空气声呐科普贴系列（一）

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——空气声呐的阵元个数与大小到底影响什么？

说起“空气声呐”这个词，大部分人表示：“啥玩意儿？没听说过……”

小部分人脑海中浮现出的画面是这样的 ↓ ↓ ↓ ↓

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高科技？潜艇、轮船？军用的？很神秘…………

“空气声呐”顾名思义——肯定是以空气作为介质的嘛！它是由一定数目的声音传感器按一定几何形状排列组合而成的电子设备。目前已在民用领域逐渐发挥出越来越广泛的作用，例如：工业巡检机器人用来监测机械异常噪声；智慧安防设备用来进行声源定位、异响监测；产品质检；机器设备预测性维护；环保领域的噪音监控；智能交通领域监测违法鸣笛等等。

空气声呐声传感器的数目也被称为“阵元个数”，不同的阵元个数及不同的组合形状会给空气声呐带来不同的性能差异。

是什么性能不同呢？（此处敲黑板~）

以常见的均匀线列阵波束形成为例，此时衡量阵列性能的主要参数之一3dB宽度（HPBW）为：

5 F _* N8 J6 X' L0 H( f

0.891×λNd (u space)

其中λ表示为信号的波长，N为阵元个数，d为阵元间距。而阵列波束图的3dB宽度越小，意味主瓣越窄，阵列声源定位的性能则越好。

0 s4 u; z; ]4 n$ Y0 B& A0 ^- D8 F- a

那么我们就可以得出结论——信号波长不变时，N*d（孔径）越大，阵列的3dB带宽越小。

2 ?( {3 I9 L3 J* }5 W; f p

总之，阵元个数越多，阵元间距越大，阵列孔径越大，此时阵列的声源定位性能越好。

这也解释了为什么军用的舷侧阵声呐与拖曳声呐往往都几米甚至几十米的长度，孔径大啊，可以探测甚至几公里外的目标。下图展示的扩展时声呐浮标展开后孔径至少6m以上。

看完理论仍旧一脸懵逼？？？那我们直接来上图直观解释一下。

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首先我们来看看对于一个十字阵，阵元间距固定为3cm，阵元个数分别为8、16、32、64时的波束图吧（接收单频信号3000Hz）。

可以看到——在阵元间距不变的条件下，阵列的波束图主瓣随着阵元个数的增加越来越窄，直观的感觉就是由胖变瘦了，主瓣越尖锐，分辨率越高，波束形成定位性能越高，这是阵元个数的增大带来的阵列性能的提升。

接下来看看阵元个数固定为16，阵元间距增大又会带来怎样的影响呢？下图所示分别为阵元间距3mm，1cm，3cm，10cm时的波束图（接收单频信号3000Hz）.

8 [% B9 l, o( P& S9 T

) O& l) [% h+ Q. d

可以看到，在阵元个数一定的条件下，随着阵元间距的逐渐增大，孔径增大，阵列的波束图主瓣随着阵元个数的增加越来越窄，依然是由胖变瘦了，阵列性能也不断提升。

/ I8 k0 G& a: a/ d- t7 R' t" _

~~~~划重点~~~~

- k2 `, G# X0 j _+ K

影响阵列性能的最重要的因素之一是阵列孔径，由阵元间距与阵元个数决定。

那么我们是不是可以无限增大阵元个数与间距来提升阵列性能呢？

$ \. i' r( E$ O _# V! b

显然不科学——阵元个数太多、或者阵列太大，不仅会带来庞大的计算压力，也会造成阵列成本过于昂贵，缺乏实用价值！

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以下是最新编辑修改

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本文发出后，有多位热心知友留言斧正，原文确实存在一处很严重的笔误，如下图：

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; A+ `" Q9 c: T+ A1 `8 A

正确的公式为：3dB带宽 0.891 λ/Nd

4 n1 z3 K3 J3 P" S J* M

由于我的不严谨给大家带来的困扰深表歉意，以后一定会注意哒！

最后再次感谢大家的指正与帮助，鞠躬~~

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