專利名稱：一種利用隨機(jī)陣實(shí)現(xiàn)混響聲場(chǎng)聚焦的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲場(chǎng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，本發(fā)明特別涉及一種利用隨機(jī)陣實(shí) 現(xiàn)混響聲場(chǎng)聚焦的方法。
背景技術(shù)：
聲場(chǎng)聚焦就是使空間某個(gè)期望區(qū)域內(nèi)的聲強(qiáng)度盡可能增大，并且使該區(qū)域之外 其他任意位置點(diǎn)處的聲強(qiáng)度盡可能減小。為實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)聚焦，通常是通過(guò)調(diào)整陣元的 幅度和相位，以改變陣列輻射功率的空間分布，使之輻射出的功率最大程度地落在 期望區(qū)域內(nèi)，并盡可能減少該功率向其他區(qū)域的泄露。聲場(chǎng)聚焦能夠?qū)⒙曇艨刂圃?某個(gè)期望區(qū)域內(nèi)，使該區(qū)域內(nèi)達(dá)到最佳的接收效果，并且避免了聲音對(duì)其他區(qū)域造 成的干擾。
當(dāng)聲源在混響環(huán)境下發(fā)聲時(shí)，由于邊界面的反射和散射效應(yīng)，會(huì)使得接收信號(hào) 中包含著很多的多徑分量，由于這些多徑分量的干擾，會(huì)使得傳統(tǒng)的基于自由空間 格林函數(shù)假設(shè)的聲場(chǎng)控制方法不再有效。對(duì)于存在混響情況下的聲場(chǎng)控制問(wèn)題，目 前存在的解決方法是通過(guò)計(jì)算或估計(jì)得出信號(hào)從源點(diǎn)到接收點(diǎn)傳輸時(shí)的格林函數(shù)， 找出格林函數(shù)在空間上增益最大的方向，調(diào)整陣元的幅度和相位，使陣列導(dǎo)向到格 林函數(shù)的最大增益方向上，從而在接收點(diǎn)處得到最大的聲強(qiáng)度。
這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)混響聲場(chǎng)的聚焦，但是該方法計(jì)算復(fù)雜，計(jì)算量大，得出的 格林函數(shù)與實(shí)際情況還有一定的誤差，而且要求陣元之間的頻響一致，這就需要進(jìn) 行陣元頻響的測(cè)量和校正，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常麻煩；同時(shí)，要求知道陣元間的幾何結(jié)構(gòu)
關(guān)系，當(dāng)陣列因外界因素出現(xiàn)幾何形變而與先驗(yàn)知識(shí)不相符合時(shí)，會(huì)引入一定的誤 差。如果要求在非常小的空間范圍內(nèi)產(chǎn)生聚焦斑，采用該方法則需要很大的陣元數(shù) 目才能達(dá)到這種期望的效果。
鑒于上述方法存在的一些缺點(diǎn)，因此，需要尋找更為簡(jiǎn)便有效的方法來(lái)解決混 響聲場(chǎng)的聚焦問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有聲場(chǎng)聚焦方法的缺陷，從而提出了一種利用隨機(jī) 陣實(shí)現(xiàn)混響聲場(chǎng)聚焦的方法，該方法通過(guò)將接收信號(hào)進(jìn)行時(shí)域反轉(zhuǎn)后重新由隨機(jī)陣 列發(fā)射會(huì)在接收點(diǎn)處產(chǎn)生空時(shí)域聚焦的原理，實(shí)現(xiàn)了陣元隨機(jī)布置、陣元間頻響存 在差異時(shí)的混響聲場(chǎng)聚焦。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，如圖25所示，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下歩驟
1) 隨機(jī)陣列發(fā)射源信號(hào)，與此同時(shí)開(kāi)始記錄期望位置點(diǎn)處傳聲器采集的接收信
號(hào)；
2) 對(duì)記錄下來(lái)的接收信號(hào)進(jìn)行時(shí)域反轉(zhuǎn)和幅度放大處理；
3) 將步驟2)中放大的時(shí)域反轉(zhuǎn)信號(hào)再次由隨機(jī)陣列發(fā)射，從而在期望位置點(diǎn) 處產(chǎn)生聲聚焦。
所述隨機(jī)陣列的所有陣元同步發(fā)射相同信號(hào)，是要求所有陣元的發(fā)射信號(hào)相同， 在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，各陣元通道之間不需要保持其獨(dú)立性，所有陣元可以并聯(lián)起來(lái)，由 同一個(gè)通道分配給各陣元相同的信號(hào)，這樣會(huì)節(jié)省信號(hào)處理的通道數(shù)，簡(jiǎn)化硬件實(shí) 現(xiàn)。
以下對(duì)本發(fā)明的每個(gè)步驟作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明 1、所述步驟l)中，具體實(shí)現(xiàn)如下
假設(shè)在封閉空間內(nèi)有M個(gè)隨機(jī)放置的陣元，在期望聚焦位置點(diǎn)處放置一個(gè)傳聲 器單元。假設(shè)陣元的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為- 、(w)"p,(w)^'""似，傳聲器單元的
系統(tǒng)傳遞函數(shù)為H《。(w)-^^w)e、，考慮到多徑效應(yīng)，從第m個(gè)陣元到期望聚焦
uy w J 從
G ,(M,w) = J4,(w)^', 1 ^M
點(diǎn)處的格林函數(shù)為 。假設(shè)這些隨機(jī)放置的陣
元同時(shí)發(fā)射相同的信號(hào)^w)，則在期望聚焦點(diǎn)處傳聲器接收的信號(hào)為
《(r。, w)=藝(w)Gm (r , ， r。, (mOS(w)
=￡《,i《(w)^'《(w)e氣S(mO
m=l '.=1
式中4 《=《+ ,,。2、 所述步驟2)中，具體實(shí)現(xiàn)如下
根據(jù)時(shí)間反轉(zhuǎn)方法，將接收信號(hào)進(jìn)行時(shí)域反轉(zhuǎn)，也相當(dāng)于在頻域取共軛，同時(shí)， 假設(shè)對(duì)接收信號(hào)的幅度放大倍數(shù)為A，則進(jìn)行時(shí)域反轉(zhuǎn)和幅度放大后的接收信號(hào)表 示為
i ; &, w)"藝《M"藝《(咖a ^ (w)
3、 所述步驟3)中，具體實(shí)現(xiàn)如下
將時(shí)域反轉(zhuǎn)和幅度放大后的信號(hào)再次從所有陣元同時(shí)發(fā)射出去，則在期望聚焦
點(diǎn)處接收的信號(hào)為
=(藝4,藝《(mV & )g:z《(咖-底藝《(咖—?dú)?g * (w)
附=1 /=1 ^=1
M 乂" , ,2 W ， 乂"
=(2K IK + "夂("I Z Z《(《(蚱
m=l /=] '.=1 ./=1，
)力
M M W附W
附=]w=l， 7=1
假設(shè)從第w個(gè)陣元到期望聚焦點(diǎn)之外其他位置點(diǎn)處的格林函數(shù)為.-
G,Z，w) = 2>& (一，B附S M
^ ，那么在期望聚焦點(diǎn)之外其他位置點(diǎn)處接收的
瑪,一、)
信號(hào)為:
A ", w)=(Z夂Z &《'《(—e—見(jiàn)S《， )gf (w)
m=l /=1 附=1 /=1
m=i w=i, '=i y=i
比較A"，w)和^"，w)，可以看出時(shí)間反轉(zhuǎn)操作能夠在期望位置點(diǎn)處使對(duì)應(yīng)于
兩次傳輸?shù)膬蓚€(gè)格林函數(shù)所包含的多徑分量之間進(jìn)行同相疊加，實(shí)現(xiàn)了多徑分量的
相干積累，從而在期望位置點(diǎn)處產(chǎn)生聚焦斑；而在期望位置點(diǎn)之外的其他位置上，由于對(duì)應(yīng)于兩次傳輸?shù)膬蓚€(gè)格林函數(shù)所包含的多徑分量之間存在很少的相關(guān)性，不 會(huì)出現(xiàn)多徑分量的相干積累現(xiàn)象，這使得期望位置點(diǎn)之外的其他位置上聲強(qiáng)度會(huì)有 明顯的降低。當(dāng)增加陣元數(shù)量時(shí)，能夠逐漸提高聚焦點(diǎn)處的聲強(qiáng)度，從而得到高聲 強(qiáng)聚焦。由于本發(fā)明提供的方法中存在著在期望位置點(diǎn)處對(duì)應(yīng)于兩次傳輸?shù)膬蓚€(gè)相 同的格林函數(shù)頻譜之間進(jìn)行共軛乘積，這使得傳輸延遲引起的相位旋轉(zhuǎn)因子和陣元 本身引起的相位旋轉(zhuǎn)因子完全被完全抵消掉，從而使得隨機(jī)放置的未進(jìn)行頻響一致 性校正的多個(gè)陣元能夠在期望位置點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)聲壓的同相疊加，得以提高聲壓強(qiáng)度。
本發(fā)明的所述隨機(jī)陣列是在混響環(huán)境下發(fā)射信號(hào)，該混響環(huán)境越復(fù)雜，得到的 聲場(chǎng)聚焦效果越好，且所述隨機(jī)陣列的相鄰陣元間距并不受半波長(zhǎng)尺度的限制，陣 元間距可以任意選擇。本發(fā)明的所述步驟O或/和步驟3)中，所述隨機(jī)陣列的所有 陣元是隨機(jī)布放的，不需要測(cè)量陣元位置和間距，陣列流形未知；所述隨機(jī)陣列的 所有陣元同步發(fā)射相同的信號(hào)；所述隨機(jī)陣列的所有陣元未進(jìn)行過(guò)頻響補(bǔ)償，陣元 的頻響之間存在著一定的差異。在未知陣元之間的幾何間距關(guān)系和未進(jìn)行陣元之間 的頻響一致性校正的前提下，本發(fā)明所提供的方法能夠?qū)崿F(xiàn)期望位置點(diǎn)處的聲聚焦。 所述步驟l)中，所述期望位置點(diǎn)處的接收信號(hào)中包含著豐富的多徑分量，當(dāng)這些多 徑分量再次發(fā)射時(shí)，會(huì)在期望聚焦點(diǎn)處得到相干積累，從而實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)聚焦。
所述各陣元的頻響之間存在著一定的差異，是指各換能器單元之間的幅度和相 位響應(yīng)差異，并不影響算法的有效性。由于該算法中包含著信道傳輸函數(shù)與其共軛 的乘積項(xiàng)，這個(gè)乘積因子會(huì)消除各個(gè)換能器單元的相位響應(yīng)差異，而各單元的幅度 響應(yīng)差異僅僅會(huì)決定該單元對(duì)聚焦點(diǎn)處聲壓提高貢獻(xiàn)程度的大小。
與傳統(tǒng)的線陣列時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦方法相比較，在陣元數(shù)相同的情況下，所述聲聚 焦的聚焦斑尺度會(huì)稍小于線陣的聚焦斑尺度，所述聲聚焦的空域分辨率會(huì)稍大于線 陣聚焦的空域分辨率。
作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述步驟l)中，所述源信號(hào)是加窗的單頻正弦脈沖信 號(hào)，其頻率在可聽(tīng)聲或超聲頻率范圍內(nèi)。
作為本發(fā)明的技術(shù)方案的一種優(yōu)選，所述步驟2)中，所述幅值放大需要將接收 信號(hào)放大到與步驟l)中所述源信號(hào)具有同等的幅度。
作為本發(fā)明的技術(shù)方案的又一種優(yōu)選，所述步驟3)中，所述聲聚焦是指近似的 在以期望位置點(diǎn)為球心，以步驟l)中所述源信號(hào)的波長(zhǎng)為直徑的球形空間區(qū)域內(nèi)， 接收信號(hào)的空時(shí)域聚焦效果明顯，在脫離該 域之外的其他位置點(diǎn)上聚焦變得比較 模糊。作為本發(fā)明的再一種改進(jìn)，所述隨機(jī)陣的所有陣元并聯(lián)起來(lái)，由同一個(gè)通道分 配給各陣元相同的信號(hào)。
作為本發(fā)明的還一種改進(jìn)，所謂幅度放大處理就是對(duì)接收信號(hào)用其幅度的最大 值做歸一化，得到歸一化后的時(shí)域反轉(zhuǎn)信號(hào)。
本發(fā)明的方法通過(guò)將接收信號(hào)進(jìn)行時(shí)域反轉(zhuǎn)后重新由隨機(jī)陣列發(fā)射會(huì)在接收點(diǎn) 處產(chǎn)生空時(shí)域聚焦的原理，實(shí)現(xiàn)了陣元隨機(jī)布置、陣元間頻響存在差異時(shí)的混響聲 場(chǎng)聚焦，在聲場(chǎng)控制和音頻工程中的具有應(yīng)用價(jià)值。
具體有如下優(yōu)點(diǎn)-
A. 陣元隨機(jī)布放，不需要測(cè)量陣元位置和間距，在未知陣列流形的情況下能夠 實(shí)現(xiàn)期望點(diǎn)處的聲場(chǎng)聚焦。
B. 陣元的頻響不需要測(cè)量和校正，當(dāng)陣元之間存在頻響差異時(shí)，由于本發(fā)明利 用了信道傳輸函數(shù)與其共軛的乘積因子，完全消除了陣元之間因相位差異所產(chǎn)生的 聚焦模糊，而幅度差異僅影響陣元對(duì)聚焦點(diǎn)聲壓提高的貢獻(xiàn)程度。
C. 所有陣元都發(fā)射相同的信號(hào)，多個(gè)陣元可以并聯(lián)起來(lái)由同一個(gè)信號(hào)處理通道 驅(qū)動(dòng)，不需要考慮各陣元通道之間的獨(dú)立性，節(jié)省了信號(hào)處理的通道數(shù)，簡(jiǎn)化了硬 件實(shí)現(xiàn)。
D. 本發(fā)明采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的計(jì)算或估計(jì)方法，求取源點(diǎn)與接收點(diǎn)之 間的傳輸函數(shù)，解除了計(jì)算負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單快捷，便于實(shí)時(shí)處理。
E. 本發(fā)明采用的隨機(jī)陣列，陣元間距突破了傳統(tǒng)上相鄰陣元間距小于半波長(zhǎng)的 限制，陣元間距可以任意選擇。
F. 與傳統(tǒng)的線陣列時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦方法相比較，在陣元數(shù)相同的情況下，隨機(jī)陣 聚焦的空域分辨率會(huì)稍大于線陣聚焦的空域分辨率。
G. 本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)混響環(huán)境下的聲聚焦，這使得本發(fā)明所提供方法能夠應(yīng)用 到復(fù)雜傳播環(huán)境(如室內(nèi)環(huán)境、水下環(huán)境)下的通信、探測(cè)、識(shí)別等領(lǐng)域。
H. 本發(fā)明通過(guò)增加隨機(jī)布放的陣元數(shù)量，能夠在期望點(diǎn)處得到高聲強(qiáng)聚焦，為 高聲強(qiáng)的獲取提供了一種簡(jiǎn)單可行的方法。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中混響室內(nèi)4元隨機(jī)陣和傳聲器布放示意圖； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例2中混響室內(nèi)4元隨機(jī)陣和傳聲器布放示意圖； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例3中混響室內(nèi)4元線陣和傳聲器布放示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例1中4元隨機(jī)陣發(fā)射的單周期單頻加窗正弦脈沖信號(hào)波形
圖5是本發(fā)明實(shí)施例1中當(dāng)4元隨機(jī)陣發(fā)射脈沖信號(hào)時(shí)在期望位置點(diǎn)處接收的 信號(hào)示意圖6是本發(fā)明實(shí)施例1中對(duì)期望位置點(diǎn)處的接收信號(hào)進(jìn)行時(shí)域反轉(zhuǎn)和幅度放大 處理后的信號(hào)示意圖7是本發(fā)明實(shí)施例1中當(dāng)4元隨機(jī)陣發(fā)射放大的時(shí)域反轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)在期望位置 點(diǎn)處接收的聚焦信號(hào)示意圖8是本發(fā)明實(shí)施例1中當(dāng)4元隨機(jī)陣發(fā)射放大的時(shí)域反轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)在期望位置 點(diǎn)正前方12 cm處接收的信號(hào)示意圖9是本發(fā)明實(shí)施例1中當(dāng)4元隨機(jī)陣發(fā)射放大的時(shí)域反轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)傳聲器2接 收的聚焦信號(hào)聲壓峰值隨距離變化的示意圖10、 11和12是本發(fā)明實(shí)施例2中當(dāng)發(fā)射信號(hào)頻率為600 Hz、 1000 Hz、 3000 Hz時(shí)，4元隨機(jī)陣的聚焦信號(hào)聲壓峰值分別在X軸、Y軸和Z軸上歸一化的分布曲 線；
圖13、 14和15是本發(fā)明實(shí)施例3中當(dāng)線陣放在揚(yáng)聲器0所處位置源信號(hào)頻率 為600 Hz、 1000 Hz、 3000 Hz時(shí)，4元線陣的聚焦信號(hào)聲壓峰值與4元隨機(jī)陣的聚 焦信號(hào)聲壓峰值分別在X軸、Y軸和Z軸上歸一化的分布曲線；
圖16、 17和18是本發(fā)明實(shí)施例3中當(dāng)線陣放在揚(yáng)聲器1所處位置源信號(hào)頻率 為600 Hz、 1000 Hz、 3000 Hz時(shí)，4元線陣的聚焦信號(hào)聲壓峰值與4元隨機(jī)陣的聚 焦信號(hào)聲壓峰值分別在X軸、Y軸和Z軸上歸一化的分布曲線；
圖19、 20和21是本發(fā)明實(shí)施例3中當(dāng)線陣放在揚(yáng)聲器2所處位置源信號(hào)頻率 為600 Hz、 1000 Hz、 3000 Hz時(shí)，4元線陣的聚焦信號(hào)聲壓峰值與4元隨機(jī)陣的聚 焦信號(hào)聲壓峰值分別在X軸、Y軸和Z軸上歸一化的分布曲線；
圖22、 23和24是本發(fā)明實(shí)施例3中當(dāng)線陣放在揚(yáng)聲器3所處位置源信號(hào)頻率 為600 Hz、 1000 Hz、 3000 Hz時(shí)，4元線陣的聚焦信號(hào)聲壓峰值與4元隨機(jī)陣的聚 焦信號(hào)聲壓峰值分別在X軸、Y軸和Z軸上歸一化的分布曲線；
圖25是本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明。本發(fā)明的基本構(gòu)思是利用隨機(jī)陣實(shí)現(xiàn)混響聲場(chǎng)的聚焦。傳統(tǒng)聚焦方法需要精確 知道陣列流形并要求保證陣元間頻響嚴(yán)格一致，本發(fā)明突破了傳統(tǒng)方法的限制，提 出了在陣元隨機(jī)布放和陣元間存在頻響差異的情況下，利用時(shí)間反轉(zhuǎn)方法實(shí)現(xiàn)混響 聲場(chǎng)的聚焦。
為了更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描
述
實(shí)施例1:
在本實(shí)施例中，如圖1所示，在混響室(長(zhǎng)5.1m、寬4.9m、高4.0m)的地面 上隨機(jī)放置了 4個(gè)功率均為20 W的揚(yáng)聲器單元組成陣列，在期望聚焦點(diǎn)處放置一個(gè) 傳聲器單元，用于測(cè)量期望點(diǎn)處的接收信號(hào)，在該聚焦點(diǎn)的正前方放置另一個(gè)傳聲 器，按3cm間隔不斷向前移動(dòng)該傳聲器的位置，用于測(cè)量期望位置點(diǎn)之外其他位置 點(diǎn)上的聚焦信號(hào)。利用丹麥B&K公司的Pulse儀器記錄兩個(gè)傳聲器采集的接收信號(hào)， 并在PC機(jī)的matlab軟件上編寫(xiě)代碼實(shí)現(xiàn)對(duì)Pulse儀器記錄的對(duì)應(yīng)于期望聚焦點(diǎn)處的 接收信號(hào)進(jìn)行時(shí)域反轉(zhuǎn)和幅度放大處理。
本實(shí)施例的具體實(shí)施過(guò)程包括以下幾步
1) 首先設(shè)定音頻信號(hào)的采樣率為44100 Hz，采樣位數(shù)為16bits,在matlab軟 件上編寫(xiě)代碼生成加窗單頻正弦脈沖信號(hào)，然后將得到的脈沖信號(hào)送給Pulse儀器， 再由Pulse輸入四元隨機(jī)陣播放，同時(shí)由Pulse儀器記錄期望點(diǎn)處傳聲器采集的接收 信號(hào)序列。加窗單頻正弦脈沖信號(hào)的生成過(guò)程如下首先生成一個(gè)352點(diǎn)的1 KHz 單周期正弦信號(hào)序列，然后與一個(gè)352點(diǎn)的漢寧窗函數(shù)序列點(diǎn)乘，得到一個(gè)352點(diǎn) 的加窗單頻正弦脈沖序列，如圖4所示。在得到的脈沖序列的頭部和尾部分別添加 持續(xù)時(shí)間為3s的空序列，然后送到Pulse儀器由4元隨機(jī)陣播放，同時(shí)Pulse開(kāi)始 記錄期望聚焦點(diǎn)處持續(xù)時(shí)間為20 s的接收信號(hào)，如圖5所示。
2) 在matlab上編寫(xiě)代碼對(duì)Pulse儀器記錄的期望位置點(diǎn)處接收信號(hào)做時(shí)域反 轉(zhuǎn)和幅度放大處理。所謂幅度放大處理就是對(duì)接收信號(hào)用其幅度的最大值做歸一化， 得到歸一化后的時(shí)域反轉(zhuǎn)信號(hào)，如圖6所示。
3) 將歸一化后的時(shí)域反轉(zhuǎn)信號(hào)送到Pulse儀器再由4元隨機(jī)陣同時(shí)播放該信號(hào)， 與此同時(shí)由Pulse儀器開(kāi)始記錄放置在期望位置點(diǎn)和在該點(diǎn)正前方12 cm處的兩個(gè)傳 聲器采集的接收信號(hào)(記錄時(shí)間為20s，如圖7和圖8所示)。
在4元隨機(jī)陣發(fā)射時(shí)，對(duì)比圖7和圖8能夠看出在期望位置點(diǎn)聚焦的聲壓信號(hào) 主瓣區(qū)峰值在1.15 P a (約92.3 dB)，旁瓣區(qū)的最大峰值在0.183 Pa (約76.2 dB)， 主副瓣聲壓差約為16.1 dB;而在在期望位置點(diǎn)正前方12 cm處接收的聲壓信號(hào)主瓣區(qū)峰值在0.243 Pa (約78.8 dB)，旁瓣區(qū)的最大峰值在0.178 Pa (約76.1 dB)，主副
瓣聲壓差約為2.70dB。在期望位置點(diǎn)處得到的接收信號(hào)主瓣向副瓣的過(guò)渡比較陡峭， 主副瓣差異比較大，而在該點(diǎn)正前方12 cm處得到的接收信號(hào)主瓣向副瓣過(guò)渡比較 平緩，主副瓣差異比較小，這說(shuō)明本發(fā)明提供的方法能夠在期望位置點(diǎn)上取得比較 好的時(shí)域聚焦效果，而在遠(yuǎn)離該點(diǎn)12 cm處的接收信號(hào)時(shí)域聚焦變得模糊。在期望 位置點(diǎn)處聲壓信號(hào)主瓣區(qū)峰值比該點(diǎn)正前方12 cm處聲壓信號(hào)主瓣區(qū)峰值大13.5 dB;而期望位置點(diǎn)處聲壓信號(hào)旁瓣區(qū)峰值比該點(diǎn)正前方12 cm處聲壓信號(hào)旁瓣區(qū)峰 值僅大0.100 dB。在期望位置點(diǎn)和其正前方12 cm處的接收信號(hào)主瓣區(qū)峰值差異比 較大，而旁瓣區(qū)峰值差異比較小，這說(shuō)明本發(fā)明提供的方法能夠取得較好的空域聚 焦效果，具有較高的空間分辨率。
同樣按照上述3個(gè)歩驟，當(dāng)測(cè)量間距(沿期望位置點(diǎn)的正前方移動(dòng)傳聲器2的 距離，如圖1所示)按3 cm間隔從0 cm逐漸增加到30 cm時(shí)，分別記錄下?lián)P聲器0、 揚(yáng)聲器l、揚(yáng)聲器2、揚(yáng)聲器3、揚(yáng)聲器0和1、揚(yáng)聲器0、 l和2、揚(yáng)聲器0、 1、 2 和3工作時(shí)的聚焦信號(hào)，并畫(huà)出聚焦信號(hào)聲壓峰值隨測(cè)量間距變化的曲線圖，如圖9 所示。根據(jù)圖9可以看出，揚(yáng)聲器O工作時(shí)在期望位置點(diǎn)處的聲壓峰值約為79.0 dB， 揚(yáng)聲器O和1同時(shí)工作時(shí)在該點(diǎn)處的聲壓峰值約為85.0 dB，可見(jiàn)增加揚(yáng)聲器1使得 該點(diǎn)處的聲壓峰值提高了 6.00 dB，揚(yáng)聲器0、 1和2同時(shí)工作時(shí)在該點(diǎn)處的聲壓峰 值約為89.7 dB，可見(jiàn)增加揚(yáng)聲器2使得該點(diǎn)處的聲壓峰值提高了 4.70 dB，揚(yáng)聲器0、 1、 2和3同時(shí)工作時(shí)在該點(diǎn)處的聲壓峰值約為92.3 dB，可見(jiàn)增加揚(yáng)聲器3時(shí)使得該 點(diǎn)處的聲壓峰值提高了2.60dB，這說(shuō)明增加揚(yáng)聲器陣元的數(shù)量，能夠逐漸提高期望 聚焦點(diǎn)處的聲壓峰值。揚(yáng)聲器l單獨(dú)工作時(shí)在該點(diǎn)處的聲壓峰值約為78.4dB，揚(yáng)聲 器2單獨(dú)工作時(shí)在該點(diǎn)處的聲壓峰值約為77.6 dB，比揚(yáng)聲器1單獨(dú)工作時(shí)在該點(diǎn)處 的聲壓峰值少了 0.800 dB，揚(yáng)聲器3單獨(dú)工作時(shí)在該點(diǎn)處的聲壓峰值約為76.4 dB， 比揚(yáng)聲器1單獨(dú)工作時(shí)在該點(diǎn)處的聲壓峰值少了 2.00 dB，這說(shuō)明每個(gè)揚(yáng)聲器單元對(duì) 期望位置點(diǎn)處聲壓提高的貢獻(xiàn)程度是不一樣的，揚(yáng)聲器單元3因距離期望位置點(diǎn)稍 遠(yuǎn)，信號(hào)在傳播過(guò)程中的幅度衰減稍大，從而導(dǎo)致該揚(yáng)聲器單元工作時(shí)對(duì)聚焦點(diǎn)處 聲壓提高的貢獻(xiàn)較小，僅使聚焦點(diǎn)處的聲壓幅度提高了2.60dB;而揚(yáng)聲器單元l和 2因到期望位置點(diǎn)的距離稍近，信號(hào)在傳播過(guò)程中幅度衰減較小，從而使這兩個(gè)揚(yáng)聲 器單元工作時(shí)對(duì)聚焦點(diǎn)聲壓幅度提高的貢獻(xiàn)較大。通過(guò)觀察圖9可以看出，當(dāng)?shù)狡?望位置點(diǎn)的間距超過(guò)18.0cm以后，聲壓幅度的變化趨于平緩，而本實(shí)施例所用的源 信號(hào)頻率在lKHz，其半波長(zhǎng)約為17.0cm，這說(shuō)明本發(fā)明所提供方法具有源信號(hào)一 個(gè)波長(zhǎng)尺度的空間分辨率，所生成的聚焦聲場(chǎng)近似位于以期望位置點(diǎn)為球心，以源信號(hào)一個(gè)波長(zhǎng)尺度為直徑的球形空間內(nèi)。
本實(shí)施例中雖然采用了l KHz加窗正弦脈沖信號(hào)作為源信號(hào)，并采用揚(yáng)聲器單 元組成隨機(jī)陣列，但這僅僅是對(duì)本發(fā)明所提供方法的一個(gè)舉例說(shuō)明，并不限定本發(fā) 明所提供方法僅適用在可聽(tīng)聲頻率范圍內(nèi)。事實(shí)上，本發(fā)明所提供方法能夠?qū)陕?tīng) 聲或超聲頻率范圍內(nèi)的源信號(hào)實(shí)現(xiàn)混響環(huán)境下的聲聚焦。
實(shí)施例2:
在本實(shí)施例中，如圖2所示，4個(gè)揚(yáng)聲器單元隨機(jī)放置在混響室的地面上，同樣 按照實(shí)施例1所述的三個(gè)步驟分別對(duì)頻率為600 Hz、 1000 Hz、 3000 Hz的單周期正 弦脈沖信號(hào)進(jìn)行4元隨機(jī)陣的混響聲場(chǎng)聚焦實(shí)驗(yàn)。
當(dāng)傳聲器單元按3 cm間隔沿X軸、Y軸和Z軸方向滑動(dòng)時(shí)，分別測(cè)量出這三種 頻率源信號(hào)所對(duì)應(yīng)聚焦信號(hào)的聲壓峰值在三個(gè)坐標(biāo)軸上隨距離差(傳聲器所處位置 與期望聚焦點(diǎn)之間的距離)的變化曲線。圖10、 11和12分別給出了頻率為600 Hz、 1000 Hz、 3000Hz的源信號(hào)所對(duì)應(yīng)聚焦信號(hào)的聲壓峰值在X軸、Y軸和Z軸上歸一 化的分布曲線。
對(duì)比這些曲線，可以看出由隨機(jī)陣生成的聚焦斑，其空域尺度會(huì)隨著源信號(hào)頻 率的增加而減小，并且近似地等于源信號(hào)的一個(gè)波長(zhǎng)尺度；同時(shí)，聲壓分布曲線的 旁瓣幅值也會(huì)隨著源信號(hào)頻率的增加而減小，這是由于頻率越高的信號(hào)在空間傳播 時(shí)幅度衰減越快而造成的。
實(shí)施例3:
在本實(shí)施例中，如圖3所示，在混響室內(nèi)，4元線陣列分別放置在實(shí)施例2中提 到的4個(gè)揚(yáng)聲器單元所在位置點(diǎn)處，同樣按照實(shí)施例1所述的三個(gè)步驟，在這4個(gè) 位置點(diǎn)處分別對(duì)頻率為600 Hz、 1000 Hz、 3000 Hz的單周期正弦脈沖信號(hào)進(jìn)行4元 線陣的混響聲場(chǎng)聚焦實(shí)驗(yàn)，并對(duì)比4元線陣與4元隨機(jī)陣的混響聲場(chǎng)聚焦實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
當(dāng)傳聲器單元按3 cm間隔沿X軸、Y軸和Z軸方向滑動(dòng)時(shí)，分別測(cè)量出這三種 頻率源信號(hào)所對(duì)應(yīng)聚焦信號(hào)的聲壓峰值在三個(gè)坐標(biāo)軸上隨距離差(傳聲器所處位置 與期望聚焦點(diǎn)之間的距離)的變化曲線。圖13、 14和15是當(dāng)線陣放置在揚(yáng)聲器O 所在位置點(diǎn)處，源信號(hào)頻率分別為600 Hz、 1000 Hz、 3000 Hz時(shí)，4元線陣的聚焦 信號(hào)聲壓峰值歸一化曲線與4元隨機(jī)陣的歸一化曲線在X軸、Y軸和Z軸上的對(duì)比 圖；同樣，圖16、 17和18是當(dāng)線陣放置在揚(yáng)聲器1所在位置點(diǎn)處，源信號(hào)頻率分 別為600 Hz、 1000 Hz、 3000 Hz時(shí)，4元線陣與4元隨機(jī)陣的聚焦信號(hào)聲壓峰值歸一化曲線在X軸、Y軸和Z軸上的對(duì)比圖；圖19、 20和21是當(dāng)線陣放置在揚(yáng)聲器 2所在位置點(diǎn)處，源信號(hào)頻率分別為600 Hz、 1000 Hz、 3000 Hz時(shí)，4元線陣與4元 隨機(jī)陣的聚焦信號(hào)聲壓峰值歸一化曲線在X軸、Y軸和Z軸上的對(duì)比圖；圖22、 23 和24是當(dāng)線陣放置在揚(yáng)聲器3所在位置點(diǎn)處，源信號(hào)頻率分別為600Hz、 1000 Hz、 3000 Hz時(shí)，4元線陣與4元隨機(jī)陣的聚焦信號(hào)聲壓峰值歸一化曲線在X軸、Y軸和 Z軸上的對(duì)比圖。
比較這些曲線可以看出，4元隨機(jī)陣產(chǎn)生的聚焦斑尺度稍小于4元線陣產(chǎn)生的聚 焦斑尺度，這說(shuō)明4元隨機(jī)陣聚焦的空域分辨率稍大于4元線陣的空域分辨率，這 也可以說(shuō)明在陣元數(shù)相同的情況下，隨機(jī)陣聚焦的空域分辨率會(huì)稍大于線陣聚焦的 空域分辨率。
最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管 參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明 的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均 應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1、一種利用隨機(jī)陣實(shí)現(xiàn)混響聲場(chǎng)聚焦的方法，該方法包括步驟1)隨機(jī)陣列在混響環(huán)境下同步發(fā)射相同源信號(hào)，與此同時(shí)開(kāi)始記錄期望位置點(diǎn)處的傳聲器采集的接收信號(hào)；2)對(duì)記錄下來(lái)的接收信號(hào)進(jìn)行時(shí)域反轉(zhuǎn)和幅度放大處理；3)將步驟2)中放大的時(shí)域反轉(zhuǎn)信號(hào)再次由隨機(jī)陣列發(fā)射，從而在期望位置點(diǎn)處產(chǎn)生聲聚焦。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用隨機(jī)陣實(shí)現(xiàn)混響聲場(chǎng)聚焦的方法，其特征在于， 所述步驟l)包括假設(shè)在封閉空間內(nèi)有M個(gè)隨機(jī)放置的陣元，在期望聚焦位置點(diǎn)處放置一個(gè)傳聲 器單元；假設(shè)陣元的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為ha(w) = 4.(w)eM'''^"M，傳聲器單元的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為A。(W) = \(W)eM'°;考慮到多徑效應(yīng)，從第m個(gè)陣元到期望聚焦點(diǎn)處的格林函數(shù)為/=1 假設(shè)這些隨機(jī)放置的陣元同時(shí)發(fā)射相同的信號(hào)S(w)，則在期望聚焦點(diǎn)處傳聲器接收的信號(hào)為<formula>formula see original document page 2</formula>
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用隨機(jī)陣實(shí)現(xiàn)混響聲場(chǎng)聚焦的方法，其特征在于， 所述步驟2)包括根據(jù)時(shí)間反轉(zhuǎn)方法，將接收信號(hào)進(jìn)行時(shí)域反轉(zhuǎn)，也相當(dāng)于在頻域取共軛，同時(shí)，假設(shè)對(duì)接收信號(hào)的幅度放大倍數(shù)為A,則進(jìn)行時(shí)域反轉(zhuǎn)和幅度放大后的接收信號(hào)表 示為
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用隨機(jī)陣實(shí)現(xiàn)混響聲場(chǎng)聚焦的方法，其特征在于，所述步驟3)為將時(shí)域反轉(zhuǎn)和幅度放大后的信號(hào)再次從所有陣元同時(shí)發(fā)射出去，則在期望聚焦點(diǎn)處接收的信號(hào)為<formula>formula see original document page 3</formula>，
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用隨機(jī)陣實(shí)現(xiàn)混響聲場(chǎng)聚焦的方法，其特征在于， 所述步驟l)中，所述源信號(hào)是加窗的單頻正弦脈沖信號(hào)，其頻率在可聽(tīng)聲或超聲頻 率范圍內(nèi)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用隨機(jī)陣實(shí)現(xiàn)混響聲場(chǎng)聚焦的方法，其特征在于， 所述步驟2)中，所述幅值放大是將接收信號(hào)放大到與歩驟l)中所述源信號(hào)具有同 等的幅度。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用隨機(jī)陣實(shí)現(xiàn)混響聲場(chǎng)聚焦的方法，其特征在于， 所述步驟3)中，所述聲聚焦是指近似的在以期望位置點(diǎn)為球心，以步驟l)中所述 源信號(hào)的波長(zhǎng)為直徑的球形空間區(qū)域內(nèi)，接收信號(hào)的空時(shí)域聚焦效果明顯。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用隨機(jī)陣實(shí)現(xiàn)混響聲場(chǎng)聚焦的方法，其特征在于， 所述隨機(jī)陣的所有陣元并聯(lián)起來(lái)，由同一個(gè)通道分配給各陣元相同的信號(hào)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用隨機(jī)陣實(shí)現(xiàn)混響聲場(chǎng)聚焦的方法，其特征在于， 所謂幅度放大處理就是對(duì)接收信號(hào)用其幅度的最大值做歸一化，得到歸一化后的時(shí) 域反轉(zhuǎn)信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用隨機(jī)陣實(shí)現(xiàn)混響聲場(chǎng)聚焦的方法，該方法包括如下步驟1)隨機(jī)陣列在混響環(huán)境下同步發(fā)射相同源信號(hào)，與此同時(shí)開(kāi)始記錄期望位置點(diǎn)處的傳聲器采集的接收信號(hào)；2)對(duì)記錄下來(lái)的接收信號(hào)進(jìn)行時(shí)域反轉(zhuǎn)和幅度放大處理；3)將步驟2)中放大的時(shí)域反轉(zhuǎn)信號(hào)再次由隨機(jī)陣列發(fā)射，從而在期望位置點(diǎn)處產(chǎn)生聲聚焦。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是可以隨機(jī)布放陣元；可以完全消除陣元間因相位差異產(chǎn)生的聚焦模糊；采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的計(jì)算或估計(jì)方法求取源點(diǎn)與期望聚焦點(diǎn)之間的格林函數(shù)，解除了計(jì)算負(fù)擔(dān)；陣元間距突破了半波長(zhǎng)的限制；在陣元數(shù)相同的情況下，隨機(jī)陣聚焦的空域分辨率會(huì)稍大于線陣聚焦的空域分辨率。
文檔編號(hào)G10K11/00GK101615392SQ20081011555
公開(kāi)日2009年12月30日 申請(qǐng)日期2008年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月25日
發(fā)明者正 匡, 軍 楊, 馬登永 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所