波束形成
關注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2026-01-04
波束形成的視頻教程
CST超表面材料仿真實戰(zhàn)
適用于在讀微波、太赫茲、光學人工合成復合超表面材料研究的研究生、本科生，以及從事軍品整流罩、天線罩、吸波尖劈等行業(yè)設計人員； 課程對超材料主流的頻率選擇表面、高阻抗表面、理想吸收體、極化轉化器、輻射表面、波前控制表面、非線性超表面做了講解，并著重對極化轉換類超材料做展開，在石墨烯課程中講解了相位梯度、波束形成、吸波體、EIT等學術熱門分類 課程以理論和仿真為主，對近期的SCI原刊做內容講解和一步步的仿真演示
￥149 6小時24分鐘 599播放
查看
波束形成的實例教程
2024/08/20 15:00-16:00 噪聲源識別網絡研討會
點擊這里，即可報名
波束形成聲源識別技術是利用一組傳聲器構成的陣列測量聲壓信號，基于特定方法后處理測得的聲壓信號來獲取被測對象表面的聲學成像圖，通過匹配光學照片等方式來確定聲源，又名“聲學照相機”，具有測量速度快、因適宜中遠距離測量而易于布置等優(yōu)勢，在噪聲源識別、目標探測、故障診斷等領域被廣泛應用，自1974年由 Billingsley 和Kinns提出至今一直備受關注。
傳聲器陣列的結構形式決定波束形成聲源識別的空間范圍和應用場景。平面和球面是最常用的傳聲器陣列結構形式。平面?zhèn)髀暺麝嚵械乃袀髀暺鞴财矫妫瑤缀涡螤钣芯匦尉W格形、圓環(huán)形、螺旋形、Fibonacci形、扇形輪形等；球面?zhèn)髀暺麝嚵械乃袀髀暺鞴睬蛎妫瑤缀涡螤钣虚_口球和剛性球。
平面?zhèn)髀暺麝嚵羞m宜識別陣列前方局部區(qū)域內聲源，典型應用場景包括發(fā)動機噪聲源識別、道路及軌道車輛通過噪聲源識別等。憑借旋轉對稱性好和聲場記錄全面，球面?zhèn)髀暺麝嚵心?60°全景識別聲源，適宜在艙室等封閉環(huán)境內使用，典型應用場景包括汽車及高速列車車內噪聲源識別等。
傳聲器陣列測量聲壓信號的后處理方法決定波束形成聲源識別的性能。延遲求和（delay and sum, DAS）和球諧函數(shù)波束形成（spherical harmonics beamforming，SHB）是常用的傳統(tǒng)方法。平面?zhèn)髀暺麝嚵胁捎肈AS；球面?zhèn)髀暺麝嚵欣碚撋霞瓤刹捎肈AS 可采用SHB，實際上主要采用SHB（低頻表現(xiàn)更佳）。
展開 （4）波束形成和控制：使用DSP通道的延遲功能，對不同驅動單元的信號進行適當?shù)难舆t處理，以形成所需的聲音波束。通過調整每個驅動單元的延遲時間，可以控制聲音在垂直方向上的定位和集中。它涉及以下步驟：
（4.1）陣列幾何設計：根據系統(tǒng)需求和場地條件，設計合適的揚聲器陣列幾何結構。這包括確定驅動單元的數(shù)量、間距和布置方式。通過合理的陣列幾何設計可以實現(xiàn)所需的波束形成效果。
（4.2）波束形成算法選擇：根據系統(tǒng)需求和目標，選擇適當?shù)?em>波束形成算法。常見的波束形成算法包括波束型權重（Beamforming weights）算法和最小均方誤差（Minimum Mean Square Error）算法等。
（4.3）驅動單元信號處理：將來自每個驅動單元的音頻信號輸入到多通道DSP中進行信號處理。針對波束形成，需要對每個驅動單元的音頻信號應用適當?shù)?em>波束形成算法和參數(shù)設置。
（4.4）波束形成參數(shù)配置：通過DSP設備的用戶界面或軟件工具，配置每個驅動單元的波束形成參數(shù)。這包括波束型權重的設置、延遲值的調整以及相位校正等。這些參數(shù)的設置可根據系統(tǒng)需求、陣列幾何和目標場景等因素進行優(yōu)化。
（4.5）調試和優(yōu)化：完成配置后，進行系統(tǒng)調試和優(yōu)化。通過實時監(jiān)測音頻輸出和波束形成效果，評估是否達到了預期的聲音投射效果。如果需要調整，可以根據實際情況微調DSP參數(shù)，如波束型權重、延遲和相位設置等。對于復雜的場景或要求更高的應用，可能需要進行進一步的驗證和調整。這會涉及實際測試、聽覺評估和實地優(yōu)化等。通過不斷的驗證和調整，確保波束形成在實際使用中能夠達到最佳性能。
展開 圖1 精密陣列式聲學相機軟件模塊NTS.LAB ACM
圖2 手持式MEMS聲學相機軟件模塊NTS.LAB ACP
2聲源定位算法原理
基于傳聲器陣列測量的聲源定位系統(tǒng)的核心是定位算法，目前主流的算法包括波束形成和聲全息兩種。波束形成算法在高頻具有較好的定位分辨率，而聲全息算法在中低頻具有較好的定位分辨率，因此兩者可以形成很好地互補。下面將闡述兩種算法的具體原理。
2.1波束形成算法原理
波束形成算法原理是根據傳聲器陣列中各陣元的位置以及接收到聲波時間的差異，來確定聲源的位置。延時求和算法是最經典穩(wěn)定的波束形成算法，其基本原理如圖3所示，以參考傳聲器為基準，對陣列中其他傳聲器接收到的信號進行延時操作，補償接收到聲波的傳播延時，使得所有傳聲器對于某期望位置上接收到的聲波在經過延時后相位相同，接著對所有信號進行加權、求和運算。經過算法處理后，期望位置上的聲信號會得到增強，進而產生一個空間響應極大值，而其他位置上的信號則被減弱，信號得到增強出現(xiàn)極大值的位置即為潛在聲源位置。
圖3 延時求和波束形成算法原理圖
傳統(tǒng)的波束形成技術是基于平面波假設發(fā)展起來的。理想條件下，聲源位于傳聲器陣列無窮遠處時，其輻射出的聲波為平面波。實際測量時，當聲源與傳聲器陣列之間的距離，其中為D陣列孔徑，為聲波波長，此時聲源即被認為是遠場聲源，傳聲器接收到的聲波可視為平面波，如圖4所示。然而，當前可視化聲源定位的一個發(fā)展趨勢是使用大孔徑陣列近距離測量，這樣可以獲得更多的聲源信息。例如，在工廠車間等嘈雜環(huán)境對機器設備進行故障診斷或降噪處理時，在一定條件下應該盡量減小測量距離，才能獲得比較高的信噪比，更準確地定位出噪聲源的位置。
展開 選購陣列時所需要考慮的重要因素：
環(huán)境（機艙內、室內、室外、水下）
所需的頻率范圍
聲學成像圖所需分辨率
聲源距離（近場或遠場）
聲源類型（靜止或移動）
球 形 陣 列
主要用途：機艙內、室內
球面波束形成根據一種簡單的測量法，在各種聲學環(huán)境中都能提供完整的360°聲學成像圖。提供兩種算法：一種基于球諧函數(shù)的算法，稱為SHARP；另一種是濾波與求和，稱為FAS（專利申請中）。FAS能夠極大降低最大旁瓣水平。低頻增強技術幫助解決低頻聲源空間分辨率差的問題。結合CLEAN-SC的FAS能夠極大提高中高頻聲源的空間分辨率。
其它的方法只能描繪部分周圍環(huán)境，而球面波束形成則運用球形陣列繪制出所有方向上的噪聲，而裝在圓球上的12臺攝像頭會同時記錄下所有方向上的圖像。
記錄下來的圖像會作為聲成像圖的背景。球面波束形成無需假定聲學環(huán)境，因此，在自由場以及混響環(huán)境均可使用。
在狹小以及半阻尼空間中（如車輛與飛機機艙）通常都會用到球面波束形成。
噪聲源識別方式：球面波束形成
通道數(shù)：36或50
尺寸：20cm直徑
最大頻率：12kHz（最大旁瓣級優(yōu)于6dB）
平 面 輪 形 陣 列
主要用途：室內、戶外
我們創(chuàng)新性的輪形陣列具有多種直徑與傳聲器配置，視具體應用而定。可與PULSE波束形成軟件搭配使用，并且可達到理想的效果，同時保證使用便捷。
該陣列主要用于波束形成測量，不過如果足夠接近聲源，也可以用于聲全息測量。
展開 <p>在風洞中使用傳聲器陣列進行波束形成測量時，傳聲器信號會被氣流噪聲嚴重干擾。考慮穩(wěn)態(tài)運行工況，傳統(tǒng)的頻域波束形成方法會對互譜矩陣（CSM）進行長時間的平均，假定傳聲器之間的氣流噪聲是不相關的，氣流噪聲與真實噪聲源信號也是不相關的，這樣氣流噪聲的貢獻會<strong>逐漸地集中在CSM主對角線上</strong>。</p><p><br></p><p>目前廣泛使用的方法是<strong>主對角線移除（Diagonal Removal, DR）</strong>，即避免使用CSM主對角線，這對于一些波束形成算法是有效的，但其缺點是會低估聲源幅值，在聲源云圖上產生負的聲功率。反卷積波束形成如NNLS可以使用DR去噪，CLEAN-SC也包含了DR過程，它對強聲源有很好地識別能力，但對弱聲源就無法收斂。</p><p><br></p><p>對于其他波束形成算法，如函數(shù)波束形成，以及與聲全息相關的算法，CSM主對角線是必需的。為此，本文介紹兩種新方法，即<strong>主對角線去噪</strong>（Diagonal Denoising, DD）和<strong>典型相干去噪</strong>（Canonical Coherence Denoising, CCD）。</p><p><br></p><p>DD從主對角線上最大可能地減去功率和，同時保持所有非主對角線不變并且矩陣是半正定的。當主對角線以外的噪聲貢獻都被平均掉，且不相干聲源的數(shù)目不超過<img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/OZOcVSxAOZVOaIuIaYLw6SdFVJBRpwhvxz6BMJkeC3UnntRexHVeq03OiaVibhWQO7JgCH4F1yu8pCjd47bulY0g/640?
展開 
波束形成的最新內容
相控陣列天線波束形成器組件
波束形成器由電子和RF電路組成，用于將輸入信號轉換為可控的傳輸信號。無源相控陣列系統(tǒng)是最常見的相控陣列天線類型，其使用一系列組件，如發(fā)射器功率放大器、波束形成器和各個天線單元，將單個輸入信號轉換為指向所需方向的信號。波束形成器通常由衰減器、移相器或提供類似功能的組件組成。
后處理分析：基于加速度或聲壓信號的轉速提取、特征信號處理、模態(tài)分析、動平衡分析（單面、雙面、多面）、軸心軌跡與平均軸心位置（軸絕對振動，軸向位移、差脹、斜面差脹、殼脹、閥門位置，極坐標、伯德圖、APHT圖、半頻譜圖、全頻譜圖、趨勢圖、XY圖、動力學剛度圖）、根軌跡分析、故障診斷分析，聲品質分析，基于波束形成法和聲全息方法的噪聲源定位。
如何精確定位和量化高鐵外部噪聲？6個月前
總結
通過“精確測量+ 精準定位 + 定量分析”為降噪設計提供直接依據，HBK移動聲源波束形成系統(tǒng)可實現(xiàn)核心能力包括：
噪聲源排序：可定義受電弓、輪對、轉向架、車廂間通道等小區(qū)域，計算各區(qū)域的聲功率貢獻量，按“噪聲重要性”對區(qū)域排序（例如明確轉向架是主要噪聲源）。
波束形成（Beamforming）
適用于整體噪聲掃描
陣列通常放置在離設備約35 cm處（約一個陣列直徑）
配合反射板使用，可顯著抑制背景噪聲干擾
尤其擅長中高頻噪聲分析
聲學攝像機與反射板和平板設備一起使用
2.
NTS.LAB Modal模態(tài)測試分析系統(tǒng)
漢航NTS.LAB GVT全機（彈）地面共振測試分析系統(tǒng)
漢航NTS.LAB Rotate旋轉機械測試分析系統(tǒng)（航空發(fā)動機測試分析介紹）
漢航NTS.LAB VCS+ACS振動控制+聲學控制系統(tǒng)
漢航NTS.LAB CAL傳感器校準系統(tǒng)
漢航NTS.LAB AMS聲學測量+聲品質測試分析
漢航NTS.LAB ACX基于波束形成和聲全息方法聲學相機產品介紹
傳聲器陣列測量聲壓信號的后處理方法決定波束形成聲源識別的性能。延遲求和（delay and sum, DAS）和球諧函數(shù)波束形成（spherical harmonics beamforming，SHB）是常用的傳統(tǒng)方法。平面?zhèn)髀暺麝嚵胁捎肈AS；球面?zhèn)髀暺麝嚵欣碚撋霞瓤刹捎肈AS 可采用SHB，實際上主要采用SHB（低頻表現(xiàn)更佳）。
風洞測量
使用高精度陣列傳聲器和優(yōu)化的陣列設計，進行精細化波束形成和噪聲源識別，結合先進的互譜矩陣去噪方法，特別適合風洞環(huán)境下的測量。
結構動力學測試
提供加速度計、力捶、模態(tài)激振器、功放和模態(tài)測試與分析軟件，支持從測試到報告以及有限元與測試相關性分析的完整流程。
如下圖所示，這種方法顯著減少了仿真所需的計算資源和時間：
CST仿真的高精確性
我們收集了各種模擬方法與測量結果的準確性比較如下所示，從數(shù)字波束形成（DBF）、到達方向（DOA）三方面進行仿真與實際測試的對比。
<p>在風洞中使用傳聲器陣列進行波束形成測量時，傳聲器信號會被氣流噪聲嚴重干擾。考慮穩(wěn)態(tài)運行工況，傳統(tǒng)的頻域波束形成方法會對互譜矩陣（CSM）進行長時間的平均，假定傳聲器之間的氣流噪聲是不相關的，氣流噪聲與真實噪聲源信號也是不相關的，這樣氣流噪聲的貢獻會<strong>逐漸地集中在CSM主對角線上</strong>。
<p>像統(tǒng)計最優(yōu)近場聲全息（SONAH）和等效源（ESM）這樣的近場聲全息（NAH）方法僅限于低頻聲源成像，即平均麥克風間距小于聲波波長的一半，而波束形成（Beamforming）只能在中高頻率下提供有用的空間分辨率。通過適當?shù)年嚵性O計，這兩種方法可以在同一個陣列中使用。但是，NAH要提供良好的低頻分辨率，需要較小的測量距離，而波束成形則需要較大的距離來限制旁瓣。
