定位系統(tǒng)聲學(xué)性能及測(cè)量方法 固定波束形成征求意見稿

ICS17.140

CCSA59

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/SASCXXXX—202X

聲源定位系統(tǒng)聲學(xué)性能及測(cè)量規(guī)范

固定波束形成法

NormonAcousticPropertiesandMeasurementsofSoundSourceLocalization

Systems-FixedBeamformingMethod

（送審討論稿）

（本草案完成時(shí)間：2023年3月）

在提交反饋意見時(shí)，請(qǐng)將您知道的相關(guān)專利連同支持性文件一并附上。

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202X-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實(shí)施

中國(guó)聲學(xué)學(xué)會(huì)發(fā)布

T/SASCXXXX—202X

聲源定位系統(tǒng)聲學(xué)性能及測(cè)量規(guī)范

固定波束形成法

1范圍

本文件規(guī)定了基于固定波束形成法的聲源定位系統(tǒng)的術(shù)語、聲學(xué)性能、技術(shù)要求以及試驗(yàn)方法。

（增加對(duì)固定波束形成法的描述和解釋）（參照相關(guān)GB，增加聲源定位系統(tǒng)作用的簡(jiǎn)單描述）

本文件適用于基于固定波束形成法的聲源定位系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱聲源定位系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)、制造與校

準(zhǔn)。

（檢查全文“聲源定位識(shí)別”是否有必要改為“聲源定位”）

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文

件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適

用于本文件。

GB/T3102.7聲學(xué)的量和單位

GB/T3222.1聲學(xué)環(huán)境噪聲的描述、測(cè)量與評(píng)價(jià)第1部分：基本參量與評(píng)價(jià)方法

GB/T3947聲學(xué)名詞術(shù)語

GB/T6882聲壓法測(cè)定噪聲源聲功率級(jí)消聲室和半消聲室精密法

GB/T15173聲校準(zhǔn)器

GB/T20441.4測(cè)量傳聲器第4部分：工作標(biāo)準(zhǔn)傳聲器規(guī)范

JJG449倍頻程和分?jǐn)?shù)倍頻程濾波器檢定規(guī)程

JJF1001通用計(jì)量術(shù)語及定義

JJF1034聲學(xué)計(jì)量術(shù)語及定義

JJF1496聲源識(shí)別定位系統(tǒng)（波束形成法）校準(zhǔn)規(guī)范

3術(shù)語和定義

GB/T3947和JJF1034界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

傳聲器陣列microphonearray

一組性能相近的傳聲器排列組陣的聲信號(hào)拾取系統(tǒng)。

注：對(duì)于噪聲源識(shí)別，典型的傳聲器陣列由排列在平面或立體網(wǎng)格中的多個(gè)傳聲器組成。

［來源：JJF1034?2020，4.22，有修改］

3.2

聲源定位系統(tǒng)soundsourcelocalizationsystem

基于傳聲器陣列測(cè)量技術(shù)，測(cè)量一定空間內(nèi)聲波信號(hào)到達(dá)各傳聲器的相位差異以及聲波的幅值，

經(jīng)波束形成方法計(jì)算得到并以圖像方式顯示聲場(chǎng)及聲源在空間分布的裝置。

注：聲源定位系統(tǒng)一般由傳聲器陣列、視頻采集單元、陣列信號(hào)采集分析單元以及分析軟件等組成。

［來源：JJF1034?2020，4.52，有修改］

3.3

聲像圖acousticimage

聲源定位系統(tǒng)成像區(qū)域內(nèi)用等值線和顏色顯示聲場(chǎng)及聲源在空間分布的圖像。

3

T/SASCXXXX—202X

3.4

傳聲器陣列孔徑apertureofmicrophonearray

通常指?jìng)髀暺麝嚵兄邢嗑嘧钸h(yuǎn)的兩個(gè)傳聲器聲中心之間的距離。

注：?jiǎn)挝粸槊祝╩）。

3.5

傳聲器陣列參考點(diǎn)referencepointofmicrophonearray

為描述傳聲器陣列中心而規(guī)定的傳聲器陣列幾何中心點(diǎn)或其附近的一個(gè)點(diǎn)。

注：對(duì)于均勻分布的傳聲器陣列，聲中心為陣列的幾何中心點(diǎn)；對(duì)于非均勻分布的傳聲器陣列，參考點(diǎn)由生產(chǎn)廠

家給出。

3.6

參考方向referencedirection

與傳聲器陣列平面垂直并通過傳聲器陣列參考點(diǎn)的方向。

3.7

聲成像視角viewangleofacousticimage

聲成像區(qū)域水平或垂直方向最外側(cè)兩端與傳聲器陣列參考點(diǎn)之間的連線夾角。

注：?jiǎn)挝粸槎龋ā悖?/p>

3.8

成像動(dòng)態(tài)范圍dynamicrangeofacousticimage

聲像圖上顯示的最小聲壓級(jí)與最大聲壓級(jí)之間的聲級(jí)范圍。

示例：127dB～130dB。

注：?jiǎn)挝粸榉重悾╠B）。

3.9

空間分辨率spatialresolution

聲源定位系統(tǒng)聲成像視角內(nèi)能分辨最小距離的兩個(gè)聲源的聲中心與陣列參考點(diǎn)連線之間的夾角。

注：?jiǎn)挝粸槎龋ā悖?/p>

［來源：JJF1034—2020,4.144，有修改］

3.10

成像頻率上限upperlimitofimagingfrequency

無虛像頻率上限

聲源定位系統(tǒng)成像區(qū)域內(nèi)不出現(xiàn)與真實(shí)聲源聲壓級(jí)相當(dāng)?shù)奶摷俾曉吹淖罡哳l率，由陣列最小傳聲

器間距決定。

注：?jiǎn)挝粸楹掌潱℉z）。

（或增加“虛聲像”定義）

3.11

成像[分離]頻率下限lowerlimitofimaging[separation]frequency

聲源定位系統(tǒng)能分辨兩個(gè)聲源的最低頻率，由空間分辨率決定。

注1：?jiǎn)挝粸楹掌潱℉z）。

注2：成像頻率下限對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)小于傳聲器陣列孔徑。

3.12

主旁瓣抑制比main-to-sidelobeinhibitionratio

在對(duì)單聲源識(shí)別定位的成像區(qū)域內(nèi)，主瓣峰值與最大旁瓣峰值的聲壓級(jí)之差。

注：?jiǎn)挝粸榉重悾╠B）。

［來源：JJF1034?2020，4.145，有修改］

3.13

定位誤差localizationerror

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在與傳聲器陣列軸向垂直方向上，聲源中心點(diǎn)與聲成像區(qū)域內(nèi)聲壓最大值處的距離偏差。

注：?jiǎn)挝粸楹撩祝╩m）。

［來源：JJF1034?2020，4.146］

3.14

最小探測(cè)距離Minimumdetectiondistance

聲源定位系統(tǒng)能夠識(shí)別定位聲源的最小距離。

注：?jiǎn)挝粸槔迕祝╟m）。

3.15

弱信號(hào)探測(cè)能力detectioncapabilityofweaksignal

聲源定位系統(tǒng)能夠識(shí)別定位聲源的最小聲壓級(jí)。

注：?jiǎn)挝粸榉重悾╠B）。

3.16

陣列增益arraygain

傳聲器陣列輸出信號(hào)信噪比與單個(gè)傳聲器測(cè)量信號(hào)信噪比比值取以10為底的對(duì)數(shù)乘以10。（平方？

乘20？相減？）

注：?jiǎn)挝粸榉重悾╠B）。

4技術(shù)要求

4.1概述

聲源定位系統(tǒng)基于傳聲器陣列測(cè)量技術(shù)，測(cè)量一定空間內(nèi)聲波信號(hào)到達(dá)各傳聲器的相位以及聲波

的幅值差異，經(jīng)波束形成方法計(jì)算，以圖像方式顯示聲源及其聲場(chǎng)在空間的分布。聲源定位系統(tǒng)一般

由傳聲器陣列、視頻采集單元、陣列信號(hào)采集分析單元以及分析軟件等要素組成，主要應(yīng)用于噪聲源

的定位與識(shí)別。

4.2一般要求

4.2.1聲成像視角

聲源定位系統(tǒng)聲成像的水平視角應(yīng)不小于（盡量不用否定語氣）60°（任意一個(gè)方向不小于30°），

垂直視角應(yīng)不小于50°（任意一個(gè)方向不小于25°）。

4.2.2成像頻率范圍

聲源定位系統(tǒng)成像頻率上限應(yīng)不低于10kHz，成像頻率下限應(yīng)不高于1kHz。

4.2.3空間分辨率

聲源定位系統(tǒng)在5kHz中心頻率的空間分辨率應(yīng)不大于20°。

4.2.4主旁瓣抑制比

聲源定位系統(tǒng)在距離測(cè)試聲源1m處，對(duì)于5kHz頻率的主旁瓣抑制比應(yīng)不小于10dB。

4.2.5定位誤差

聲源定位系統(tǒng)在5kHz頻率的定位誤差應(yīng)不大于50mm（角度誤差？距離誤差？）。

4.2.6弱信號(hào)探測(cè)能力

聲源定位系統(tǒng)在距離測(cè)試聲源1m處，對(duì)于5kHz中心頻率的弱信號(hào)探測(cè)能力應(yīng)小于20dB。

4.2.7最小探測(cè)距離

成像頻率范圍內(nèi)，聲源定位系統(tǒng)最小探測(cè)距離應(yīng)不大于50cm。

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4.2.8陣列增益

傳聲器陣列增益理論值為10lgM（M為傳聲器數(shù)目）。實(shí)際測(cè)試的陣列增益與理論值誤差應(yīng)不超過

±3dB。

5試驗(yàn)方法

5.1試驗(yàn)環(huán)境條件

5.1.1聲源定位系統(tǒng)應(yīng)在以下環(huán)境條件進(jìn)行試驗(yàn)：

——空氣溫度為（18～28）℃；

——相對(duì)濕度為（30～90）%；

——靜壓為（80～106）kPa。

5.1.2規(guī)定聲源定位系統(tǒng)性能的參考環(huán)境條件如下：

——空氣溫度為23℃；

——相對(duì)濕度為50%；

——靜壓為101.325kPa。

5.2主要試驗(yàn)儀器及設(shè)備

5.2.1聲頻信號(hào)發(fā)生器

在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，聲頻信號(hào)發(fā)生器的頻率誤差不超過±0.25%，輸出信號(hào)的總失真小于0.1%，

穩(wěn)定性優(yōu)于±0.02dB。信號(hào)發(fā)生器能產(chǎn)生白噪聲信號(hào)，白噪聲的頻率范圍不應(yīng)小于聲源定位系統(tǒng)的頻

率范圍。

5.2.2精密衰減器

在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，衰減1dB誤差不超過±0.05dB，衰減30dB不超過±0.1dB，衰減60dB誤差

不超過±0.2dB。

5.2.3測(cè)量放大器

在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，測(cè)量放大器的頻率響應(yīng)不超過±0.2dB，總失真小于0.1%，穩(wěn)定性優(yōu)于±0.02

dB。

注：5.2.1~5.2.3中的設(shè)備可采用其他等效的測(cè)量?jī)x器，如信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)、信號(hào)采集分析系統(tǒng)等。

5.2.4功率放大器

在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，功率放大器的頻率響應(yīng)優(yōu)于±0.2dB，總失真小于3%。

5.2.5聲校準(zhǔn)器

聲校準(zhǔn)器的性能等級(jí)應(yīng)為GB/T15173規(guī)定的1級(jí)。

5.2.6工作標(biāo)準(zhǔn)傳聲器

在測(cè)試頻率范圍內(nèi)，傳聲器靈敏度級(jí)校準(zhǔn)的測(cè)量擴(kuò)展不確定度應(yīng)優(yōu)于0.2dB(k=2)。

5.2.7測(cè)試聲源系統(tǒng)

在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，測(cè)試聲源系統(tǒng)的總失真小于3%，在測(cè)量期間的聲壓級(jí)穩(wěn)定性優(yōu)于±0.3dB；

對(duì)于距離可調(diào)整的雙聲源，調(diào)整的步值不大于1mm。聲源指向性應(yīng)符合GB/T6882附錄A中測(cè)試聲

源指向性的要求，且聲源中心尺寸小于20mm。

5.2.8消聲室

在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)自由聲場(chǎng)范圍不小于3m，A計(jì)權(quán)本底噪聲級(jí)不高于25dB。

5.3聲成像視角

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聲源定位系統(tǒng)聲成像視角測(cè)量裝置示意圖見圖1。在傳聲器陣列正前方1m并與參考方向呈30°夾

角處放置兩個(gè)測(cè)試聲源，采用白噪聲作為激勵(lì)聲源。工作標(biāo)準(zhǔn)傳聲器放置在測(cè)試聲源正前方并與傳聲

器陣列平齊，調(diào)整聲源聲壓級(jí)比背景噪聲至少高30dB。兩個(gè)聲源分別發(fā)聲，按照1mm步進(jìn)左右微調(diào)

聲源位置，使聲源定位系統(tǒng)能準(zhǔn)確定位聲源(即聲像圖上聲壓最大位置處與聲源中心的距離在定位誤差

范圍內(nèi))，且再向外移動(dòng)聲源，聲源無法被準(zhǔn)確定位。兩測(cè)試聲源與參考方向的垂直距離分別為s1與s2，

按公式（1）計(jì)算聲成像水平視角θh：

??

?=arctan(1)+arctan(2)………（1）

h10001000

保持傳聲器陣列平面與聲源連線平行，將傳聲器陣列軸線旋轉(zhuǎn)90°，測(cè)量可得聲成像垂直視角

v。

測(cè)試聲源系

統(tǒng)(雙聲源)

工作標(biāo)準(zhǔn)傳聲器

通道

1測(cè)試聲源1測(cè)量放大器

聲頻信號(hào)發(fā)生器功率放大器

通道2

測(cè)試聲源2聲源定位系統(tǒng)顯示設(shè)備

全消聲室聲源定位系統(tǒng)陣列

圖1聲成像視角測(cè)量裝置示意圖

圖2聲成像垂直視角示意圖

5.4成像頻率范圍

5.4.1成像頻率上限

聲源定位系統(tǒng)成像頻率上限測(cè)量裝置示意圖見圖3。在傳聲器陣列正前方1m聲成像視角方向放

置一個(gè)測(cè)量聲源，采用正弦信號(hào)激勵(lì)聲源，調(diào)整聲源聲壓級(jí)至少比背景噪聲高20dB，設(shè)置成像動(dòng)態(tài)

范圍為3dB。從說明書規(guī)定的上限頻率附近選取1/3倍頻程中心頻率fi，在聲成像視角范圍內(nèi)出現(xiàn)另

外一個(gè)與測(cè)試聲源對(duì)稱且聲壓級(jí)相當(dāng)?shù)珜?shí)際不存在的虛像時(shí)，信號(hào)發(fā)生器的頻率fi為聲源定位系統(tǒng)的

成像頻率上限。

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測(cè)量聲源系統(tǒng)

（單聲源）

聲源定位系統(tǒng)顯示設(shè)備

聲頻信號(hào)發(fā)生器功率放大器

聲源定位系統(tǒng)陣列

全消聲室

圖3成像頻率上限測(cè)量裝置示意圖

5.4.2成像頻率下限

聲源定位系統(tǒng)成像頻率下限的測(cè)量裝置示意圖見圖1。在傳聲器陣列正前方1m聲成像視角范圍

對(duì)角線兩端點(diǎn)處各放置一個(gè)測(cè)量聲源，采用正弦信號(hào)激勵(lì)聲源，調(diào)整聲源聲壓級(jí)至少比背景噪聲高20

dB，設(shè)置成像動(dòng)態(tài)范圍為3dB。從下限頻率預(yù)估值（加注）或廠家說明書（若有）提供的值附近選取

1/3倍頻程中心頻率fi，聲源1頻率為fi?Δf，聲源2頻率為fi+Δf，Δf為2Hz。若在測(cè)量頻率fi處，聲

像圖中兩聲源的3dB動(dòng)態(tài)范圍邊界剛好相切或分離，此時(shí)信號(hào)發(fā)生器的頻率fi即為聲源定位系統(tǒng)的成

像頻率下限。

5.5空間分辨率

聲源定位系統(tǒng)空間分辨率的測(cè)量裝置示意圖與測(cè)試方法參考JJF1496?2014的7.2.1。假設(shè)聲像圖

上聲源1最大值處到其邊界的距離為r1以及聲源2最大值處到其邊界的距離為r2，聲源定位系統(tǒng)與聲

源之間的垂直距離為d，則空間分辨率R參照公式(2)進(jìn)行計(jì)算：

??

?=arctan(1)+arctan(2)………（2）

??

5.6主旁瓣抑制比

聲源定位系統(tǒng)主旁瓣抑制比的測(cè)量裝置示意圖與測(cè)試方法參考JJF1496?2014的7.2.2。

5.7定位誤差

聲源定位系統(tǒng)定位誤差的測(cè)量裝置示意圖與測(cè)試方法參考JJF1496?2014的7.2.3。

5.8弱信號(hào)探測(cè)能力

聲源定位系統(tǒng)成像弱信號(hào)探測(cè)能力的測(cè)量裝置示意圖見圖3。在傳聲器陣列正前方1m位置處放

置一個(gè)測(cè)試聲源，采用正弦信號(hào)激勵(lì)聲源。在成像頻率范圍內(nèi)選擇1/3倍頻程中心頻率fi，從25dB開

始按照1dB步長(zhǎng)不斷減小聲源聲壓級(jí)，直到無法準(zhǔn)確定位聲源（即聲像圖上聲壓最大位置處與聲源中

心的距離超出定位誤差范圍）。每次測(cè)量平均時(shí)間至少為10s。此時(shí)聲源輸出的聲壓級(jí)（取整）為聲源

定位系統(tǒng)測(cè)量頻點(diǎn)fi處的弱信號(hào)探測(cè)能力。

5.9最小探測(cè)距離

聲源定位系統(tǒng)最小探測(cè)距離的測(cè)量裝置示意圖見圖3。在傳聲器陣列正前方1m位置處放置一個(gè)

測(cè)試聲源，采用正弦信號(hào)激勵(lì)聲源。在成像頻率范圍內(nèi)選擇1/3倍頻程中心頻率fi，按照5cm的步長(zhǎng)

減小聲源到傳聲器陣列之間的距離，每次測(cè)量平均時(shí)間至少為10s，直到聲源無法準(zhǔn)確定位（即聲像

圖上聲壓最大位置處與聲源中心的距離超出定位誤差范圍）。此時(shí)聲源到傳聲器陣列的距離為測(cè)量頻點(diǎn)

fi處的最小探測(cè)距離。

5.10陣列增益

聲源定位系統(tǒng)陣列增益的測(cè)量裝置示意圖見圖2。在傳聲器陣列正前方1m位置處放置測(cè)試聲源1，

以及前方右側(cè)角落處放置測(cè)試聲源2，要求右側(cè)角落方向與傳聲器陣列參考方向的夾角大于60°。在

聲源定位系統(tǒng)的測(cè)量頻率范圍內(nèi)，分別采用正弦信號(hào)fi和窄帶白噪聲依次激勵(lì)測(cè)試聲源1（目標(biāo)聲源）

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和聲源2（干擾聲源）。在1/3倍頻程中心頻率fi處，保證窄帶白噪聲聲壓級(jí)減去傳聲器理論增益后比

背景噪聲至少高10dB，正弦信號(hào)聲壓級(jí)比窄帶白噪聲聲壓級(jí)至少高10dB。利用陣列單個(gè)傳聲器依次

測(cè)量窄帶白噪聲信號(hào)聲壓級(jí)L1和正弦信號(hào)聲壓級(jí)L2，以及傳聲器陣列依次測(cè)