CN102853902A - 一种非接触测量边界振动的方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触测量边界振动的方法及应用，首先在三维空间内建立直角坐标系，并在被测物体周围布置2N个声压传感器，确定其几何坐标矢量；利用数据采集卡对2N个声压传感器的信号进行同步采样，通过各个声压传感器测量得到时域声压，经傅里叶变换得到频域复声压；基于各声压传感器位置的频域复声压、计算机虚拟离散得到的结构单元及声学边界元的数值积分程序计算得到各离散单元表面的振动复速度和复声压；通过结构表面振动复速度和复声压计算得到结构表面的声强值，识别得到声源的位置和强度。

Description

一种非接触测量边界振动的方法及应用

技术领域

本发明涉及一种振动测试方法，特别涉及一种非接触测量被测物体边界振动速度、声压的方法，并可以将该方法应用于振动声源的识别。

背景技术

边界的振动存在于多种应用场合。边界振动的测量方法目前主要采用加速度传感器安装在边界表面进行测量，这种测量方法属于接触式测量，一方面由于传感器与振动表面接触并一起运动，不可避免的带来测量误差；另一方面单个传感器只能测量当地的局部振动速度，测量效率较低。采用电涡流或光学传感器是一种非接触式测量方法，能够动态测量振动物体表面的位移、速度等参量，具有较高的精度，但是同样不能一次测量整个固体边界各局部的振动位移和速度，测量效率不高。现有技术还未有一种采用非接触方式能够同时测量整个固体边界各局部表面振动速度的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用非接触方式同时测量整个固体边界各局部表面振动速度的方法。该非接触测量方法测量精度高，并能显著提高测量速度，同时，基于测得的固体局部表面振动速度，可以快速计算出相应的位移、加速度。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种非接触边界振动测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)在被测物体周围布置2N个声压传感器，各声压传感器连接一个数据采集卡，数据采集卡连接至计算机；在三维空间内建立直角坐标系，确定各声压传感器的几何坐标矢量x_n，其中，n=1,2,...2N，N≥2；

(2)基于数据采集卡同步采样得到2N个声压传感器采集的时域离散声压p(x_n，k△t)，k＝1，2，...K，其中K表示采样次数，△t表示采样时间间隔；

(3)对时域离散声压p(x_n，k△t)采用快速傅里叶变换，得到对应的频域复声压P(x_n，k△f)，其中

表示频率分辨率；

(4)将被测物体边界虚拟离散为N个三角形或四边形单元，分别确定各单元的面积S_m，m=1,2,...N和单元中心的坐标矢量y_m及法向矢量n(y_m)，将上述参数和步骤(3)得到的2N个声压传感器的频域复声压值代入到下式：

$P(x_n,\mathrm{k\Δf})=-\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{S_j}\frac{\∂G(x_n,y_m,\mathrm{k\Δf})}{\∂n\left(y_m\right)}P(y_m,\mathrm{k\Δf})d{S}_m\left(y_m\right)$

(1)

$-2\mathrm{\πj}\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{S_m}\mathrm{k\Δf\ρ}{V}_n(y_m,\mathrm{k\Δf})G(x_n,y_m,\mathrm{k\Δf}){\mathrm{dS}}_m\left(y_m\right)$

其中G(x_n，y_m，k△f)表示频域Green函数，其具体表达式为

$G(x_n,y_m,\mathrm{k\Δf})=\frac{e^{j2\mathrm{\πk\Δf}|x_n-y_m|/c_0}}{4\mathrm{\π}|x_n-y_m|}---\left(2\right)$

基于上述步骤构造一个2N×K维方程组，求解方程组得到被测物体边界上N个单元表面振动的复速度V_n(y_m，k△f)和复声压P(y_m，k△f)；

(5)将求解结果回代到式(1)求解得到被测物体表面N个单元分别对2N个声压传感器辐射的复声压P_m(x_n，k△f)；

(6)类似于步骤(4)，对被测物体边界上N个单元中的每一个单元再次虚拟离散细分为N个更小单元；采用式(1)继续求解更小单元振动的复速度和复声压；重复上述操作，直到求解得到被测物体边界上满足尺寸要求的单元振动复速度和复声压；

(7)根据已求得的被测物体表面各满足尺寸要求的单元振动复速度，代入到式(3)和式(4)中分别求出该单元的振动加速度和位移：

a_n(y_m，k△f)＝j2π·k△f·V_n(y_m，k△f)                (3)

$D_n(y_m,\mathrm{k\Δf})=\frac{V_n(y_m,\mathrm{k\Δf})}{j2\mathrm{\π}\·\mathrm{k\Δf}}---\left(4\right)$

上述方法中，所述的满足尺寸要求的单元尺寸在

范围内，其中c₀表示音速。

一种基于上述非接触边界振动测量方法的用途：根据被测物体表面的振动复速度和复声压，计算得到被测物体表面的声强，在计算机显示设备上输出被测边界表面的声源强度分布特征。

本发明方法是综合利用声压同步采样和处理技术、声学边界元数值积分计算技术，通过计算机实现被测物固体边界振动速度、加速度及位移的非接触测量方法，不会产生接触测量方式带来的误差，具有较高的精度，并且能够一次测量得到整个振动边界表面各个区域的振动速度，速度远快于接触式的单点测量方法。同时能够快速计算得出振动固体表面各区域的振动加速度和位移。从而应用于声源识别，即在计算机显示设备上输出被测物边界表面的声源强度分布特征。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明测量系统示意图。图中：1、被测物体；2、声压传感器；3、信号线；4、多通道数据采集卡；5、传输线；6、计算机。

具体实施方式

参见图1，本发明方法涉及的硬件包括：在被测物体1周围布置2N（N≥2，图中为四个）个声压传感器2（其中包括放大器），声压传感器2通过信号线3与多通道数据采集卡4连接，多通道数据采集卡4通过传输线5连接至计算机6。声压传感器的数量和高速数据采集卡的通道数均不得小于4。

在计算机6设有中声压采样及处理软件，该软件具有以下功能：时域声压采样输出、基于傅里叶变换得到并输出复声压信号、基于复声压计算边界振动复速度、基于被测边界振动的复速度和复声压计算声强识别声源；其中复声压和复速度分别是指同时包含幅值和相位信息的声压和速度物理量。

本发明非接触边界振动测量方法，具体包括下述步骤：

（1）在三维空间内建立直角坐标系，确定各声压传感器的几何坐标矢量x_n，其中，n=1,2，...2N，N≥2。

（2）基于数据采集分析系统同步采样分别得到2N个声压传感器采集得到的噪声声压在时域空间内的离散信号p(x_n，k△t)，k＝1，2，...K，其中K表示采样次数，△t表示采样时间间隔。

（3）对上述离散时域声压信号p(x_n，k△t)采用快速傅里叶变换，得到对应的频域复声压信号P(x_n,k△f)，其中表示频率分辨率。

（4）在计算机软件中将被测物体边界虚拟离散为N个三角形或四边形单元，分别确定各单元的面积S_m(m=1,2,...N)和单元中心的坐标矢量y_m及法向矢量n(y_m)，将上述参数和步骤(3)得到的2N个观察点的频域复声压值代入到下式：

$P(x_n,\mathrm{k\Δf})=-\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{S_j}\frac{\∂G(x_n,y_m,\mathrm{k\Δf})}{\∂n\left(y_m\right)}P(y_m,\mathrm{k\Δf})d{S}_m\left(y_m\right)$

(1)

$-2\mathrm{\πj}\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{S_m}\mathrm{k\Δf\ρ}{V}_n(y_m,\mathrm{k\Δf})G(x_n,y_m,\mathrm{k\Δf}){\mathrm{dS}}_m\left(y_m\right)$

其中G(x_n，y_m，k△f)表示频域Green函数，其具体表达式为

$G(x_n,y_m,\mathrm{k\Δf})=\frac{e^{j2\mathrm{\πk\Δf}|x_n-y_m|/c_0}}{4\mathrm{\π}|x_n-y_m|}---\left(2\right)$

基于上述步骤构造一个2N×K维方程组，求解方程组可以得到振动固体边界上N个单元表面振动的复速度V_n(y_m，k△f)和复声压P(y_m，k△f)。

（5）将求解得到的结果回代到式(1)可以分别求解得到固体边界表面N个单元分别对对2N个声压传感器辐射的声压分量P_m(x_n，k△f)。

（6）类似于步骤(4)，在计算机软件中对被测物体边界上N个单元中的每一个单元再次虚拟离散细分为N个更小单元；采用式(1)继续求解更小单元的声压和振动速度信息；重复上述操作，直到求解得到满足尺寸要求的振动表面各区域振动速度和压力信息。其中，满足尺寸要求的单元尺度在

范围内，其中c₀表示音速，推荐单元尺度为

（7）根据已求得的振动固体（被测物体）表面各区域（满足尺寸要求的单元）振动复速度，代入到式(3)和(4)分别求出相应区域的振动加速度和位移：

a_n(y_m，k△f)＝j2π·k△f·V_n(y_m，k△f)                (3)

$D_n(y_m,\mathrm{k\Δf})=\frac{V_n(y_m,\mathrm{k\Δf})}{j2\mathrm{\π}\·\mathrm{k\Δf}}---\left(4\right)$

一种基于以上非接触边界振动测量方法的用途：根据被测边界表面的振动复速度和复声压，计算得到振动表面的声强，在计算机显示设备上输出被测边界表面的声源强度分布特征（声源识别）。

Claims (3)

1.一种非接触测量边界振动的方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)在被测物体周围布置2N个声压传感器，各声压传感器连接一个数据采集卡，数据采集卡连接至计算机；在三维空间内建立直角坐标系，确定各声压传感器的几何坐标矢量x_n，其中，n=1,2,...2N，N≥2；

(2)基于数据采集卡同步采样得到2N个声压传感器采集的时域离散声压p(x_n，k△t)，k＝1，2，...K，其中K表示采样次数，△t表示采样时间间隔；

(3)对时域离散声压p(x_n，k△t)采用快速傅里叶变换，得到对应的频域复声压P(x_n，k△f)，其中

表示频率分辨率；

(4)将被测物体边界虚拟离散为N个三角形或四边形单元，分别确定各单元的面积S_m，m=1,2,...N和单元中心的坐标矢量y_m及法向矢量n(y_m)，将上述参数和步骤(3)得到的2N个声压传感器的频域复声压值代入到下式：

$P(x_n,\mathrm{k\Δf})=-\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{S_j}\frac{\∂G(x_n,y_m,\mathrm{k\Δf})}{\∂n\left(y_m\right)}P(y_m,\mathrm{k\Δf})d{S}_m\left(y_m\right)$

(1)

$-2\mathrm{\πj}\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{S_m}\mathrm{k\Δf\ρ}{V}_n(y_m,\mathrm{k\Δf})G(x_n,y_m,\mathrm{k\Δf}){\mathrm{dS}}_m\left(y_m\right)$

其中G(x_n，y_m，k△f)表示频域Green函数，其具体表达式为

$G(x_n,y_m,\mathrm{k\Δf})=\frac{e^{j2\mathrm{\πk\Δf}|x_n-y_m|/c_0}}{4\mathrm{\π}|x_n-y_m|}---\left(2\right)$

基于上述步骤构造一个2N×K维方程组，求解方程组得到被测物体边界上N个单元表面振动的复速度V_n(y_m，k△f)和复声压P(y_m，k△f)；

(5)将求解结果回代到式(1)求解得到被测物体表面N个单元分别对2N个声压传感器辐射的复声压P_m(x_n，k△f)；

(6)类似于步骤(4)，对被测物体边界上N个单元中的每一个单元再次虚拟离散细分为N个更小单元；采用式(1)继续求解更小单元振动的复速度和复声压；重复上述操作，直到求解得到被测物体边界上满足尺寸要求的单元振动复速度和复声压；

(7)根据已求得的被测物体表面各满足尺寸要求的单元振动复速度，代入到式(3)和式(4)中分别求出该单元的振动加速度和位移：

a_n(y_m，k△f)＝j2π·k△f·V_n(y_m，k△f)    (3)

$D_n(y_m,\mathrm{k\Δf})=\frac{V_n(y_m,\mathrm{k\Δf})}{j2\mathrm{\π}\·\mathrm{k\Δf}}---\left(4\right)$

2.如权利要求1所述的非接触测量边界振动的方法，其特征在于，所述满足尺寸要求的单元尺寸在

范围内，其中c₀表示音速。

3.一种振动声源的识别方法，其特征在于，基于权利要求1所述非接触测量边界振动的方法：根据被测物体表面的振动复速度和复声压，计算得到被测物体表面的声强，在计算机显示设备上输出被测边界表面的声源强度分布特征。

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