基于任意布设传声器的飞机强度试验声源定位方法

贺谦 韩凯 冯建民

摘要：针对飞机结构强度试验复杂环境，开展了基于任意布设传声器的声源定位方法研究。以基于时差的定位算法为基础，通过信号端点检测法进行不同传声器之间的时差计算。采用优化算法进行标定方程组的求解，建立了任意布设传声器的空间坐标标定方法。通过声源定位算法和传声器的空间坐标标定方法研究，形成了一种基于任意布设传声器的声源定位方法，并对该方法进行了验证。结果表明，该方法能够在飞机结构强度试验复杂环境下，准确定位异常声源的空间位置，为实现飞机结构强度试验异常声响快速、准确定位提供技术支持。

关键词：传声器；声源定位；坐标标定；任意布设；飞机结构强度试验

中图分类号：V216.5文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.12.007

基金项目：航空科学基金（201809T7001）

飛机结构强度试验中的异常声响是结构损伤或损伤前兆的表征，准确、快速定位异常声响位置在提供试验决策支持等方面具有非常重要的意义。飞机结构强度试验现场有大量的加载及测控设备，常规传声器阵列受体积的限制很难按需求布设，造成异常声响的定位精度无法满足厘米级的要求[1]。根据飞机和试验现场设备位置任意布设传声器的方式，更加符合飞机结构强度试验中声源定位的特殊应用需求。目前，常规固定构型阵列的声源定位方法依然是国内外科研人员的研究重点[2-6]，但针对基于任意布设传声器的声源定位方法，国内外的相关研究还不多见。

本文针对飞机结构强度试验复杂环境，以任意布设传声器为研究对象，旨在形成一种基于任意布设传声器阵列的声源定位方法，为实现飞机结构强度试验环境下异常声响快速、准确定位提供技术支持。

1基于时差的声源定位方法

飞机结构强度试验异常声响属于短时脉冲信号。与常用的可控波束形成方法和高分辨率谱估计方法相比，基于时差的声源定位方法适用于音频信号持续时间短、信号强度高、有明显脉冲尖峰的声源定位[7]。因此，本文采用基于时差的定位方法作为声源定位算法。

基于时差的声源定位方法核心是一个已知传声器坐标和各传声器声音传播的时差，以声源到不同传声器的距离差误差最小为目标的优化问题。

假设一个由n个传声器组成的阵列，传声器和声源的位置关系如图1所示。其中，x1为坐标原点和传声器1位置，第i个传声器的空间坐标为xi，声源的空间坐标为xs。

由于传声器坐标xi已知，声源定位的精度主要取决于时差计算值τi1的准确性。

2基于信号端点检测的时差计算方法

互相关法是最常用的时差计算方法，适用于持续时间较长的声音信号。飞机结构强度试验异常声响属于短时脉冲信号，且存在较为明显的混响和噪声干扰。利用互相关法进行时差计算会产生大量的异常值，导致时差计算无效[8-9]。

本文采用基于信号端点检测的时差计算方法。该方法在含背景噪声的飞机结构强度试验环境中，可有效提取结构损伤的声音信号[10]，适用于飞机结构强度试验环境下的时差计算。通过Teager能量算子加短时过零率的双参数双门限法进行信号端点检测[11-12]，计算声音到达传声器i和传声器j之间的时差：

时差计算值从某种意义上可以认为是一个随机值，多次测量得到的测定值可以认为是从某个正态分布总体中提取的抽样，正态分布的均值为时差计算的真实值。

一次试验很难直接得到最接近真实值的时差计算值。因此，根据统计试验理论，应该在同一个声源点处开展多次试验，将每次得到的时差计算值求平均，能够较好地消除误差影响。但是，由于一些偶发因素和算法自身的影响，在某些试验中，可能会出现时差计算值与真实值偏离特别大的情形。对于这类估计值，统计学中通常称为异常值或者野值。因此，在利用求平均得到时差计算值之前，应该首先剔除野值。

3传声器坐标标定方法

采用任意布设传声器进行声源定位，确定传声器的空间坐标是需要解决的核心问题。

传声器坐标标定是通过已知声源坐标，确定传声器坐标，本质上是声源定位的逆过程。与声源定位类似，传声器坐标标定方法的核心依然是计算声源与不同传声器的距离差。每一个传声器坐标确定，至少需要三个独立的方程。

4试验验证

在实验室环境中，布设了含6个传声器的阵列，如图2所示，各传声器的真实坐标已知。

采用本文的传声器坐标标定方法，标定得到各个传声器的空间坐标，并通过与已知的准确坐标对比进行标定误差分析，验证坐标标定方法的精度。

随后采用标定得到的传声器坐标值进行声源定位试验，对本文基于任意构型传声器阵列的声源定位方法的精度和成功率进行验证。

4.1传声器坐标标定

图2中各传声器的真实坐标见表1。布设了4个标定声源点，坐标分别为（2.367， 0.85， 0.9）、（2.367， 1.5， 0.9）、（1.03， 2.77， 2.1）和（1.03， 2.77， 0.5）。传声器1为参考传声器，采用本文方法，依次对传声器2～传声器6的空间坐标进行标定。以传声器2为例，对标定过程进行说明。标定声源为一个直径3.5cm的球形音箱，采样频率100kHz。

在标定声源点（2.367， 0.85， 0.9）进行50次时差计算试验，可以得到该标定声源点处的50个时差计算值。采用公式（8）进行野值剔除。

剔除结果如图3所示。在两条虚线之外的点就是被剔除的野值。取剩余时差计算值的均值作为最终时差计算值，计算结果为-158.6092个采样点。

采用同样方法，依次在其他三个标定声源点进行时差计算，得到4个标定声源点的时差计算结果，见表2。

根据表2中的时差计算结果，采用单纯形替换法求解公式（8），得到传声器2的空间坐标为（0.9133， 0.0067， 0.7135）。

采用同样方法，依次得到传声器3～传声器6的空间坐标，见表3。

为确保飞机结构强度试验中声源定位达到厘米级精度，传声器坐标标定的误差必须控制在毫米级。从表3中可以看到，通过本文方法标定得到的传声器2～传声器6空间坐标的最大绝对误差为8.3mm，满足飞机结构强度试验对传声器空间坐标标定精度的要求。

4.2声源定位

声源定位试验的目的是验证本文基于任意构型传声器阵列的声源定位方法的精度和成功率。采用图2中的传声器阵列，传声器空间坐标为表3中的标定結果。设置两个声源点，声源点真实坐标见表4。声源依然采用标定试验中的球形音箱。为避免奇异数据对验证结果的影响，依次在两个声源点分别进行20次定位试验。

对声源点1的20次定位试验全部成功，成功率为100%。三个方向的误差参数见表5。X、Y、Z方向的最大误差为6cm，三个方向误差标准差和均值都非常小，达到了飞机结构强度试验异常声源定位的精度要求。

在声源点2，20次定位试验全部成功，成功率为100%。三个方向的误差参数见表6。X、Y、Z方向的最大误差为7cm，误差标准差和均值分别为5cm和6cm，达到了飞机结构强度试验异常声源定位的精度要求。

传声器空间坐标标定以及声源定位试验的结果表明，本文基于任意布设传声器的声源定位方法能够满足飞机结构强度试验复杂环境下厘米级的声源定位精度要求。

另外，声源点与传声器阵列距离是影响定位精度的重要因素。声源定位试验中，声源点2的定位精度与声源点1相比已经有了明显下降。同时，考虑到试验现场声音反射混响影响，后续还需要在声源点与传声器阵列的最小距离确定，以及考虑混响的定位算法方面开展进一步的研究。

5结束语

针对飞机结构强度试验异常声源定位的实际需求和复杂试验环境中传声器任意布设的应用特点，通过任意布设传声器坐标标定方法和声源定位算法研究，提出了一种任意布设传声器声源定位方法。通过验证表明，在传声器任意布设的情况下，该方法能够满足飞机结构强度试验中异常声源定位的精度要求。

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（責任编辑陈东晓）

作者简介

贺谦（1980-）男，博士，高级工程师。主要研究方向：全机结构地面验证技术。

Tel：029-81665351E-mail：heqianrun@163.com

韩凯（1984-）男，硕士，工程师。主要研究方向：全机结构地面验证技术。

Tel：029-81665351E-mail：hank03@qq.com

冯建民（1966-）男，博士，研究员。主要研究方向：全机结构地面验证技术。

Tel：029-81665351E-mail：fjm623@hotmail.com

Sound Source Localization Method for Aircraft Structural Test with Random Microphone Array

He Qian*，Han Kai，Feng Jianmin

Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Full Scale Aircraft Structure Static and Fatigue Strength，AVIC Aircraft Strength Research Institute，Xian 710065，China

Abstract： A sound source localization method for random microphone array was presented for rapid and accurate localization of abnormal sound in aircraft structural static and fatigue test according to the application of microphone array in complicated environment of the test. The calibration equations were solved by optimization method to realize microphone position calibration of random array. To reduce the time delay of arrival （TDOA） error from different microphones， generalized cross-correlation method was employed combined with signal endpoint detection method based on TDOA algorithm， and a sound source localization technological process was set up. A sound source localization method for random microphone array was established based on the microphone position calibration method for random array and sound source localization algorithm， and the method was validated by locating three sound sources. The result shows that sound source localization can be realized by the method when microphones were arrayed randomly. The calibration precise of microphone position coordinates is millimeter-level， and the precise of sound source localization is centimeter-level， and it meets the precision requirement of sound source localization in complex environment of aircraft structural static and fatigue test. The method provides the technical support for abnormal sound localization of aircraft structure.

Key Words： microphone array； sound source localization； microphone position calibration； arbitrary configuration； aircraft structural strength test