一种考虑声传播相关性丢失的麦克风阵列优化设计方法技术

本发明专利技术一种考虑声传播相关性丢失的麦克风阵列优化设计方法，针对民用飞机飞行试验中声波经过长距离传播而出现的相关性丢失问题，建立相关性丢失模型，并基于此模型进行阵列旁瓣抑制水平和分辨率性能参数的评估，以相关性丢失问题影响下的阵列旁瓣抑制水平和分辨率为目标函数，利用快速非支配排序遗传算法，优化阵列单元坐标。本发明专利技术克服现有方法的不足，能给出旁瓣抑制水平和分辨率综合最优的、在相关性丢失问题影响下仍能保持良好性能的阵列单元布置，适用于针对在飞行试验开展麦克风相阵列气动噪声测量所需阵列的优化设计。

An optimal design method of microphone array considering the loss of sound propagation correlation

The invention relates to a sound transmission loss considering correlation microphone array optimization design method for acoustic correlation of civil aircraft flight test after long distance communication and the loss problem, establish correlation loss model, and based on this model to evaluate array sidelobe suppression level resolution and performance parameters, and inhibit the level of resolution with the objective function the correlation was lost under the influence of array sidelobe problem, using fast nondominated sorting genetic algorithm, optimization of array element coordinate. The invention overcomes the shortcomings of the existing methods, the array can be given sidelobe level and resolution, in the comprehensive optimal correlation loss problem under the influence can still maintain the good performance of the layout, suitable for carrying out optimization design of dynamic array microphone phase noise measurement required array gas in flight test.

【技术实现步骤摘要】
一种考虑声传播相关性丢失的麦克风阵列优化设计方法
本专利技术涉及一种麦克风阵列优化设计方法，特别是一种应用于民用客机飞行试验气动噪声测量的麦克风阵列优化设计方法。
技术介绍
利用麦克风相阵列测量技术在民用客机飞行试验中开展气动噪声测量，能够获取最丰富、最真实、最具参考价值的民机气动噪声数据，是民用飞机气动噪声研究的重要环节，在国内受到了越来越多的关注。在民用飞机飞行试验中，大气环境复杂，声波从飞机上发出，经过长距离的传播，阵列中不同位置的麦克风接收到的声波信号之间的相关性减弱。这就是声传播相关性丢失问题，会随着传播距离增大、声波频率升高以及气象条件变差而变得严重。阵列有两个主要性能指标：分辨率和旁瓣抑制水平。分辨率与阵列口径有关，口径越大，分辨率越优。旁瓣抑制水平与阵列单元布置的疏密程度有关，阵列布置得越密，旁瓣抑制水平越优。在声传播相关性丢失问题影响下，阵列中在一个较小的口径范围内的麦克风所接收到的声波信号之间是相关的，而在这个范围外的麦克风所接收到的信号之间的相关性减弱，甚至完全不相关。相当于将一个大口径、麦克风数目多的阵列分割成为小口径、麦克风数目少的阵列，导致阵列有效口径、有效麦克风数目大幅减小，分辨率和旁瓣抑制水平急剧降低。因此，在民用飞机飞行试验中利用麦克风相阵列测量技术开展气动噪声测量，阵列设计中必须要考虑声传播相关性丢失问题。阵列设计就是在实际约束条件下，优化阵列单元布置，使阵列性能指标在待测频率范围内均满足要求。现有的阵列优化设计方法在设计过程中未能考虑到声传播相关性丢失问题，所给出的麦克风阵列设计在应用于民机气动噪声飞行试验时，阵列性能急剧降低，不能满足民机气动噪声飞行试验对阵列性能的要求。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有方法的不足，提供了一种考虑声传播相关性丢失的麦克风阵列优化设计方法，该方法针对民机飞行试验中声波经过长距离传播而出现的相关性丢失问题，建立相关性丢失模型，并基于此模型进行阵列旁瓣抑制水平和分辨率两个性能参数的评估，以相关性丢失问题影响下的阵列旁瓣抑制水平和分辨率为目标函数，利用非支配遗传算法Ⅱ多目标优化算法，优化阵列单元坐标。本专利技术的技术方案是：一种考虑声传播相关性丢失的麦克风阵列优化设计方法，包括下列步骤：(1)设置遗传算法参数；随机产生父种群Pt内的阵列坐标，其中角标t表示遗传算法中的代数；设t的初始值为0，设子种群Qt为空集；所述遗传算法参数包括：种群内个体数目N、选择概率、交叉概率、变异概率、最大迭代次数；(2)合并父种群Pt和子种群Qt得到种群Ut＝{Pt∪Qt}，计算种群Ut内所有阵列在声传播相关性丢失问题影响下的分辨率和旁瓣抑制水平；(3)计算种群Ut内阵列非支配排序的序值与阵列拥挤距离；(4)判断种群Ut内阵列是否满足约束条件，将不满足约束条件的阵列的序值设置为2N；(5)依据阵列的非支配排序的序值和拥挤距离裁剪出与父种群Pt种群数目相同的新种群Pt+1；(6)对新种群进行选择、交叉和变异操作，得到子种群Qt+1；(7)判断t+1是否大于最大迭代次数，若是则输出父种群Pt+1中序值为1的所有非支配阵列作为最优解集，且本方法结束；否则，t＝t+1，转到步骤(2)。所述步骤(2)中在计算波束形成图时，对各麦克风引入权重系数其中：Erf(x)为高斯误差函数；ri为第i个麦克风距离阵列中心的距离；Rf为有效阵列口径，其计算公式为：其中h为声源与阵列间的距离，即飞机飞行高度；f为分析频率。所述步骤(2)中阵列分辨率和旁瓣抑制水平的取值方法为：计算分析频率范围内所有三分之一倍频程中心频率下的阵列分辨率和旁瓣抑制水平，取其中最差的阵列分辨率和旁瓣抑制水平。所述步骤(4)中的约束条件为：xi∈Ω和|xi-xj|≥d；其中xi、xj为阵列单元坐标，M为阵列单元数目，i＝1....M、j＝1....M，d为单元间最小间距限定值，Ω为阵列口径所决定的区域。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)本专利技术建立了一个声传播相关性丢失模型，嵌入阵列优化设计过程，能给出在声传播相关性丢失问题影响下仍能保持较好阵列性能的阵列单元布置，能更好地满足在民用飞机飞行试验中利用麦克风相阵列测量技术开展气动噪声测量对阵列的需求。(2)本专利技术采用了多目标优化设计方法，能够给出阵列分辨率和旁瓣抑制水平最优解集，可根据实际需求在最优解集中选取最合适的阵列单元布置。(3)本专利技术通过将麦克风最小间距作为优化问题的约束条件，从而使得所给出的阵列单元布置能适应实际阵列布置中的麦克风安装。(4)在使用通过本方法设计所出来的阵列时，数据处理过程中引入考虑声传播相关性丢失的麦克风权重系数，能够提高阵列性能。附图说明图1是本专利技术阵列优化设计方法流程图。图2是阵列平面与声源面网格的示意图。图3是阵列的单位声源的波束形成示意图。具体实施方式本专利技术针对民用飞机飞行试验气动噪声测量，建立声传播相关性丢失模型。在声传播相关性丢失问题影响下，阵列中在一个较小的口径范围内的麦克风所接收到的声波信号是相关的，而在这个范围外的麦克风信号是不相关的，因此引入阵列有效口径：其中：Rf为有效阵列口径；h为声源与阵列间的距离，即飞机飞行高度；f为分析频率。即飞行高度为50m时，4000Hz频率下的阵列有效口径为1m。对各麦克风引入权重系数，嵌入阵列性能评估过程：其中：wi,f为第i个麦克风在分析频率f下的权重系数；Erf(x)为高斯误差函数；ri为麦克风i距离阵列中心的距离。阵列多目标优化问题建模：min{f1(xi),f2(xi)}f1(xi)＝R(xi)，(xi∈Ω，|xi-xj|≥d)；f2(xi)＝MSL(xi)其中：R(xi)和MSL(xi)均是目标函数，其中R(xi)为考虑声传播相关性丢失的分辨率性能函数,MSL(xi)是考虑声传播相关性丢失的阵列旁瓣抑制水平函数；xi(i＝1....M)为阵列单元坐标，M为阵列单元数目；Ω为阵列口径所决定的区域；|xi-xj|≥d为约束条件，单元间最小间距不小于规定值d。如图1所示，本专利技术一种考虑声传播相关性丢失的麦克风阵列优化设计方法的流程图，具体步骤如下：(1)设置遗传算法参数(种群内个体数目N、选择概率ss＝0.9、交叉概率sc＝0.9、变异概率sm＝0.01、最大迭代次数G)。随机产生初始种群Pt＝{xin(t),(i＝1,....,M),(n＝1,....,N)}内的阵列坐标，M为麦克风数目，角标t表示遗传算法中的代数；其中xin(t)为第n个阵列的全部阵列坐标，代表阵列n。设代数t＝0，Qt为空集。(2)合并父种群Pt和子种群Qt得到种群Ut＝{Pt∪Qt}，计算种群Rt内所有阵列在声传播相关性丢失问题影响下的分辨率和旁瓣抑制水平。因为种群合并，使得父代种群所有阵列都在Ut中，这保证了父代的精英阵列被保留下来，即精英保留策略。旁瓣抑制水平，也称最大旁瓣水平，是阵列的单位声源的波束形成图中旁瓣的最大值，计算公式为：其中：f为分析频率，fL为分析频率下限，fH为分析频率上限；D为声源面网格区域，通常为平行于阵列平面的平面区域，区域D′为区域D剔除主瓣的区域，声源面网格与阵列平面的示意图如图2所示。yj为声源面网格坐标；j为自然数；psf(xin,yj,f)为阵列本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑声传播相关性丢失的麦克风阵列优化设计方法，其特征在于包括下列步骤：(1)设置遗传算法参数；随机产生父种群P

【技术特征摘要】
1.一种考虑声传播相关性丢失的麦克风阵列优化设计方法，其特征在于包括下列步骤：(1)设置遗传算法参数；随机产生父种群Pt内的阵列坐标，其中角标t表示遗传算法中的代数；设t的初始值为0，设子种群Qt为空集；所述遗传算法参数包括：种群内个体数目N；(2)合并父种群Pt和子种群Qt得到种群Ut＝{Pt∪Qt}，计算种群Ut内所有阵列在声传播相关性丢失问题影响下的分辨率和旁瓣抑制水平；(3)计算种群Ut内阵列非支配排序的序值与阵列拥挤距离；(4)判断种群Ut内阵列是否满足约束条件，将不满足约束条件的阵列的序值设置为2N；(5)依据阵列的非支配排序的序值和拥挤距离裁剪出与父种群Pt种群数目相同的新种群Pt+1；(6)对新种群进行选择、交叉和变异操作，得到子种群Qt+1；(7)判断t+1是否大于最大迭代次数，若是则输出父种群Pt+1中序值为1的所有非支配阵列作为最优解集，且本方法结束；否则，t＝t+1，转到步骤(2)。2.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：周家检，张青青，郝璇，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11