基于声压球谐函数分解的球面波束形成噪声源识别

    0 引 言

    目前基于声场成像技术识别内场噪声源的方法主要有声强法、近场声全息技术、平面相控阵列技术及球阵列技术等。单层近场声全息阵列与平面相控阵列由于受到自由声场假设条件及传声器布置的限制，只能分析在阵列前方的一个受限声场区域，不能定位其他方向的声源，亦无法消除阵列后方壁板反射的影响[1-4]，进而引起阵列输出声场成像结果的混淆，甚至可能得到完全错误的声场成像结果和声源识别结论，因此，在应用于诸如汽车驾驶室等舱内噪声源识别时受到极大的限制[5-6]。声强法虽可用于近场测量，但存在测量过程复杂、测量速度慢、难于消除声强探头后方声源的影响等诸多缺点[7-8]。双层全息阵列能够对来源于阵列前后方的声音进行有效分离，进而准确识别出位于阵列前方的声源大小及其贡献，因此可用于室内混响场条件[6]，但受传声器阵列尺寸的限制，使其对真实结构存在不易测量的区域，且测量速度较慢，因此不适合对诸如汽车驾驶室等大尺寸复杂结构进行完整测量和声源成像[2]。而球阵列由于其特殊的球结构使其具有很大的灵活性，能够对三维空间所有方向进行声源定位，且测量速度高，能够同时识别入射噪声和反射噪声，可以用于任意的声场环境，进而成为目前内场噪声源识别领域的新型方法[10-21]。

    对球阵列的研究，Meyer 和 Elko 提出了基于声压球谐函数分解的球麦克风阵列基本原理，即将信号的处理过程划分为“分解”及“波束形成”两部分[11]。在此基础上，Boaz Rafaely给出了球阵列采样方案和测量过程中各种误差的综合理论分析，并提出了连续型球麦克风阵列的设计[12-16]。Lin Zhibin, Xu Bolin 研究了球麦克风阵列求解多声源情况下球散射声场球谐系数的方法，并利用遗传算法对阵列球面麦克风位置进行了设计优化[17]。利用白噪声增益（White Noise Gain）约束，Zhiyun Li，RamaniDuraiswami 提出了阵列计权优化方法用于实现球阵列波束形成指向性与鲁棒性间的平衡[18-19]。Shefeng Yan，Haohai Sun 等提出了基于球谐函数的阵列响应优化方法，通过将球阵列计权向量设计转化为一组矩阵化表达的约束问题，以实现指向性系数、鲁棒性、阵列增益及旁瓣水平等因素间的平衡[20-21]。

    本文基于平面波假设，以 50通道球麦克风阵列为例，通过对其进行性能仿真，分析比较了截断长度、声源频率及声源位置等不同参数对球阵列性能的影响。在此基础上，开发了阵列性能分析及声源识别成像软件，不仅可以用于对阵列进行声源成像仿真，也为设计性能良好的球麦克风阵列提供了有力依据。