申请/专利权人：武汉理工大学

申请日：2019-03-29

公开（公告）日：2020-10-16

公开（公告）号：CN109959445B

主分类号：G01H17/00(20060101)

分类号：G01H17/00(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.10.16#授权;2019.07.26#实质审查的生效;2019.07.02#公开

摘要：本发明公开了一种智能声强扫描系统，包括声强测试单元、机械扫描装置、摄像头和总控制系统，声强传感器和球形灯安装在传感器支架上，球形灯关于声强传感器的探头中心对称；声强传感器总成安装在机械扫描装置之上并由机械扫描装置进行位移控制；摄像头固定于声强传感器后方并设置为在声强扫描过程中进行拍摄，所述的声强测试单元、机械扫描装置、摄像头与总控制系统分别相连并受控制系统控制而工作。本发明实现了声场内的高效率、高精度声强扫描，在声源的快速识别与精确定位方面具有较高的应用价值。

主权项：1.一种智能声强扫描系统，其特征在于包括声强测试单元、机械扫描装置、摄像头和总控制系统，所述声强测试单元包括声强传感器总成和数据采集系统，声强传感器总成由声强传感器、两只球形灯、传感器支架构成，声强传感器和球形灯安装在传感器支架上，球形灯关于声强传感器的探头中心对称；声强传感器总成安装在机械扫描装置之上并由机械扫描装置进行位移控制；摄像头固定于声强传感器后方并设置为在声强扫描过程中进行拍摄，两只球形灯按照摄像机的拍摄的帧率交替变换红光和绿光，并通过取前后两帧图片的红色区域和绿色区域的交集区域作为球形灯的图像；所述的声强测试单元、机械扫描装置、摄像头与总控制系统分别相连并受控制系统控制而工作；传感器支架为竖直设置的十字架状，在十字架的横臂两端头各设置一个水平往前的伸臂，在各伸臂的前端设置一个球形灯；十字架的竖臂顶端设置声强传感器，声强传感器整体水平往前方延伸悬置在十字架的竖臂顶端上；声强传感器与两个伸臂相互平行设置，球形灯关于声强传感器探头中心对称。

全文数据：智能声强扫描系统技术领域本发明涉及声学测试领域，尤其涉及一种智能声强扫描系统。背景技术在复杂的声场环境中往往包含多个噪声源，对主要噪声源的识别与定位，是控制噪声的前提和基础。由于声强具有方向性，用声强法测量声功率不受环境的限制，无需在昂贵的消声实验室进行，所以在工程上通过声强法对噪声源进行定位具有较多的应用。声强法进行噪声源定位，采用离散点法对声源进行声强测试时，首先需要对声源的测量表面进行测试面元划分，每个面元的中点就是离散声强测试的测点。测试时将声强传感器轴线垂直被测表面，依次测出测量表面中每个测点处的表面法线方向的声强，然后根据每一个点的值绘制声强分布云图，根据声强值的大小确定主要噪声源的位置。该方法精度较高，但是操作繁琐，需要耗费大量的时间，限制了其在工程中的应用。专利“一种声强测试支架”（中国专利号：200910185837.7）提出一种半自动的声强测试支架，通过人工控制轨道上的声强传感器到达指定的位置，进行危险场合下的声强测试，相对于手动扫描，具有一定的先进性，但依靠人工调节声强传感器的位置，操作依然繁琐不便。还有相关中国专利提出基于图像识别技术快速定位声强传感器在空间的位置，其在专利中提出，将光源绑在声强探头上，移动声强传感器在待测区域表面匀速扫描，通过识别光源在图像中的位置，得到声强探头在图像中的位置。但是，光源的中心和声强探头的中心并不一致，通过光源定位声强探头位置存在偏差；在被测区域内如果存在其它光源，会对光源定位声强探头造成干扰，甚至产生错误的定位；按照均匀的速度去扫描待测区域，如果想得到较高的声场的分辨率，需采用密集的扫描路径和较低的扫描速度，那么扫描效率则很低，现有的扫描方法很难兼顾声场的分辨率和扫描效率。发明内容本发明要解决的技术问题在于提供一种可克服上述技术问题的智能声强扫描系统，能够在存在背景灯光干扰的情况下，快速的扫描声场，粗略估计声场分布情况，然后根据输入的声场分辨率参数，自动规划扫描路径和速度再次进行扫描，在保证声场分辨率的前提下，尽可能的提高扫描效率。为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种智能声强扫描系统，其特征在于包括声强测试单元、机械扫描装置、摄像头和总控制系统，所述声强测试单元包括声强传感器总成和数据采集系统，声强传感器总成由声强传感器、两只球形灯、传感器支架构成，声强传感器和球形灯安装在传感器支架上，球形灯关于声强传感器的探头中心对称；声强传感器总成安装在机械扫描装置之上并由机械扫描装置进行位移控制；摄像头固定于声强传感器后方并设置为在声强扫描过程中进行拍摄，所述的声强测试单元、机械扫描装置、摄像头与总控制系统分别相连并受控制系统控制而工作。进一步的，声强传感器两侧设置在拍摄过程汇总能够交替变换红光和绿光的球形灯，摄像头拍摄声强扫描过程，并设置为通过图像处理的方式定位小灯在图中的位置，从而获得声强探头的扫描路径。进一步的，传感器支架为竖直设置的十字架状，在十字架的横臂两端头各设置一个水平往前的伸臂，在各伸臂的前端设置一个球形灯；十字架的竖臂顶端设置声强传感器，声强传感器整体水平往前方延伸悬置在十字架的竖臂顶端上；声强传感器与两个伸臂相互平行设置，球形灯关于声强传感器探头中心对称。进一步的，球形灯支杆竖直设置而固定在各伸臂的前端，球形灯的中心高度与声强传感器的探头中心所在的竖直高度大致相同。进一步的，传感器支架的竖臂底端设置一个与声强传感器延伸方向相反方向平行的的支臂，该支臂的端部固定在机械臂的顶端。进一步的，所述的机械扫描装置包括机械臂、升降平台和小车底盘，升降平台由步进电机、螺杆、升降台和升降台导向柱组成，步进电机设置在小车底盘上，升降台与小车底盘上下平行间隔设置，升降台固定在驱动螺杆上，并通过步进电机驱动螺杆而在竖直方向上移动，在移动过程中，升降台的外围通过升降导向柱进行导向约束；机械扫描装置能够带动声强传感器总成实现上下、左右、前后方向的移动进给。进一步的，在智能声强扫描系统打开后，两只球形灯交替发出绿光和红光，同时，打开摄像头和声强测试单元，摄像头固定在声强扫描装置后方，并拍摄下声强扫描的全部过程，声强测试单元同步测试扫描过程中的声强信号，两只球形灯交替变换色彩的频率等于摄像头拍摄的帧率。进一步的，扫描结束后，总控制系统对拍摄视频的每一帧图像进行处理，首先读取第一幅图像中各像素点的红色分量值大于200的点的坐标，然后读取下一幅图像中各像素点的绿色分量值大于200的点的坐标，然后再读取下一幅图像中各像素点的红色分量值大于200的点的坐标，依此交替进行；之后，对前后两幅图像读取的坐标点进行求交集，交集部分视为两个球形灯的图像点，分别求出每个球形灯图像中心点，并连接两个中心点，再取其中心，视为声强探头中心在图像中的位置；依此交替进行，得到声强传感器探头的扫描路径，并将扫描路径中的每一点与同步采集的声强值联立起来，然后绘制出声强分布云图，将声强分布云图与摄像头拍摄的扫描区域图像叠加到一起，即可获得扫描区域的声强分布云图。进一步的，本智能声强扫描系统包括如下扫描步骤：步骤一：固定摄像头在声强测试单元及待声强扫描区域的后方，并拍摄一张待扫描区域的图像，在图像中规划扫描的范围，并输入总控制系统之中，同时在总控制系统之中设定好声场分辨率；步骤二：总控制系统在规划的扫描的区域内，自动规划稀疏的扫描路径快速进行扫描，获得声场粗略的分布图；步骤三：基于声场粗略的分布图和预设的声场分辨率，总控制系统再次自动规划扫描路径和速度，获得声场的精细声强分布云图；在步骤三中，总控制系统再次规划扫描路径和速度基于的原则是：在声强值较大的区域，扫描路径较为密集，扫描速度较慢，提高此处的声场分辨率；在声强值较小的地方，扫描路径较为稀疏，扫描的速度较快，提高扫描效率。本发明实现了声场内的高效率、高精度声强扫描，在声源的快速识别与精确定位方面具有较高的应用价值。由此，本发明提出的智能声强扫描系统，在声强探头中心处对称布置两只球形灯，在图像中，连接两只球形灯的中心，取连线的中心点作为声强探头的中心，能够实现在图像中对声强探头进行高精度的定位，而且小灯分布在声强探头两侧，自身不会对声强探头附近的声传播噪声影响；两只球形小灯按照摄像机的拍摄的帧率交替变换红光和绿光，并通过取前后两帧图片的红色区域和绿色区域的交集区域作为球形小灯的图像，即使被扫描区域内存在各色光源，都很难对声强探头中心的定位造成干扰，通过该方法定位的稳定性非常高；通过初次快速扫描粗略确定声场，然后再根据输入的分辨率，自动规划扫描路径和速度，兼顾扫描的精度和效率。因此，与现有技术相比，本发明能够在存在背景灯光干扰的情况下，快速的扫描声场，粗略估计声场分布情况，然后根据输入的声场分辨率参数，自动规划扫描路径和速度再次进行扫描，在保证声场分辨率的前提下，尽可能的提高扫描效率。实现了声场内的高效率、高精度声强扫描，在声源的快速识别与精确定位方面具有较高的应用价值。附图说明图1为本发明智能声强扫描系统总结构示意图；图2为本发明智能声强扫描系统中的声强传感器总成主视图；图3为本发明智能声强扫描系统中声强传感器总成侧视图。图中，1、摄像头；2、小车底盘；3、升降台导向柱；4、步进电机；5、螺杆；6、升降台；7、机械臂；8、声强传感器支架；9、球形灯；10、声强传感器；11、待测对象；12、数据采集系统；13、总控制系统。本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。参照图1至图3为根据本发明实现的智能声强扫描系统优选实施例，包括声强测试单元、机械扫描装置、摄像头1和总控制系统13，所述声强测试单元包括声强传感器总成和数据采集系统12，数据采集系统12用于采集声强传感器总成的声强信息。声强测试单元、机械扫描装置上下连接设置，摄像头1位于两者之外，总控制系统13分别与声强测试单元、机械扫描装置、摄像头1连接并控制各自动作。声强传感器总成由声强传感器10、两只球形灯9、传感器支架8构成。如图2和3所示，传感器支架8为竖直设置的十字架状，在十字架的横臂两端头各设置一个水平往前的伸臂，在各伸臂的前端设置一个球形灯9；十字架的竖臂顶端设置声强传感器10，声强传感器10整体水平往前方延伸悬置在十字架的竖臂顶端上；声强传感器10与两个伸臂相互平行设置，球形灯9关于声强传感器10探头中心对称。优选球形灯9支杆竖直设置而固定在各伸臂的前端，球形灯9的中心高度与声强传感器10的探头中心所在的竖直高度大致相同。传感器支架8的竖臂底端设置一个与声强传感器10延伸方向相反方向平行的的支臂，该支臂的端部固定在机械臂7的顶端。所述的机械扫描装置包括机械臂7、升降平台和小车底盘2，升降平台由步进电机4、螺杆5、升降台6和升降台导向柱3组成，机械扫描装置整体设置在小车底盘2上，步进电机设置在小车底盘2上，升降台6与小车底盘2上下平行间隔设置，升降台6固定在驱动螺杆5上，并通过步进电机4驱动螺杆5而在竖直方向上移动，在移动过程中，升降台6的外围通过升降导向柱3进行导向约束。声强传感器总成安装在机械扫描装置之上，构成声强扫描装置；所述的声强测试单元、声强扫描装置、两只球形灯9和摄像头1与总控制系统13相连，并受其控制。在总控制系统控制13下，机械扫描装置可以带动声强传感器10实现上下、左右、前后的扫描。本发明中，总控制系统13可以为常规PLC控制系统或单片机控制系统或DSP控制系统中的一种或多种。数据采集系统12包括两通道的声音采集模块，用于采集声强传感器的信号，可以为本领域目前适用的主流芯片。在本发明的智能声强扫描系统打开后，两只球形灯9交替发出绿光和红光，同时，摄像头1固定在声强扫描装置后方，打开摄像头1和声强测试单元，并拍摄下声强测试扫描的全部过程，声强测试单元同步测试扫描过程中的声强信号，两只球形灯9交替变换色彩的频率等于摄像头拍摄的帧率。扫描结束后，总控制系统13对摄像头1拍摄视频的每一帧图像进行处理，首先读取第一幅图像中各像素点的红色分量值（R值）大于200的点的坐标，然后读取下一幅图像中各像素点的绿色分量值（G值）大于200的点的坐标，然后再读取下一幅图像中各像素点的红色分量值（R值）大于200的点的坐标，依此交替进行。对前后两幅图像读取的坐标点进行求交集，交集部分视为两个球形灯9的图像点，分别求出每个球形灯9图像中心点，并连接两个中心点，再取其中心，视为声强传感器10探头中心在图像中的位置；依此交替进行，得到声强传感器10的扫描路径，并将扫描路径中的每一点与同步采集的声强值联立起来，然后绘制出声强分布云图，将声强分布云图与摄像头1拍摄的扫描区域图像叠加到一起，即可获得扫描区域的声强分布云图。该智能声强扫描系统工作过程如下：步骤一：固定摄像头1在待扫描区域的后方，并拍摄一张待扫描区域的图像，在图像中规划扫描的范围，并输入总控制系统之中，同时在总控制系统13之中设定好声场分辨率；步骤二：总控制系统13在规划的扫描的区域内，自动规划稀疏的扫描路径快速进行扫描，获得声场粗略的分布图；步骤三：基于声场粗略的分布图和预设的声场分辨率，总控制系统13再次自动规划扫描路径和速度，在声强值较大的区域，扫描路径较为密集，扫描速度较慢，提高此处的声场分辨率；在声强值较小的地方，扫描路径较为稀疏，扫描的速度较快，提高扫描效率。将再次扫描得到的精确的声强分布云图与摄像头1拍摄的扫描区域图像叠加到一起，即可获得扫描区域的精确声强分布云图，为声源的快速识别与精确定位提供判断依据。由此，本发明公开了一种智能声强扫描系统，能够在存在背景灯光干扰的情况下，快速的扫描声场，粗略估计声场分布情况，然后根据输入的声场分辨率参数，自动规划扫描路径和速度再次进行扫描，在保证声场分辨率的前提下，尽可能的提高扫描效率。声强传感器两侧装有交替变换红光和绿光的球形小灯，固定于后方的摄像头拍摄扫描过程，并通过图像处理的方式定位小灯在图中的位置，从而获得声强探头的扫描路径。本发明实现了声场内的高效率、高精度声强扫描，在声源的快速识别与精确定位方面具有较高的应用价值。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

权利要求：1.一种智能声强扫描系统，其特征在于包括声强测试单元、机械扫描装置、摄像头和总控制系统，所述声强测试单元包括声强传感器总成和数据采集系统，声强传感器总成由声强传感器、两只球形灯、传感器支架构成，声强传感器和球形灯安装在传感器支架上，球形灯关于声强传感器的探头中心对称；声强传感器总成安装在机械扫描装置之上并由机械扫描装置进行位移控制；摄像头固定于声强传感器后方并设置为在声强扫描过程中进行拍摄，所述的声强测试单元、机械扫描装置、摄像头与总控制系统分别相连并受控制系统控制而工作。2.根据权利要求1所述的智能声强扫描系统，其特征在于声强传感器两侧设置在拍摄过程汇总能够交替变换红光和绿光的球形灯，摄像头拍摄声强扫描过程，并设置为通过图像处理的方式定位小灯在图中的位置，从而获得声强探头的扫描路径。3.根据权利要求1所述的智能声强扫描系统，其特征在于传感器支架为竖直设置的十字架状，在十字架的横臂两端头各设置一个水平往前的伸臂，在各伸臂的前端设置一个球形灯；十字架的竖臂顶端设置声强传感器，声强传感器整体水平往前方延伸悬置在十字架的竖臂顶端上；声强传感器与两个伸臂相互平行设置，球形灯关于声强传感器探头中心对称。4.根据权利要求1所述的智能声强扫描系统，其特征在于球形灯支杆竖直设置而固定在各伸臂的前端，球形灯的中心高度与声强传感器的探头中心所在的竖直高度大致相同。5.根据权利要求1所述的智能声强扫描系统，其特征在于传感器支架的竖臂底端设置一个与声强传感器延伸方向相反方向平行的的支臂，该支臂的端部固定在机械臂的顶端。6.根据权利要求1所述的智能声强扫描系统，其特征在于所述的机械扫描装置包括机械臂、升降平台和小车底盘，升降平台由步进电机、螺杆、升降台和升降台导向柱组成，步进电机设置在小车底盘上，升降台与小车底盘上下平行间隔设置，升降台固定在驱动螺杆上，并通过步进电机驱动螺杆而在竖直方向上移动，在移动过程中，升降台的外围通过升降导向柱进行导向约束；机械扫描装置能够带动声强传感器总成实现上下、左右、前后方向的移动进给。7.根据权利要求1所述的智能声强扫描系统，其特征在于在智能声强扫描系统打开后，两只球形灯交替发出绿光和红光，同时，打开摄像头和声强测试单元，摄像头固定在声强扫描装置后方，并拍摄下声强扫描的全部过程，声强测试单元同步测试扫描过程中的声强信号，两只球形灯交替变换色彩的频率等于摄像头拍摄的帧率。8.根据权利要求1所述的智能声强扫描系统，其特征在于扫描结束后，总控制系统对拍摄视频的每一帧图像进行处理，首先读取第一幅图像中各像素点的红色分量值大于200的点的坐标，然后读取下一幅图像中各像素点的绿色分量值大于200的点的坐标，然后再读取下一幅图像中各像素点的红色分量值大于200的点的坐标，依此交替进行；之后，对前后两幅图像读取的坐标点进行求交集，交集部分视为两个球形灯的图像点，分别求出每个球形灯图像中心点，并连接两个中心点，再取其中心，视为声强探头中心在图像中的位置；依此交替进行，得到声强传感器探头的扫描路径，并将扫描路径中的每一点与同步采集的声强值联立起来，然后绘制出声强分布云图，将声强分布云图与摄像头拍摄的扫描区域图像叠加到一起，即可获得扫描区域的声强分布云图。9.根据权利要求1所述的智能声强扫描系统，其特征在于本智能声强扫描系统包括如下扫描步骤：步骤一：固定摄像头在声强测试单元及待声强扫描区域的后方，并拍摄一张待扫描区域的图像，在图像中规划扫描的范围，并输入总控制系统之中，同时在总控制系统之中设定好声场分辨率；步骤二：总控制系统在规划的扫描的区域内，自动规划稀疏的扫描路径快速进行扫描，获得声场粗略的分布图；步骤三：基于声场粗略的分布图和预设的声场分辨率，总控制系统再次自动规划扫描路径和速度，获得声场的精细声强分布云图；在步骤三中，总控制系统再次规划扫描路径和速度基于的原则是：在声强值较大的区域，扫描路径较为密集，扫描速度较慢，提高此处的声场分辨率；在声强值较小的地方，扫描路径较为稀疏，扫描的速度较快，提高扫描效率。

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