[发明专利]一种高压水射流靶物识别传声器阵列优化设计方法

权利要求书

1.一种高压水射流靶物识别传声器阵列优化设计方法，弧型传声器阵列中传声器均匀在分布在一个圆弧上，由三个传声器均匀分布在圆弧O、A、B三点上，中间的传声器作为直角坐标系的原点，两边均匀分布等数量的传声器。

其中P为声源的位置，∠BOx为α，为两个相邻传声器连线与x轴正半轴的夹角，α取不同的值表示不同直径的圆弧。∠POx为θ，即声源、中间传声器连线与x轴正半轴的夹角。m为两个相邻传声器的距离，m和α为传声器阵列的参数。R为声源与中间传感器的距离，求出R和θ的值可得出声源在坐标系中的位置。根据几何关系可得出下列关系式：

$cos(\mathrm{\θ}-\mathrm{\α})=\frac{R^2+m^2-{(R-c\·{\mathrm{\τ}}_1)}^2}{2\×R\×m}$

其中，m------两侧传声器距中间传声器的距离；

τ₁-------右边传声器与中间传声器的时间差；

τ_-1-------左边传声器与中间传声器的时间差。

由上述两种传声器阵列定位原理可知，计算出声源到每个传声器的时间延迟，可以根据时延估计法可得出声源的位置，因此准确计算出每个传声器之间的时间差对于精确估计生源位置非常重要。

广义互相关时延估计法(GCC)是一种经典的时延估计方法。它是通过建立两个传声器接收到的信号间的互相关函数，取其峰值位置来获得时延估计。两个传声器接收到的信号间的互相关函数R_0i(τ)可表示如下：

R_0i(τ)＝E[x₀(t)x_i(t-τ)]

式中E(·)表示数学期望，x₀(t)和x_i(t-τ)分别表示标号为0和i的传感器在t时刻采集到的靶物反射声信号，τ为两信号间的时延。

由于不同靶物对应的高压水射流反射声不同，因此可以对每个传声器采集的信号进行处理，提取反映靶物的信号进行互相关函数运算，进而计算出公式中的τ，即可得到某种靶物反射声传递至两个传声器之间的时间差，进而判断出声源(靶物)的位置。

2.根据权利要求1所述的一种高压水射流靶物识别传声器阵列优化设计方法采用YG-201型传声器阵列，结合NI公司的LabVIEW软件和USB6229采集卡，搭建高压水射流靶物反射声数据采集与靶物定位仿真实验系统，由传声器阵列、数据采集卡、信号调理器和计算机组成。数据采集与处理软件采用LabVIEW和Matlab语言进行编程，进行声源的定位仿真实验。由于高压水射流喷嘴阵列在进一步改进完善中，本文采用摆放能够敲击发出声音的物体模拟高压水射流所探测的靶物，利用敲击物体产生的声音模拟靶物反射声，摆放在传声器阵列对面不同位置进行靶物模拟仿真定位实验。实验时，改变圆弧形传声器阵列的相应参数，组建不同尺寸的传声器阵列进行实验。根据高压水射流靶物反射声的频率范围，本实验装置数据采样频率为50KHz。

3.根据权利要求1所述的一种高压水射流靶物识别传声器阵列优化设计方法，传声器阵列采集的信号处理和靶物定位程序利用LabVIEW进行编制，其中两传声器之间的时间差利用提取出计算得到的互相关函数信号最大值处的索引得到，进而可以根据公式(1)-(4)，分别计算得到靶物(声源)在两种传声器阵列和探测坐标系中的位置。

利用圆弧型传声器阵列进行实验时，也适利用三个传声器组成传声器阵列。相邻传声器的间距分别取150mm、200mm、250mm、300mm，对应的圆周角分别取30°、45°、60°，组成12组不同的圆弧型传声器阵列进行实验，利用数据处理软件处理的实验结果。