專利名稱：一種利用隨機陣實現(xiàn)混響聲場聚焦的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲場控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明特別涉及一種利用隨機陣實 現(xiàn)混響聲場聚焦的方法。
背景技術(shù)：
聲場聚焦就是使空間某個期望區(qū)域內(nèi)的聲強度盡可能增大，并且使該區(qū)域之外 其他任意位置點處的聲強度盡可能減小。為實現(xiàn)聲場聚焦，通常是通過調(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。聲場聚焦能夠?qū)⒙曇艨刂圃?某個期望區(qū)域內(nèi)，使該區(qū)域內(nèi)達到最佳的接收效果，并且避免了聲音對其他區(qū)域造 成的干擾。
當聲源在混響環(huán)境下發(fā)聲時，由于邊界面的反射和散射效應(yīng)，會使得接收信號 中包含著很多的多徑分量，由于這些多徑分量的干擾，會使得傳統(tǒng)的基于自由空間 格林函數(shù)假設(shè)的聲場控制方法不再有效。對于存在混響情況下的聲場控制問題，目 前存在的解決方法是通過計算或估計得出信號從源點到接收點傳輸時的格林函數(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，從而在接收點處得到最大的聲強度。
這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)混響聲場的聚焦，但是該方法計算復(fù)雜，計算量大，得出的 格林函數(shù)與實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 行陣元頻響的測量和校正，實現(xiàn)起來非常麻煩；同時，要求知道陣元間的幾何結(jié)構(gòu)
關(guān)系，當陣列因外界因素出現(xiàn)幾何形變而與先驗知識不相符合時，會引入一定的誤 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) 目才能達到這種期望的效果。
鑒于上述方法存在的一些缺點，因此，需要尋找更為簡便有效的方法來解決混 響聲場的聚焦問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有聲場聚焦方法的缺陷，從而提出了一種利用隨機 陣實現(xiàn)混響聲場聚焦的方法，該方法通過將接收信號進行時域反轉(zhuǎn)后重新由隨機陣 列發(fā)射會在接收點處產(chǎn)生空時域聚焦的原理，實現(xiàn)了陣元隨機布置、陣元間頻響存 在差異時的混響聲場聚焦。
為實現(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) 隨機陣列發(fā)射源信號，與此同時開始記錄期望位置點處傳聲器采集的接收信
號；
2) 對記錄下來的接收信號進行時域反轉(zhuǎn)和幅度放大處理；
3) 將步驟2)中放大的時域反轉(zhuǎn)信號再次由隨機陣列發(fā)射，從而在期望位置點 處產(chǎn)生聲聚焦。
所述隨機陣列的所有陣元同步發(fā)射相同信號，是要求所有陣元的發(fā)射信號相同， 在實際應(yīng)用時，各陣元通道之間不需要保持其獨立性，所有陣元可以并聯(lián)起來，由 同一個通道分配給各陣元相同的信號，這樣會節(jié)省信號處理的通道數(shù)，簡化硬件實 現(xiàn)。
以下對本發(fā)明的每個步驟作進一步的詳細說明 1、所述步驟l)中，具體實現(xiàn)如下
假設(shè)在封閉空間內(nèi)有M個隨機放置的陣元，在期望聚焦位置點處放置一個傳聲 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個陣元到期望聚焦
uy w J 從
G ,(M,w) = J4,(w)^', 1 ^M
點處的格林函數(shù)為 。假設(shè)這些隨機放置的陣
元同時發(fā)射相同的信號^w)，則在期望聚焦點處傳聲器接收的信號為
《(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，具體實現(xiàn)如下
根據(jù)時間反轉(zhuǎn)方法，將接收信號進行時域反轉(zhuǎn)，也相當于在頻域取共軛，同時， 假設(shè)對接收信號的幅度放大倍數(shù)為A，則進行時域反轉(zhuǎn)和幅度放大后的接收信號表 示為
i ; &, w)"藝《M"藝《(咖a ^ (w)
3、 所述步驟3)中，具體實現(xiàn)如下
將時域反轉(zhuǎn)和幅度放大后的信號再次從所有陣元同時發(fā)射出去，則在期望聚焦
點處接收的信號為
=(藝4,藝《(mV & )g:z《(咖-底藝《(咖—氣)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個陣元到期望聚焦點之外其他位置點處的格林函數(shù)為.-
G,Z，w) = 2>& (一，B附S M
^ ，那么在期望聚焦點之外其他位置點處接收的
瑪,一、)
信號為:
A ", w)=(Z夂Z &《'《(—e—見S《， )gf (w)
m=l /=1 附=1 /=1
m=i w=i, '=i y=i
比較A"，w)和^"，w)，可以看出時間反轉(zhuǎn)操作能夠在期望位置點處使對應(yīng)于
兩次傳輸?shù)膬蓚€格林函數(shù)所包含的多徑分量之間進行同相疊加，實現(xiàn)了多徑分量的
相干積累，從而在期望位置點處產(chǎn)生聚焦斑；而在期望位置點之外的其他位置上，由于對應(yīng)于兩次傳輸?shù)膬蓚€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 會出現(xiàn)多徑分量的相干積累現(xiàn)象，這使得期望位置點之外的其他位置上聲強度會有 明顯的降低。當增加陣元數(shù)量時，能夠逐漸提高聚焦點處的聲強度，從而得到高聲 強聚焦。由于本發(fā)明提供的方法中存在著在期望位置點處對應(yīng)于兩次傳輸?shù)膬蓚€相 同的格林函數(shù)頻譜之間進行共軛乘積，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，從而使得隨機放置的未進行頻響一致 性校正的多個陣元能夠在期望位置點處實現(xiàn)聲壓的同相疊加，得以提高聲壓強度。
本發(fā)明的所述隨機陣列是在混響環(huán)境下發(fā)射信號，該混響環(huán)境越復(fù)雜，得到的 聲場聚焦效果越好，且所述隨機陣列的相鄰陣元間距并不受半波長尺度的限制，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，所述隨機陣列的所有 陣元是隨機布放的，不需要測量陣元位置和間距，陣列流形未知；所述隨機陣列的 所有陣元同步發(fā)射相同的信號；所述隨機陣列的所有陣元未進行過頻響補償，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)期望位置點處的聲聚焦。 所述步驟l)中，所述期望位置點處的接收信號中包含著豐富的多徑分量，當這些多 徑分量再次發(fā)射時，會在期望聚焦點處得到相干積累，從而實現(xiàn)聲場聚焦。
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，這個乘積因子會消除各個換能器單元的相位響應(yīng)差異，而各單元的幅度 響應(yīng)差異僅僅會決定該單元對聚焦點處聲壓提高貢獻程度的大小。
與傳統(tǒng)的線陣列時間反轉(zhuǎn)聚焦方法相比較，在陣元數(shù)相同的情況下，所述聲聚 焦的聚焦斑尺度會稍小于線陣的聚焦斑尺度，所述聲聚焦的空域分辨率會稍大于線 陣聚焦的空域分辨率。
作為本發(fā)明的一種改進，所述步驟l)中，所述源信號是加窗的單頻正弦脈沖信 號，其頻率在可聽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 信號放大到與步驟l)中所述源信號具有同等的幅度。
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 在以期望位置點為球心，以步驟l)中所述源信號的波長為直徑的球形空間區(qū)域內(nèi)， 接收信號的空時域聚焦效果明顯，在脫離該 域之外的其他位置點上聚焦變得比較 模糊。作為本發(fā)明的再一種改進，所述隨機陣的所有陣元并聯(lián)起來，由同一個通道分 配給各陣元相同的信號。
作為本發(fā)明的還一種改進，所謂幅度放大處理就是對接收信號用其幅度的最大 值做歸一化，得到歸一化后的時域反轉(zhuǎn)信號。
本發(fā)明的方法通過將接收信號進行時域反轉(zhuǎn)后重新由隨機陣列發(fā)射會在接收點 處產(chǎn)生空時域聚焦的原理，實現(xiàn)了陣元隨機布置、陣元間頻響存在差異時的混響聲 場聚焦，在聲場控制和音頻工程中的具有應(yīng)用價值。
具體有如下優(yōu)點-
A. 陣元隨機布放，不需要測量陣元位置和間距，在未知陣列流形的情況下能夠 實現(xiàn)期望點處的聲場聚焦。
B. 陣元的頻響不需要測量和校正，當陣元之間存在頻響差異時，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聚焦點聲壓提高的貢獻程度。
C. 所有陣元都發(fā)射相同的信號，多個陣元可以并聯(lián)起來由同一個信號處理通道 驅(qū)動，不需要考慮各陣元通道之間的獨立性，節(jié)省了信號處理的通道數(shù)，簡化了硬 件實現(xiàn)。
D. 本發(fā)明采用實驗測量方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的計算或估計方法，求取源點與接收點之 間的傳輸函數(shù)，解除了計算負擔，實現(xiàn)起來簡單快捷，便于實時處理。
E. 本發(fā)明采用的隨機陣列，陣元間距突破了傳統(tǒng)上相鄰陣元間距小于半波長的 限制，陣元間距可以任意選擇。
F. 與傳統(tǒng)的線陣列時間反轉(zhuǎn)聚焦方法相比較，在陣元數(shù)相同的情況下，隨機陣 聚焦的空域分辨率會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、識別等領(lǐng)域。
H. 本發(fā)明通過增加隨機布放的陣元數(shù)量，能夠在期望點處得到高聲強聚焦，為 高聲強的獲取提供了一種簡單可行的方法。


圖1是本發(fā)明實施例1中混響室內(nèi)4元隨機陣和傳聲器布放示意圖； 圖2是本發(fā)明實施例2中混響室內(nèi)4元隨機陣和傳聲器布放示意圖； 圖3是本發(fā)明實施例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)明實施例1中4元隨機陣發(fā)射的單周期單頻加窗正弦脈沖信號波形
圖5是本發(fā)明實施例1中當4元隨機陣發(fā)射脈沖信號時在期望位置點處接收的 信號示意圖6是本發(fā)明實施例1中對期望位置點處的接收信號進行時域反轉(zhuǎn)和幅度放大 處理后的信號示意圖7是本發(fā)明實施例1中當4元隨機陣發(fā)射放大的時域反轉(zhuǎn)信號時在期望位置 點處接收的聚焦信號示意圖8是本發(fā)明實施例1中當4元隨機陣發(fā)射放大的時域反轉(zhuǎn)信號時在期望位置 點正前方12 cm處接收的信號示意圖9是本發(fā)明實施例1中當4元隨機陣發(fā)射放大的時域反轉(zhuǎn)信號時傳聲器2接 收的聚焦信號聲壓峰值隨距離變化的示意圖10、 11和12是本發(fā)明實施例2中當發(fā)射信號頻率為600 Hz、 1000 Hz、 3000 Hz時，4元隨機陣的聚焦信號聲壓峰值分別在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)明實施例3中當線陣放在揚聲器0所處位置源信號頻率 為600 Hz、 1000 Hz、 3000 Hz時，4元線陣的聚焦信號聲壓峰值與4元隨機陣的聚 焦信號聲壓峰值分別在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)明實施例3中當線陣放在揚聲器1所處位置源信號頻率 為600 Hz、 1000 Hz、 3000 Hz時，4元線陣的聚焦信號聲壓峰值與4元隨機陣的聚 焦信號聲壓峰值分別在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)明實施例3中當線陣放在揚聲器2所處位置源信號頻率 為600 Hz、 1000 Hz、 3000 Hz時，4元線陣的聚焦信號聲壓峰值與4元隨機陣的聚 焦信號聲壓峰值分別在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)明實施例3中當線陣放在揚聲器3所處位置源信號頻率 為600 Hz、 1000 Hz、 3000 Hz時，4元線陣的聚焦信號聲壓峰值與4元隨機陣的聚 焦信號聲壓峰值分別在X軸、Y軸和Z軸上歸一化的分布曲線；
圖25是本發(fā)明方法實現(xiàn)的流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細地說明。本發(fā)明的基本構(gòu)思是利用隨機陣實現(xiàn)混響聲場的聚焦。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 出了在陣元隨機布放和陣元間存在頻響差異的情況下，利用時間反轉(zhuǎn)方法實現(xiàn)混響 聲場的聚焦。
為了更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細描
述
實施例1:
在本實施例中，如圖1所示，在混響室(長5.1m、寬4.9m、高4.0m)的地面 上隨機放置了 4個功率均為20 W的揚聲器單元組成陣列，在期望聚焦點處放置一個 傳聲器單元，用于測量期望點處的接收信號，在該聚焦點的正前方放置另一個傳聲 器，按3cm間隔不斷向前移動該傳聲器的位置，用于測量期望位置點之外其他位置 點上的聚焦信號。利用丹麥B&K公司的Pulse儀器記錄兩個傳聲器采集的接收信號， 并在PC機的matlab軟件上編寫代碼實現(xiàn)對Pulse儀器記錄的對應(yīng)于期望聚焦點處的 接收信號進行時域反轉(zhuǎn)和幅度放大處理。
本實施例的具體實施過程包括以下幾步
1) 首先設(shè)定音頻信號的采樣率為44100 Hz，采樣位數(shù)為16bits,在matlab軟 件上編寫代碼生成加窗單頻正弦脈沖信號，然后將得到的脈沖信號送給Pulse儀器， 再由Pulse輸入四元隨機陣播放，同時由Pulse儀器記錄期望點處傳聲器采集的接收 信號序列。加窗單頻正弦脈沖信號的生成過程如下首先生成一個352點的1 KHz 單周期正弦信號序列，然后與一個352點的漢寧窗函數(shù)序列點乘，得到一個352點 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)時間為3s的空序列，然后送到Pulse儀器由4元隨機陣播放，同時Pulse開始 記錄期望聚焦點處持續(xù)時間為20 s的接收信號，如圖5所示。
2) 在matlab上編寫代碼對Pulse儀器記錄的期望位置點處接收信號做時域反 轉(zhuǎn)和幅度放大處理。所謂幅度放大處理就是對接收信號用其幅度的最大值做歸一化， 得到歸一化后的時域反轉(zhuǎn)信號，如圖6所示。
3) 將歸一化后的時域反轉(zhuǎn)信號送到Pulse儀器再由4元隨機陣同時播放該信號， 與此同時由Pulse儀器開始記錄放置在期望位置點和在該點正前方12 cm處的兩個傳 聲器采集的接收信號(記錄時間為20s，如圖7和圖8所示)。
在4元隨機陣發(fā)射時，對比圖7和圖8能夠看出在期望位置點聚焦的聲壓信號 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;而在在期望位置點正前方12 cm處接收的聲壓信號主瓣區(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。在期望位置點處得到的接收信號主瓣向副瓣的過渡比較陡峭， 主副瓣差異比較大，而在該點正前方12 cm處得到的接收信號主瓣向副瓣過渡比較 平緩，主副瓣差異比較小，這說明本發(fā)明提供的方法能夠在期望位置點上取得比較 好的時域聚焦效果，而在遠離該點12 cm處的接收信號時域聚焦變得模糊。在期望 位置點處聲壓信號主瓣區(qū)峰值比該點正前方12 cm處聲壓信號主瓣區(qū)峰值大13.5 dB;而期望位置點處聲壓信號旁瓣區(qū)峰值比該點正前方12 cm處聲壓信號旁瓣區(qū)峰 值僅大0.100 dB。在期望位置點和其正前方12 cm處的接收信號主瓣區(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個歩驟，當測量間距(沿期望位置點的正前方移動傳聲器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，分別記錄下?lián)P聲器0、 揚聲器l、揚聲器2、揚聲器3、揚聲器0和1、揚聲器0、 l和2、揚聲器0、 1、 2 和3工作時的聚焦信號，并畫出聚焦信號聲壓峰值隨測量間距變化的曲線圖，如圖9 所示。根據(jù)圖9可以看出，揚聲器O工作時在期望位置點處的聲壓峰值約為79.0 dB， 揚聲器O和1同時工作時在該點處的聲壓峰值約為85.0 dB，可見增加揚聲器1使得 該點處的聲壓峰值提高了 6.00 dB，揚聲器0、 1和2同時工作時在該點處的聲壓峰 值約為89.7 dB，可見增加揚聲器2使得該點處的聲壓峰值提高了 4.70 dB，揚聲器0、 1、 2和3同時工作時在該點處的聲壓峰值約為92.3 dB，可見增加揚聲器3時使得該 點處的聲壓峰值提高了2.60dB，這說明增加揚聲器陣元的數(shù)量，能夠逐漸提高期望 聚焦點處的聲壓峰值。揚聲器l單獨工作時在該點處的聲壓峰值約為78.4dB，揚聲 器2單獨工作時在該點處的聲壓峰值約為77.6 dB，比揚聲器1單獨工作時在該點處 的聲壓峰值少了 0.800 dB，揚聲器3單獨工作時在該點處的聲壓峰值約為76.4 dB， 比揚聲器1單獨工作時在該點處的聲壓峰值少了 2.00 dB，這說明每個揚聲器單元對 期望位置點處聲壓提高的貢獻程度是不一樣的，揚聲器單元3因距離期望位置點稍 遠，信號在傳播過程中的幅度衰減稍大，從而導(dǎo)致該揚聲器單元工作時對聚焦點處 聲壓提高的貢獻較小，僅使聚焦點處的聲壓幅度提高了2.60dB;而揚聲器單元l和 2因到期望位置點的距離稍近，信號在傳播過程中幅度衰減較小，從而使這兩個揚聲 器單元工作時對聚焦點聲壓幅度提高的貢獻較大。通過觀察圖9可以看出，當?shù)狡?望位置點的間距超過18.0cm以后，聲壓幅度的變化趨于平緩，而本實施例所用的源 信號頻率在lKHz，其半波長約為17.0cm，這說明本發(fā)明所提供方法具有源信號一 個波長尺度的空間分辨率，所生成的聚焦聲場近似位于以期望位置點為球心，以源信號一個波長尺度為直徑的球形空間內(nèi)。
本實施例中雖然采用了l KHz加窗正弦脈沖信號作為源信號，并采用揚聲器單 元組成隨機陣列，但這僅僅是對本發(fā)明所提供方法的一個舉例說明，并不限定本發(fā) 明所提供方法僅適用在可聽聲頻率范圍內(nèi)。事實上，本發(fā)明所提供方法能夠?qū)陕?聲或超聲頻率范圍內(nèi)的源信號實現(xiàn)混響環(huán)境下的聲聚焦。
實施例2:
在本實施例中，如圖2所示，4個揚聲器單元隨機放置在混響室的地面上，同樣 按照實施例1所述的三個步驟分別對頻率為600 Hz、 1000 Hz、 3000 Hz的單周期正 弦脈沖信號進行4元隨機陣的混響聲場聚焦實驗。
當傳聲器單元按3 cm間隔沿X軸、Y軸和Z軸方向滑動時，分別測量出這三種 頻率源信號所對應(yīng)聚焦信號的聲壓峰值在三個坐標軸上隨距離差(傳聲器所處位置 與期望聚焦點之間的距離)的變化曲線。圖10、 11和12分別給出了頻率為600 Hz、 1000 Hz、 3000Hz的源信號所對應(yīng)聚焦信號的聲壓峰值在X軸、Y軸和Z軸上歸一 化的分布曲線。
對比這些曲線，可以看出由隨機陣生成的聚焦斑，其空域尺度會隨著源信號頻 率的增加而減小，并且近似地等于源信號的一個波長尺度；同時，聲壓分布曲線的 旁瓣幅值也會隨著源信號頻率的增加而減小，這是由于頻率越高的信號在空間傳播 時幅度衰減越快而造成的。
實施例3:
在本實施例中，如圖3所示，在混響室內(nèi)，4元線陣列分別放置在實施例2中提 到的4個揚聲器單元所在位置點處，同樣按照實施例1所述的三個步驟，在這4個 位置點處分別對頻率為600 Hz、 1000 Hz、 3000 Hz的單周期正弦脈沖信號進行4元 線陣的混響聲場聚焦實驗，并對比4元線陣與4元隨機陣的混響聲場聚焦實驗結(jié)果。
當傳聲器單元按3 cm間隔沿X軸、Y軸和Z軸方向滑動時，分別測量出這三種 頻率源信號所對應(yīng)聚焦信號的聲壓峰值在三個坐標軸上隨距離差(傳聲器所處位置 與期望聚焦點之間的距離)的變化曲線。圖13、 14和15是當線陣放置在揚聲器O 所在位置點處，源信號頻率分別為600 Hz、 1000 Hz、 3000 Hz時，4元線陣的聚焦 信號聲壓峰值歸一化曲線與4元隨機陣的歸一化曲線在X軸、Y軸和Z軸上的對比 圖；同樣，圖16、 17和18是當線陣放置在揚聲器1所在位置點處，源信號頻率分 別為600 Hz、 1000 Hz、 3000 Hz時，4元線陣與4元隨機陣的聚焦信號聲壓峰值歸一化曲線在X軸、Y軸和Z軸上的對比圖；圖19、 20和21是當線陣放置在揚聲器 2所在位置點處，源信號頻率分別為600 Hz、 1000 Hz、 3000 Hz時，4元線陣與4元 隨機陣的聚焦信號聲壓峰值歸一化曲線在X軸、Y軸和Z軸上的對比圖；圖22、 23 和24是當線陣放置在揚聲器3所在位置點處，源信號頻率分別為600Hz、 1000 Hz、 3000 Hz時，4元線陣與4元隨機陣的聚焦信號聲壓峰值歸一化曲線在X軸、Y軸和 Z軸上的對比圖。
比較這些曲線可以看出，4元隨機陣產(chǎn)生的聚焦斑尺度稍小于4元線陣產(chǎn)生的聚 焦斑尺度，這說明4元隨機陣聚焦的空域分辨率稍大于4元線陣的空域分辨率，這 也可以說明在陣元數(shù)相同的情況下，隨機陣聚焦的空域分辨率會稍大于線陣聚焦的 空域分辨率。
最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管 參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，對本發(fā)明 的技術(shù)方案進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)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
1、一種利用隨機陣實現(xiàn)混響聲場聚焦的方法，該方法包括步驟1)隨機陣列在混響環(huán)境下同步發(fā)射相同源信號，與此同時開始記錄期望位置點處的傳聲器采集的接收信號；2)對記錄下來的接收信號進行時域反轉(zhuǎn)和幅度放大處理；3)將步驟2)中放大的時域反轉(zhuǎn)信號再次由隨機陣列發(fā)射，從而在期望位置點處產(chǎn)生聲聚焦。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用隨機陣實現(xiàn)混響聲場聚焦的方法，其特征在于， 所述步驟l)包括假設(shè)在封閉空間內(nèi)有M個隨機放置的陣元，在期望聚焦位置點處放置一個傳聲 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個陣元到期望聚焦點處的格林函數(shù)為/=1 假設(shè)這些隨機放置的陣元同時發(fā)射相同的信號S(w)，則在期望聚焦點處傳聲器接收的信號為<formula>formula see original document page 2</formula>
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用隨機陣實現(xiàn)混響聲場聚焦的方法，其特征在于， 所述步驟2)包括根據(jù)時間反轉(zhuǎn)方法，將接收信號進行時域反轉(zhuǎn)，也相當于在頻域取共軛，同時，假設(shè)對接收信號的幅度放大倍數(shù)為A,則進行時域反轉(zhuǎn)和幅度放大后的接收信號表 示為
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用隨機陣實現(xiàn)混響聲場聚焦的方法，其特征在于，所述步驟3)為將時域反轉(zhuǎn)和幅度放大后的信號再次從所有陣元同時發(fā)射出去，則在期望聚焦點處接收的信號為<formula>formula see original document page 3</formula>，
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用隨機陣實現(xiàn)混響聲場聚焦的方法，其特征在于， 所述步驟l)中，所述源信號是加窗的單頻正弦脈沖信號，其頻率在可聽聲或超聲頻 率范圍內(nèi)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用隨機陣實現(xiàn)混響聲場聚焦的方法，其特征在于， 所述步驟2)中，所述幅值放大是將接收信號放大到與歩驟l)中所述源信號具有同 等的幅度。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用隨機陣實現(xiàn)混響聲場聚焦的方法，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為球心，以步驟l)中所述 源信號的波長為直徑的球形空間區(qū)域內(nèi)，接收信號的空時域聚焦效果明顯。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用隨機陣實現(xiàn)混響聲場聚焦的方法，其特征在于， 所述隨機陣的所有陣元并聯(lián)起來，由同一個通道分配給各陣元相同的信號。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用隨機陣實現(xiàn)混響聲場聚焦的方法，其特征在于， 所謂幅度放大處理就是對接收信號用其幅度的最大值做歸一化，得到歸一化后的時 域反轉(zhuǎn)信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用隨機陣實現(xiàn)混響聲場聚焦的方法，該方法包括如下步驟1)隨機陣列在混響環(huán)境下同步發(fā)射相同源信號，與此同時開始記錄期望位置點處的傳聲器采集的接收信號；2)對記錄下來的接收信號進行時域反轉(zhuǎn)和幅度放大處理；3)將步驟2)中放大的時域反轉(zhuǎn)信號再次由隨機陣列發(fā)射，從而在期望位置點處產(chǎn)生聲聚焦。本發(fā)明的優(yōu)點是可以隨機布放陣元；可以完全消除陣元間因相位差異產(chǎn)生的聚焦模糊；采用實驗測量方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的計算或估計方法求取源點與期望聚焦點之間的格林函數(shù)，解除了計算負擔；陣元間距突破了半波長的限制；在陣元數(shù)相同的情況下，隨機陣聚焦的空域分辨率會稍大于線陣聚焦的空域分辨率。
文檔編號G10K11/00GK101615392SQ20081011555
公開日2009年12月30日 申請日期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 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所