的零相差點θ≈37°，這時Δ=rsinθ>d，假設是由于中心偏離，偏離程度應該是4.8cm，這一結果大于差分對單元本身的尺寸3.5cm，因此中心偏離不是引起這一現(xiàn)象的原因。如果將共面的差分對一開始就旋轉37°，可得到產(chǎn)生同樣偏差的測量結果，因此判斷該差分傳聲器對和其它傳聲器不在同一個平面。觀察實驗裝置也證實了這一判斷。經(jīng)過調整并比較調整后的陣列指向性和未經(jīng)調整的陣列指向性，發(fā)現(xiàn)有明顯的改善，如圖8所示。4