一种便携式、可折叠旋转的斐波那契球声阵列装置

本发明涉及声音信号采集，尤其是涉及一种便携式、可折叠旋转的斐波那契球声阵列装置。

背景技术：

1、声阵列装置是一种基于声波传播的采集和成像技术，它主要由多个声传感器按照一定的空间布局，通过测量声波的传播时间相关的信息，对测试对象进行声信号采集、成像和分析。根据不同的需要，数字传感器阵列可以选择不同的方向性设置，例如，全向性、单向性、双向性、超心向性等。此外，根据应用的场景，数字传感器的布局有多种形状：例如，圆形、矩形、三角形、线性等布局形状。在实际应用中，根据具体的场景和需求，可以选择不同形状的数字传感器阵列，以达到最优的声音捕捉和处理效果。例如，在会议室、演讲厅等场合，通常选择线性阵列，以保证较好的声源定位和聆听效果；在音频会议系统中，通常采用圆形阵列进行多方通话，以支持全方位的语音收集；在音乐录音室中，通常使用双向性或超心向性的数字传感器阵列，以保证音源的清晰度和音质；而球型数字传感器阵列利用其全方位的音频捕捉能力，适用于需要在空间中进行全方位声音捕捉的场合，以实现高质量的环境音乐或语音采集。

2、一般来说，球型数字传感器阵列需要用到多个传感器和复杂的信号处理算法，数字传感器数量越多，密度越大，阵列的灵敏度和准确度越高，但成本和复杂度也会相应提高，使得其在应用中受到限制。由于环境噪声的存在，球型数字传感器阵列采集的声音信号可能会受到干扰，而且在传感器间信号传递的过程中也可能会引入失真。此外，球型数字传感器阵列需要实时采集和处理环境声音，对阵列硬件和性能有较高的要求。虽然球型数字传感器阵列在实际应用中已经显示出了很大的潜力，但要进一步提高其性能和应用范围，还需要解决上述问题，因此设计一款布局排列合理的声阵列装置尤为重要。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了提供一种便携式、可折叠旋转的斐波那契球声阵列装置。数字传感器阵列是声信号采集设备中关键的部分，尤其是在声学相机、声场重构等场景中越来越受到重视，布局设计良好的数字传感器阵列在波束模式中，减小主瓣宽度、抑制旁边方面发挥极好的作用，从而提高多声源识别分辨率，具有良好的成像能力。所述斐波那契球声阵列装置适用于波束形成声信号成像、声场重构的场景。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种便携式、可折叠旋转的斐波那契球声阵列装置，包括卡槽帽、旋转叶片、中心杆和底座，

4、所述中心杆底端固定于底座上方，所述中心杆上设有多个旋转叶片，多个所述旋转叶片排列规则符合斐波那契数5的排列规则；

5、所述卡槽帽设有两个，两个所述卡槽帽设于中心杆上，多个所述旋转叶片设于两个卡槽帽之间，所述卡槽帽用于防止旋转叶片脱落；

6、所述旋转叶片的左右两端均设有一个安装凹槽，所述安装凹槽用于放置数字传感器。

7、进一步地，所述斐波那契球声阵列装置包括36个旋转叶片，36个所述旋转叶片长度不等，长度尺寸最长的旋转叶片为37cm，最短的旋转叶片为9cm。

8、上述更进一步地，所述旋转叶片展开时，最底部的旋转叶片计数为0，往上数，第5个旋转叶片恰好和第0个旋转叶片位置重合，第5个旋转叶片恰好和第0个旋转叶片之间的旋转叶片均匀分布，位置不重合，后续每5个旋转叶片为一个周期循环，共计7个周期，每个周期符合斐波那契数5的排列规则，36个旋转叶片和上下两个卡槽帽呈现球状结构。

9、上述更进一步地，所述旋转叶片折叠时，36个旋转叶片和上下两个卡槽帽呈现直径为37cm的圆饼状结构。

10、进一步地，所述旋转叶片包括旋转叶片中心圆环、支臂和固定末端，所述旋转叶片中心圆环两端分别通过支臂与固定末端相连，所述固定末端上设有安装凹槽。

11、上述更进一步地，所述旋转叶片中心圆环直径为4cm。

12、上述更进一步地，所述卡槽帽中心设有卡槽帽中心圆环，所述旋转叶片中心圆环和卡槽帽中心圆环上均设有中心孔、旋转叶片折叠位置固定孔和旋转叶片展开位置固定孔，

13、所述中心杆穿过中心孔固定于底座上方，所述旋转叶片折叠位置固定孔和旋转叶片展开位置固定孔距离中心孔等距呈现夹角θ＝72°，

14、当旋转叶片折叠时，所述旋转叶片折叠位置固定孔用于固定折叠的旋转叶片，

15、当旋转叶片展开时，所述旋转叶片展开位置固定孔用于固定展开的旋转叶片。

16、上述更进一步地，所述旋转叶片中心圆环另一侧设有锁珠，所述锁珠类似折叠伞杆上的那个小圆珠，用力按压可以伸缩；

17、当旋转叶片折叠时，所述锁珠插入旋转叶片折叠位置固定孔内，

18、当旋转叶片展开时，所述锁珠插入旋转叶片展开位置固定孔内。

19、上述更进一步地，所述固定末端横截面为等腰三角形，所述固定末端底端设有安装凹槽，所述固定末端底端最宽处为4cm。

20、进一步地，所述旋转叶片、卡槽帽和底座材质采用孔密度高的金属泡沫铜，其整体铜的密度较低，在保证结构的硬度与抗冲击能力以外，所述斐波那契球声阵列装置结构具有轻量化、耐高温、耐腐蚀、耐磨损和防火性能强等特点。

21、进一步地，所述安装凹槽(5)内设有防滑垫，所述防滑垫用于防止数字传感器脱落，所述防滑垫材质采用热塑性聚氨酯弹性体橡胶(tpu)，具有可塑性号、承载能力强、抗冲击以及减震能力，在固定数字传感器上有很明显的优点，不仅能够防止数字传感器脱落，而且在震动工况下能有效屏蔽阵列自带震动噪声的干扰。

22、进一步地，所述中心杆为可伸缩中心杆，所述中心杆横截面的直径为1cm。

23、进一步地，所述底座为锥形底座，所述锥形底座底部直径为18cm，所述底座与地面接触面设有减震橡胶垫。

24、本发明的原理如下：

25、斐波那契数列是意大利数学家列昂纳多·斐波那契(leonardo fibonacci)所发明，此数列从2项开始，每一项都等于前两项之和。在数学上，斐波那契数列被以递归的方法定义：

26、f(0)＝0,f(1)＝1,f(n)＝f(n-1)+f(n-2)#(1)

27、式中，n≥2且n∈n*。

28、在生活中，斐波那契数列中的斐波那契数经常会出现在眼前，比如松果、凤梨、一些树叶的排列、以及一些花朵的花瓣数等等。以某种符合斐波那契数的植物的叶、枝、茎排列为例，来用以说明斐波那契数的规律。在树木枝干上选择一片叶子，记其数为0，然后依序点数叶片(假定该枝干上没有折损的叶片)，一直到与记数为0的那片叶子正对的位置，则其间的叶子数量多半是斐波那契数。

29、本发明正是以斐波那契数5为基础设计了该装置，它主要由36个可旋转叶片和可伸缩中心杆相互结合构造而成，这些旋转叶片在巧妙合理的机械结构的配合下，可以在平面和球型之间变换。每个旋转叶片高度为1cm，36个按圆弧变化规律的旋转叶片折叠后，加上2个0.5厘米厚的卡槽帽，使阵列呈现直径37cm的圆形片状物体。数字传感器定位点在每个旋转叶片顶端，每个旋转叶片顶端各镶嵌一个数字传感器，因此该装置一共支持最大72个数字传感器。

30、阵列旋转开后，第一个旋转叶片计数为0，此后每5个旋转叶片一个周期，出现和第0个旋转叶片位置相同的叶子。为了让该阵列变得有规律性，任何一个旋转叶片都会存在每个周期出现相同位置的旋转叶片，可以设定任意两个相邻的旋转叶片中轴位置的角度为θ，可表示为：

31、

32、其中，n为斐波那契数5，则在该装置中，θ＝72°，从装置顶部视角来看，一个平面按θ角度等分。

33、本发明所述的斐波那契球声阵列装置，最底部的旋转叶片计数为0，往上依次点数，第5个旋转叶片恰好和第0个旋转叶片位置重合，中间的旋转叶片均匀分布，位置不重合，后续每5个旋转叶片为一个周期循环，共计7个周期，每个周期符合斐波那契数。

34、本发明装置中，最大的旋转叶片长度为37cm，最宽处为4cm，高1cm，主要由三部分构成：1)中心处由圆环构成，外径4cm，内径1.1cm，中心孔径为直径1cm的中心杆所提供，圆环上面设有旋转叶片折叠位置固定孔和旋转叶片展开位置固定孔，直径为0.4cm，表示旋转起始位置和旋转结束位置，两个旋转叶片折叠位置固定孔和旋转叶片展开位置固定孔中心处夹角为θ；2)第二部分为中间的支臂，呈柱状，长度为8cm；3)第三部分为叶端的固定末端，三角状高8.5cm，底部宽4cm，传感器镶嵌在固定末端底部。其它旋转叶片长度则按照标准圆弧度依次等比例缩减，其中三个部位除圆环外，略有变化。

35、该装置遵循自然界斐波那契数的规律，每5个旋转叶片一个周期，10个旋转叶片的末端指向不同方位，定义各个传感器点位不仅协调、对称、美观，而且空间几何形式能够更好的观测空间声场，具有减小主瓣宽度和抑制旁瓣的能力，通过这种设计，在实际应用中可以很好的完成不同工况中的声信号采集工作。此外，该装置模块化设计，方便拆卸和组装，有利于延长该装置的使用寿命，使用时只需一个实验人员就能很快的组装和拆卸，十分的便捷。

36、所述的斐波那契球声阵列装置折叠时主体部分呈现直径37cm的圆饼形状，去除上下卡槽帽后，按1cm等分成36个切片，每个切片就是一个旋转叶片，旋转叶片顶端部位部署宽高分别为1.4cm、0.7cm的安装凹槽，用于放置数字传感器。

37、旋转叶片的中间部分为旋转叶片中心圆环，旋转叶片圆环中心正面直径上设有一个0.4cm旋转叶片折叠位置固定孔，所述旋转叶片圆环中心背面设有锁珠，旋转叶片折叠位置固定孔和锁珠一起组合作为该斐波那契球声阵列装置折叠的限制位。相邻两个旋转叶片交替叠放，锁珠和旋转叶片折叠位置固定孔对齐，此时阵列装置处于折叠状态。

38、所述旋转叶片中心圆环直径上的旋转叶片折叠位置固定孔一侧有另外一个同样孔径的旋转叶片展开位置固定孔，所述旋转叶片折叠位置固定孔和旋转叶片展开位置固定孔距离中心孔的圆心点等距呈现夹角θ＝72°，当正对旋转叶片折叠位置固定孔的锁珠旋转到一侧的旋转叶片展开位置固定孔上时，两个旋转叶片恰好夹角为θ＝72°，当所有旋转叶片按照此规律旋转开后，此时阵列为伸展状态，从顶部视角来看恰好10组均匀分部在360°的空间上。

39、旋转叶片拼接折叠在一起呈现标准圆饼等距离切片，每个旋转叶片最宽处为4cm，位于旋转叶片中心圆环直径和旋转叶片固定末端底部，这能够保证斐波那契球声阵列装置主体部分能够平放在平面上。

40、此外，每个旋转叶片长度不等，叶片长度尺寸最长的旋转叶片为37cm，最短的旋转叶片为9cm。由于阵列主体具有球面特性，每个旋转叶片固定末端底部会有弧面，因此可以保证使镶嵌在弧面上的传感器朝向不同的方向，增加了阵列装置的检测范围，使空间几何分布更加合理化。

41、旋转叶片固定末端设有放置数字传感器的安装凹槽，可以使用3d打印增材制作凹形垫片，材料为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(tpu)，具有可塑性号、承载能力强、抗冲击以及减震能力，在固定数字传感器上有很明显的优点，不仅能够防止数字传感器脱落，而且在震动工况下能有效屏蔽阵列自带震动噪声的干扰。

42、此外，顶部和底部的卡槽帽起卡锁功能，使36个旋转叶片固定在合理的范围内，并使其仅能够在水平面上旋转，使阵列装置主体部分结构更加趋于稳定。

43、上述的阵列主体部分通过直径1cm的不锈钢的可伸缩中心杆与底座连接。使用非固定的底座，该阵列底座为实体圆锥形，底部直径为18cm，制作工艺为孔密度高的金属泡沫铜，底座与地面接触面带有减震橡胶垫，在有震动噪声的噪声测量工况中能够有效屏蔽装置自身的震动噪声干扰，进一步优化了测量结果。该底座能够拆卸，极大提高了阵列装置的便携性，使噪声测量工作能够更有效率。

44、与现有技术相比，本发明的有益效果如下所示：

45、1)从结构上来说，本技术设计的声信号采集阵列具有方便携带的特点，36个旋转叶片可以旋转成一个平面结构，有效减少了空间占用；阵列设计采用自然界普遍存在的斐波那契数的规律，使空间几何构造更加优美和谐，减少了相邻数字传感器的相互干扰和交叉耦合。阵列主体材料使用金属泡沫铜加工而成，有利于减少声波反射和电磁干扰带来的影响，以达到减轻噪声干扰和电磁干扰的目的。

46、2)从实用上来说，因为数字传感器有规律的分布在球面上，该阵列可以在所有方面上都可以均匀地接收声音，使得该阵列可以捕捉全方位声场或全向声源时非常有效。球声阵列可以通过分析不同麦克风之间的声音传播时间和声音特性来抑制环境的混响，这对于音频处理和语音识别等应用非常有用。

47、3)本发明所述的斐波那契球声阵列装置设有36个旋转叶片、可伸缩中心杆、底座以及卡槽帽，按照一定的空间几何构造，组成了完整的阵列装置，展开后变形为球型阵列，用户可以在合理的范围内球面数字传感器密度来完成不同工况下的声信号采集。