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褚教授專欄 | 波束形成聲源識(shí)別技術(shù)
2024/08/20 15:00-16:00
8月20日噪聲源識(shí)別網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)
波束形成聲源識(shí)別技術(shù)是利用一組傳聲器構(gòu)成的陣列測(cè)量聲壓信號(hào)，基于特定方法后處理測(cè)得的聲壓信號(hào)來(lái)獲取被測(cè)對(duì)象表面的聲學(xué)成像圖，通過(guò)匹配光學(xué)照片等方式來(lái)確定聲源，又名“聲學(xué)照相機(jī)”，具有測(cè)量速度快、因適宜中遠(yuǎn)距離測(cè)量而易于布置等優(yōu)勢(shì)，在噪聲源識(shí)別、目標(biāo)探測(cè)、故障診斷等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，自1974年由 Billingsley 和Kinns提出至今一直備受關(guān)注。
傳聲器陣列的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定波束形成聲源識(shí)別的空間范圍和應(yīng)用場(chǎng)景。平面和球面是最常用的傳聲器陣列結(jié)構(gòu)形式。平面?zhèn)髀暺麝嚵械乃袀髀暺鞴财矫?，幾何形狀有矩形網(wǎng)格形、圓環(huán)形、螺旋形、Fibonacci形、扇形輪形等；球面?zhèn)髀暺麝嚵械乃袀髀暺鞴睬蛎?，幾何形狀有開(kāi)口球和剛性球。
平面?zhèn)髀暺麝嚵羞m宜識(shí)別陣列前方局部區(qū)域內(nèi)聲源，典型應(yīng)用場(chǎng)景包括發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源識(shí)別、道路及軌道車輛通過(guò)噪聲源識(shí)別等。憑借旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性好和聲場(chǎng)記錄全面，球面?zhèn)髀暺麝嚵心?60°全景識(shí)別聲源，適宜在艙室等封閉環(huán)境內(nèi)使用，典型應(yīng)用場(chǎng)景包括汽車及高速列車車內(nèi)噪聲源識(shí)別等。
傳聲器陣列測(cè)量聲壓信號(hào)的后處理方法決定波束形成聲源識(shí)別的性能。延遲求和（delay and sum, DAS）和球諧函數(shù)波束形成（spherical harmonics beamforming，SHB）是常用的傳統(tǒng)方法。平面?zhèn)髀暺麝嚵胁捎肈AS；球面?zhèn)髀暺麝嚵欣碚撋霞瓤刹捎肈AS 可采用SHB，實(shí)際上主要采用SHB（低頻表現(xiàn)更佳）。
兩種方法均離散目標(biāo)聲源區(qū)域形成一組聚焦網(wǎng)格點(diǎn)，聚焦各網(wǎng)格點(diǎn)時(shí)，DAS根據(jù)聚焦點(diǎn)位置或方向?qū)Ω鱾髀暺鳒y(cè)量的聲壓信號(hào)進(jìn)行“相位對(duì)齊”和“求和運(yùn)算”，SHB根據(jù)聚焦點(diǎn)位置或方向?qū)髀暺鳒y(cè)量聲壓信號(hào)的各階次球傅里葉變換系數(shù)進(jìn)行“模態(tài)強(qiáng)度及球諧函數(shù)縮放”和“求和運(yùn)算”，基于“一組復(fù)數(shù)加和的模在各復(fù)數(shù)同相位時(shí)最大”的原理和球諧函數(shù)的正交性，二者均能在聲源位置或方向輸出極大值。這些極大值雖能指示聲源，但與非聲源位置或方向處的輸出值差異不顯著，最終導(dǎo)致圍繞聲源位置或方向形成具有一定寬度的“主瓣”且在其他位置或方向形成高水平的“旁瓣”，主瓣寬度影響空間分辨能力，旁瓣形成寄生虛假聲源，使結(jié)果分析承受不確定性，故DAS和SHB均可看作低性能方法。
突破DAS和SHB的性能局限、發(fā)展高性能方法對(duì)提高聲源識(shí)別精度和完善聲源識(shí)別功能具有重要意義。自波束形成技術(shù)誕生至今，對(duì)高性能聲源識(shí)別方法的探索從未間斷且方興未艾，包括本文作者在內(nèi)的大批國(guó)內(nèi)外學(xué)者都致力于該主題的研究并取得豐碩成果。
8月20日（周二）下午3:00-4:00，褚教授將主講《噪聲源識(shí)別》網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)，屆時(shí)將介紹聲強(qiáng)及選擇性聲強(qiáng)、平面?zhèn)髀暺麝嚵新曉醋R(shí)別技術(shù)、球面?zhèn)髀暺麝嚵新曉醋R(shí)別技術(shù)及其他新型聲源識(shí)別技術(shù)。
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