CN102141431A - 双层介质空间中的声场测量与变换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双层介质空间中的声场测量变换方法，该方法的步骤为：在声源S1附近建立两个同轴的柱面测量面，S1位于柱面内，分别测量两个测量面上的声压分布p1，p2；将介质分界面反射的声波看作是声源S1关于界面的镜像S2直接发出的声波；将每个测量面上的声压分解为自S1和S2处直接传播至各测量面的声压之和，即，p1(x1，y1，z1)＝p11(x1，y1，z1)+p21(x1，y1，z1)，p2(x2，y2，z2)＝p12(x2，y2，z2)+p22(x2，y2，z2)；上述两式左右两边分别进行二维傅立叶变换，并根据声源S1和虚声源S2在两个柱面测量面上的声压关系，即， 求解波数域的声压分布，然后通过二维傅立叶逆变换得到空间域上声源S1直接传播至两个测量面上的声压p11，p12；最后利用测量得到的任一测量面上的来自S1的声压分布进行柱面全息反演变换，从而获得全空间的声压分布。该方法克服了由于界面的存在导致声场测量变换准确度差的缺陷，并且，变换过程简单，计算量小，速度快。
Description
技术领域
本发明涉及一种声学中的声场测量变换技术，具体是一种在双层介质空间中进行声场测量变换的方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步和人民生活水平的不断提高，噪声已成为环境和产品评价的一项重要指标，军事、交通运输、航空航天、工程机械等领域如何降低噪声水平也成为一个倍受关注的课题。噪声控制需要从声源控制、传播途径控制和受者保护三方面进行，一般来讲，声源控制是噪声控制中最根本、最有效的手段，而主要声源的定位与识别也是噪声控制工程的关键问题。传统识别噪声源的方法主要有常规的声压到声强测量以及多维声压梯度测量；常规的谱分析(自功率谱、互功率谱、互相干等)。声场的全息测量技术突破了传统上通过测量声源表面振速信息计算声场辐射特性方法的瓶颈，而将声辐射问题转化为逆问题来研究，从而可通过测量部分声场信息重建声源表面信息，根据重建信息预测整个三维声场的辐射特性，开展近场声全息技术研究对噪声和振动控制、声源识别与定位等具有非常重要的意义。
通常的声场的全息测量变换方法包括，(1)空间声场变换法，该方法最突出的优势是获得声场信息量丰富，并大多可借助于FFT快速计算，但最大的缺陷在于对重建的声源表面形状的适应性差。由于实际结构的形状各式各样，结构表面为正交坐标系的情况较少，所以仅靠正交共形近场声全息变换远远无法满足工程需求。当声源几何形状严重偏离了任何正交坐标系下的可分离形面，需要一种更加通用的声场重建途径；(2)逆向边界元法，该方法主要优势在于对声源几何形状适应性强，但同时也增加了计算量，因为离散后的矩阵通常都是非对称的满阵。除此之外，还产生了奇异积分的问题，无论是否需要获得满意的精度，都需要巧妙的积分技术，如极坐标变换法等，从而增加了额外的数据处理量。
在工程实际中，上述声场测量变换方法更大程度的依赖于实际的测量环境，例如，声源处于封闭空间或处于有分界面的半自由空间中，分界面两侧的介质相差很大，上述所介绍的方法都要求全息面上测量声压为声源辐射的直达声压，即要求在全消声的环境下进行，这在实际测量中几乎是不可能满足的条件，因此传统的测量和变换方法对于存在反射声的半自由声场环境并不能做出很好的处理。为解决实际测量环境中的声场测量变换的问题，必须在测量和变换方法进行改进。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的声场测量变换方法对分层介质空间中由于存在界面反射造成的声场测量不准确的缺陷提供一种双层介质中的声场测量与变换方法。
实现上述目的本发明的技术方案为，一种双层介质空间中的声场测量与变换方法，该方法的步骤为：
(1)在声源S1附近建立两个柱面测量面，S1位于柱面内；
(2)分别测量两个测量面上的声压分布p1，p2；
(3)将介质分界面反射的声波看作是声源S1关于界面的镜像S2直接发出的声波。将每个测量面上的声压分解为声源S1和虚声源S2直接传播的声压之和，即，p1(x1，y1，z1)＝p11(x1，y1，z1)+p21(x1，y1，z1)，p2(x2，y2，z2)＝p12(x2，y2，z2)+p22(x2，y2，z2)，这里的p11，p21分别是声源S1和虚声源S2在测量面1上的声压，p12，p22分别是声源S1和虚声源S2在测量面2上的声压；
(4)上述声压信号p1，p2，p11，p21，p12，p22进行二维傅立叶变换，并根据声源S1和虚声源S2在两个柱面测量面上的声压关系，即， 求解得到波数域的声压后，通过二维傅立叶逆变换得到空间域上声源S1直接传播至两个测量面上的声压p11，p12，这里的Hn (1)，Jn分别是汉克尔函数和贝塞尔函数，rh1和rh2分别是两个柱面测量面的半径，kz和kr是柱坐标下的轴向波数和径向波数；
(5)利用S1直接传播至任一测量面上的声压进行柱面声场全息反演变换获得全空间的声压分布。
上述测量方法中的声源可以是大于或等于一个的声源。
上述测量方法中，通过多点测量两个测量面上的声压信号，每个测量点的测量数据大于等于一次。
上述测量方法中，测量被测面上的声压信号时，通过分布在该测量面上的声压传感器进行测量。
上述测量面上的声压信号是经数据采集器采集到的数字信号，并且为了提高信号的分辨率，可以将信号通过放大器将信号强度放大后再进行后续处理。
本发明通过对两个测量面上的声压信号进行测量，将每个测量点上所测量的声压值分解为声源直达声压和经过界面的反射声压之和，并采用虚源法，将这两部分声压分为真实声源和对应虚源产生的声压的叠加，从而，消除了界面产生的影响，通过快速傅立叶变换后的声压关系得到声源在测量面上的直接声压信号，再利用分离后的直达声压进行全息变换从而得到了全空间的声场分布，该方法克服了通常进行在实际情况下进行声场测量与变换时，由于界面的存在导致声场变换结果准确度差的缺陷，并且利用该方法，变换过程简单，计算量小，速度快。
附图说明
图1是本发明所述的双层介质空间中的声场测量变换方法原理图；
图2是本发明所用方法和传统测量变换方法得到得声场分布比较。
图中(a)是理论声场分布；(b)是传统方法得到的声场分布；(c)是本发明得到的声场分布。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的进行具体描述，如图1是本发明所述的双层介质空间中的声场测量与变换方法原理图，如图所示，在一个双层介质空间中有声源S1，本实施例的附图中用一个声源作为示意，实际应用中不仅限于一个声源的空间，具有多个声源的空间同样可以采用本发明的方法进行测量变换，为测量S1所在空间的声场分布，首先在S1附近建立两个圆柱形测量面，测量面的半径分别为rh1和rh2，利用分布在测量面上的多个声压传感器测量声压信号数据，为提高声压测量数据的精确度，可以利用放大器将信号增强，并且该测量数据是多次测量平均后的数字信号量，rh1和rh2两个测量面上测量到的声压信号实际是声源S1发出声波的直达信号和声波信号通过界面反射至测量面的信号之和，即，p1(x1，y1，z1)＝p11(x1，y1，z1)+p21(x1，y1，z1)，p2(x2，y2，z2)＝p12(x2，y2，z2)+p22(x2，y2，z2)，反射至测量面的信号也可以看作是S1关于界面的镜像声源S2直接传播到测量面的信号，因此，这里的p11，p21分别是声源S1和虚声源S2在一个rh1测量面上的直达波声压，p12，p22分别是声源S1和虚声源S2在rh2测量面上的直达波声压；利用快速傅立叶变换将上述的声压信号变换至波数空间中，声压的关系同样保持叠加的关系，即，P1(kz，rh1)＝P11(kz，rh1)+P21(kz，rh1)，P2(kz，rh2)＝P12(kz，rh2)+P22(kz，rh2)，结合声源S1和S2在rh1、rh2两个柱面测量面上的声压关系， 即可得波数空间的各个声压P12(kz，rh2)，P11(kz，rh1)，P21(kz，rh1)，P22(kz，rh2)，再通过二维傅立叶逆变换得到声源S1直接传播至两个测量面上的声压p11，p12，这里的Hn (1)，Jn分别是汉克尔函数和贝塞尔函数，kz和kr是柱坐标下的轴向波数和径向波数。利用S1直接传播至任一测量面上的声压p11或p12进行柱面声场全息反演变换获得全空间的声压分布。
如图2是本发明所用方法和传统测量变换方法得到得声场分布比较，图中(a)是理论声场分布；(b)是传统方法得到的声场分布；(c)是本发明得到的声场分布。通过比较，显而易见，(c)利用本发明所述的测量变换方法得到的声场分布更和理论声场的分布接近，减少了反射声波变换时导致的偏差。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种双层介质空间中的声场测量变换方法，其特征在于，该方法的步骤为：
(1)在声源S1附近建立两个柱面测量面，S1位于柱面内部；
(2)分别测量两个测量面上的声压分布p1，p2；
(3)将介质分界面反射的声波看作是声源S1关于界面的镜像S2直接发出的声波，将每个测量面上的声压分解为声源S1和虚声源S2直接传播的声压之和，即，p1(x1，y1，z1)＝p11(x1，y1，z1)+p21(x1，y1，z1)，p2(x2，y2，z2)＝p12(x2，y2，z2)+p22(x2，y2，z2)，这里的p11，p21分别是声源S1和虚声源S2在测量面1上的声压，p12，p22分别是声源S1和虚声源S2在测量面2上的声压；
(4)上述声压信号p1，p2，p11，p21，p12，p22进行二维傅立叶变换，并根据声源S1和虚声源S2在两个柱面测量面上的声压关系，即， 求解得到波数域的声压后，通过二维傅立叶逆变换得到空间域上声源S1直接传播至两个柱面测量面上的声压p11，p12，这里的Hn (1)，Jn分别是汉克尔函数和贝塞尔函数，rh1和rh2分别是两个柱面测量面的半径，kz和kr是柱坐标下的轴向波数和径向波数；
(5)利用测量得到的任一测量面上的来自S1的声压分布进行柱面的全息反演变换，从而获得全空间的声压分布。
2.根据权利要求1所述的双层介质空间中的声场测量变换方法，其特征在于，声源可以是大于或等于一个的声源。
3.根据权利要求1所述的双层介质空间中的声场测量变换方法，其特征在于，通过多点测量两个测量面上的声压信号，每个测量点的测量数据大于等于一次。
4.根据权利要求1所述的双层介质空间中的声场测量变换方法，其特征在于，测量测量面上的声压信号是通过分布在该测量面上的声压传感器进行测量的。
5.根据权利要求1或4所述的双层介质空间中的声场测量变换方法，其特征在于，测量面上的声压信号是数字信号。
6.根据权利要求1或4所述的双层介质空间中的声场测量变换方法，其特征在于，测量面上的声压可以经过放大器将信号强度放大后再进行处理。
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