Page 119 - 《应用声学》2024年第1期

第 43 卷 第 1 期 王天琪等： 基于改进最小方差无失真响应角度谱算法的气体泄漏定位方法 115

2.5 理的 MVDR 角度谱算法可以获得较为满意的定位
精度，进而说明其DOA估计性能的优越性。
2.0
4 实验验证
RMSE/(O) 1.0 4.1 实验设置
1.5

为了保证算法在工程应用中的可行性，验证本
͜ፒMVDRᝈए៨ካข
0.5 文算法的有效性和正确性，建立气体泄漏源定位系
MUSICካข
వ஡ካข 统，如图4所示。定位系统由空气压缩机、计算机、超
0
0 5 10 15 20 声传声器阵列及摄像头组成。
Лࡍη٪උ/dB

图 2 算法 RMSE 与 SNR 关系 0.5 mm෺໤ߘ ᡔܦ͜ܦ٨᫼ѵ
Fig. 2 Relation between algorithm RMSE and SNR
ᝠካ఻
3.2.2 采样数对算法性能影响
将声学泄漏信号的 SNR 设置为10 dB 不变，使
采样点数从 100 ∼ 1000 次以间隔 100 变化，对 3 种
算法分别进行多次实验。图 3 给出了不同算法的 ቇඡԍ᎖఻ ୊ϸ݀
RMSE随采样点数变化的曲线图。 图 4 气体泄漏源定位系统
由图 3 仿真结果可知：当采样点数不同时，3 种 Fig. 4 Gas leak source location system
算法都能进行有效定位，本文算法在低采样点数
文中研究对象为压力气体泄漏源，为了模拟出
下可以更好地识别出真实泄漏源位置。在相同采
实际的泄漏源，选用了型号为 QTX1500X2 的空气
样点数下，本文算法 RMSE 均小于传统 MVDR 角
压缩机，它可以提供 7 bar 的泄漏压力，装配一个
度谱算法和最大可控响应功率波束形成法算法的
0.5 mm的喷嘴作为泄漏孔，用于模拟气体泄漏产生
RMSE，整体优于其他两种算法，由此可见本文算法
声波信号。为保证最佳响应，实验中选用 16个型号
在搜索目标泄漏源时具有成功率高、稳定性强等优
为 SPH0641LU4H-1 压电式超声传声器组成传声器
势，体现出了很好的定位性能。
圆形阵列，用以采集泄漏源产生的超声信号，该传感
2.8 ͜ፒMVDRᝈए៨ካข 器的采样频率为96 kHz，灵敏度为−26 dBFS，尺寸
MUSICካข
2.6 为 8 mm × 7.5 mm，具有优秀的宽带声频性能和射
వ஡ካข
2.4 频抗干扰性能。同时利用声场可视化技术 [18] ，通过
2.2 摄像头标定，建立声源空间坐标与图像像素点之间
RMSE/(O) 2.0 的映射关系，将空间位置的声功率图与摄像头拍摄

1.8
1.6 的实景图像融合后进行显示，形成气体泄漏信号可
视化图，用以观测算法估计位置与实际泄漏点的一
1.4
1.2 致性。
1.0 实验是在一个7 m×4 m×4 m 的混响室中进行
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
᧔ನག஝/൓ 的，噪声为空间白噪声及信号发生器模拟噪声。在
实际的气体泄漏定位实验中，首先采用上述的传声
图 3 算法 RMSE 与采样点数关系
器阵列采集由模拟泄漏源产生的泄漏超声信号，然
Fig. 3 Relation between algorithm RMSE and
后再通过本文定位算法对泄漏源进行方位估计。实
sampling points
验前保持空压机喷嘴和超声传声器阵列在同一高
综上所述，在采样数较少和 SNR 较低的情况 度上，实验过程中通过改变两者之间的相对位置来
下，引入 SNR追踪加权和基于时频稀疏性分频带处 模拟不同角度下的泄漏源。