CN102879080A - 基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析方法 - Google Patents
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Abstract
一种声场分析系统及方法，调整摄像头位置与焦距使其拍摄的图像包含待测区域，并拍摄一张图像作为背景图保存在上位机中；将三个光源固定到声学传感器阵列的三个角上，声学传感器阵列连接到数据采集仪上，并通过滤光使摄像头拍摄的图像突显出光源的色彩；固定声学传感器阵列到待测区域表面附近，用摄像头拍摄记录阵列的位置图像，并用数据采集仪记录下声学信号；测量结束后，处理拍摄的图像，获得光源在图片中位置，获得阵列覆盖的区域，采用近场声全息方法重建阵列覆盖区域的声场，获得声学物理量信息，根据图像识别结果确定的位置，将声场结果叠加到图像对应的区域和背景图组合在一起输出，获取声场云图。本发明具有测试简单、效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及噪声源定位领域，具体涉及一种基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析系统及方法。
背景技术
在工业领域经常需要采取降噪措施控制噪声，而首先需要进行噪声源诊断，确定各主要噪声源的位置及其特性，这是噪声控制的前提。随着现代信号处理技术地发展，谱分析技术，相干和偏相干分析技术、声强探测技术、波束形成、以及近场声全息技术等得到了迅速地发展。
在这些方法中，近场声全息技术能逆向重建声源表面的声场，包括声压和法向速度、以及可以由声压和法向速度计算得到的其它声学物理量。近场声全息方法的重建分辨率高，可以分辨相距很近的声源。因此，近场声全息在分析声场时具有很大的优势。但另一方面，近场声全息方法在信号采集过程中需要使用众多声学传感器，通常用声学传感器阵列进行测量。声学传感器的定位对于重建精度影响很大，因此每次要准确记录声学传感器的位置，这就导致了测试过程的复杂性高，增加了工作量。
经对现有技术文献的检索发现，目前的近场声全息技术主要有以下几种形式：[1]基于二维傅立叶变换的近场声全息，参见Williams E.G.,Maynard J.D.and Skudrzyk E.在《Journal of the Acoustical Society of America》(68(1980):340-344)上的撰文“Soundsource reconstructions using a microphone array”（《美国声学学会杂志》：用麦克风阵列重建声源）；[2]基于边界元法的近场声全息，参见Veronesi W.，Maynard J.在《The Journalof the Acoustical Society of America》（85(1989):588-598）上的撰文“Digital holographicreconstruction of sources with arbitrarily shaped surfaces”（《美国声学学会杂志》：适用于任意外形声源的数值全息重建）；[3]基于波叠加的近场声全息，参见Fahnline J.B.和Koopmann Gary H.在《The Journal of the Acoustical Society of America》（90(1991):2808-2819）上的撰文“A numerical solution for the general radiation problem based on thecombined methods of superposition and singular-value decomposition”(《美国声学学会杂志》：基于波叠加和奇异值分解法的广义辐射问题数值解)；[4]统计最优近场声全息技术，参见Hald J.Patch near-field acoustical holography using a statistically optimal method.Inter-Noise 2003,Jeju(Korea),2003:2203-2210（Inter-noise国际噪声工程会议，2003年，采用统计最优方法的局部近场声全息）。现有的技术文献对于这些方法有很全面的介绍，相关的参考资料也不仅限于所列文献，但是其余文献都可以认为是对这些方法的补充和改进，基本原理相同。但是所有的这些技术文献都没有涉及到采用图像识别技术定位声学传感器位置。同时，在对现有中国专利的检索中也未检索到采用图像识别方法定位，并结合近场声全息方法分析声场的技术与方法。
另外，目前常用的声学传感器的定位方法主要有以下几种：关节臂三坐标测量机、红外线三坐标测量仪和计算机控制的扫描架。前两种有商用产品，后一种基本靠自行设计，这些仪器的工作效率较差，并没有从根本上解决近场声全息方法声学传感器定位的技术问题。
综上所述，现有近场声全息噪声源定位方法存在声学传感器定位复杂度高，工作效率低且工作强度大的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析系统，以解决现有近场声全息噪声源定位方法存在声学传感器定位复杂度高，工作效率低且工作强度大的技术问题。
本发明的另一目的在于提供一种基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析方法，以解决现有近场声全息噪声源定位方法存在声学传感器定位复杂度高，工作效率低且工作强度大的技术问题。
为达到上述目的，本发明提供一种基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析系统，包括：声学传感器阵列、三个光源、摄像头、数据采集仪和上位机，光源设置在声学传感器阵列的三个角上，声学传感器阵列与数据采集仪连接，数据采集仪与上位机连接，摄像头与上位机连接。
依照本发明较佳实施例所述的基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析系统，其还包括电源，该电源与三个光源连接。
依照本发明较佳实施例所述的基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析系统，该电源采用电池或稳压电源。
依照本发明较佳实施例所述的基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析系统，该三个光源均采用发光二极管。
为达到上述目的，本发明还提供一种基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析方法，包括以下步骤：
第一步、设定待测结构或声源的探测区域，调整摄像头位置与焦距使其拍摄的图像包含待测区域，并将摄像头信号连接到上位机接口，拍摄一张图像作为背景图保存在上位机中；
第二步、将三个光源固定到声学传感器阵列的三个角上，提供电源，使其发光，将声学传感器阵列连接到数据采集仪上；通过滤光，使摄像头拍摄的图像中突显出光源的色彩，过滤背景中其他颜色；
第三步、固定声学传感器阵列到结构或声源的待测区域表面附近，用摄像头拍摄记录阵列的位置图像，然后用数据采集仪记录下声学信号；
第四步、测量结束后，处理拍摄的图像，通过比较数字图像的GBR数值，获得光源在图片中位置，进而获得阵列覆盖的区域，提取声学信号，采用近场声全息方法重建阵列覆盖区域的声场，获得声学物理量信息；
第五步、根据图像识别结果确定的位置，将重建得到的声场结果叠加到图像对应的区域和背景图组合在一起作为结果输出，获取被阵列覆盖表面的声场云图。
依照本发明较佳实施例所述的基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析方法，第二步中过滤背景中的其他颜色后，图片中除光源以外的颜色接近于灰色。
依照本发明较佳实施例所述的基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析方法，声学物理量信息包括：声压、质点速度和声强的分布信息。
依照本发明较佳实施例所述的基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析方法，电源采用电池或稳压电源。
本发明结合图像处理方法，快速定位声学传感器阵列所覆盖的区域，采用近场声全息方法逆向重建的声场云图与分析区域重合，得到直观的重建结果。本发明可以将多次测量后重建的声场结果同时覆盖到声源表面，能够准确的定位阵列位置，无须采用机械的方式定位阵列和待测物之间的相对位置，降低了测试难度和复杂性，操作简单，大大节约了分析时间，提高了工作效率，降低了劳动强度。因此，与现有技术相比，本发明具有测试简单、工作效率高且劳动强度低的优点。
附图说明
图1为本发明基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析系统应用示意图；
图2为本发明实施例的声学传感器阵列与光源的连接结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图，具体说明本发明。
请参阅图1，一种基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析系统，包括：摄像头1、声学传感器阵列2、三个光源3、数据采集仪4和上位机5，光源3设置在声学传感器阵列2的三个角上，声学传感器阵列2与数据采集仪4连接，数据采集仪4与上位机5连接，摄像头1与上位机5连接。
摄像头1固定对准结构或声源表面的待测区域，用于拍摄待测区域。3个光源3采用小光源，具体采用发光二极管或类似光源，其绑定在声学传感器阵列2的三个角上，为摄像头1提供拍摄光源。声学传感器阵列2与光源3固定在待测区域表面附近，用于采集声学信号。本发明还包括一个电源与光源3连接，为光源3供电，具体的电源采用电池或稳压电源。数据采集仪4用于记录声学传感器阵列2采集到的声学信号并将声学信号发送给上位机5。上位机5用于控制发出触发信号（0-1信号），使得摄像头1拍摄待测区域，同时通过数据采集仪记录声学传感器的信号。并且，在探测结束后，对拍摄到的图像进行处理，获取光源在图像中的位置，进而获得阵列覆盖的区域，获取被阵列覆盖表面的声场云图。具体的，上位机5进一步包括：
滤光处理单元：与摄像头1连接，用以对摄像头1进行滤光处理，使摄像头1拍摄的图像中突显出光源的色彩，过滤背景中其他颜色。
开关处理单元：与摄像头1连接，输出触发信号，使摄像头1拍摄记录阵列的位置图像。
声信号处理单元：对采集到的信号进行处理，用近场声全息方法逆向重建声源表面的声学物理量，包括声压、质点速度、声强等。
图像处理单元：与摄像头1连接，处理拍摄的图像，获得光源在图片中位置，进而判断声学传感器阵列覆盖的区域范围。
声场云图处理单元：与图像处理单元和声信号处理单元连接，根据图像处理结果确定的位置，将重建得到的声学物理量叠加到图像对应的区域，和背景图组合在一起作为结果输出，获取被声学传感器阵列覆盖表面的声场云图。
显示单元：与声学云图处理单元连接，用以显示得到的声场云图。
以上对本发明基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析系统进行了详细的说明，基于上述的系统，本发明还提供一种基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析方法，包括以下步骤：
第一步：设定待测结构或声源的探测区域，调整摄像头位置与焦距使其拍摄的图像包含待测区域，并将摄像头信号连接到上位机接口，拍摄一张图像作为背景图保存在上位机中。
第二步：将三个光源固定到声学传感器阵列的三个角上，提供电源，使其发光，将声学传感器阵列连接到数据采集仪上，通过滤光，使摄像头拍摄的图像中突显出光源的色彩，过滤背景中其他颜色。
具体的，电源采用电池或稳压电源。更进一步地，过滤背景中的其他颜色后，图片中除光源以外的颜色接近于灰色。
第三步：固定声学传感器阵列到结构或声源的待测区域表面附近，用摄像头拍摄记录阵列的位置图像，然后用数据采集仪记录下声学信号。
第四步：测量结束后，处理拍摄的图像，通过比较数字图像的GBR数值，获得光源在图片中位置，进而获得阵列覆盖的区域，提取声学信号，采用近场声全息方法重建阵列覆盖区域的声场，获得声学物理量信息。
图像处理单元获取阵列覆盖区域的具体方法如下：(1)由于存在三个光源，可通过比较三个光源之间的距离关系确定三个光源的编号，并确定每个光源在图片中的位置；(2)根据声学传感器阵列与三个光源的几何变换关系，确定声学传感器阵列的四个角点在图片中的位置，从而确定阵列覆盖区域。
第五步：根据图像识别结果确定的位置，将重建得到的声场结果叠加到图像对应的区域和背景图组合在一起作为结果输出，获取被阵列覆盖表面的声场云图。
声场云图处理单元将声场结果叠加到图像对应的区域和背景图组合，具体如下：(1)重建得到的声场结果为一个与覆盖面积相同的声学物理量分布图，此分布图类似矩阵网格，网格节点上有对应的声学物理量，其值为云图计量值；(2)根据第四步确定的阵列四个角点的位置，用几何变换将声学物理量分布图转换为同拍摄图片中覆盖区域一样的形状，并将声学物理量赋值给图片中对应的位置，获得变换后的云图；(3)将变换后的云图和背景图组合在一起输出。
以下对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
请同时参照图1和图2，一种基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析方法，包括以下步骤：
1、以立式空调室内机作为待测声源，检测其正面某区域的声场分布，调整摄像头1位置与焦距使其拍摄的区域包含待测区域，并将摄像头1信号连接到上位机5接口，拍摄一张图像作为背景图保存在上位机5中。
2、将发光二极管作为光源3固定到声学传感器阵列2的三个角上，用电池供电使其发光，将阵列的信号导线连接到数据采集仪4上。通过滤光，使摄像头1拍摄的图像中突显出光源的色彩，过滤背景中其他颜色。
3、固定声学传感器阵列2到待测区域表面附近，用摄像头1拍摄记录阵列的位置图像，然后用数据采集仪4记录下声学信号。
4、处理拍摄的图像，通过比较数字图像的GBR数值，获得光源在图片中位置，然后根据光源3和阵列的对应关系，确定覆盖的区域位置。提取声学信号，用近场声全息方法重建被覆盖区域的声场。
5、将声学物理量分布图覆盖到背景图上，得到的图为被覆盖区域表面的可视化云图，此图可以用于分析声场特性。
本发明利用图像处理技术，实现了测量阵列的快速定位。在采集过程中用光源作为定位对象，通过滤光技术避免了背景色的干扰，提高了图像定位的精度。采用可视化的云图输出方式快速定位噪声源。利用本发明的方法，能够准确的定位阵列位置，无须采用机械的方式定位阵列和待测物之间的相对位置，降低了测试难度和复杂性，提高了工作效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施实例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析系统，其特征在于，包括：声学传感器阵列、三个光源、摄像头、数据采集仪和上位机，所述光源设置在所述声学传感器阵列的三个角上，所述声学传感器阵列与所述数据采集仪连接，所述数据采集仪与所述上位机连接，所述摄像头与所述上位机连接。
2.如权利要求1所述的基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析系统，其特征在于，还包括电源，所述电源与所述三个光源连接。
3.如权利要求2所述的基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析系统，其特征在于，所述电源采用电池或稳压电源。
4.如权利要求1所述的基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析系统，其特征在于，所述三个光源均采用发光二极管。
5.一种基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、设定待测结构或声源的探测区域，调整摄像头位置与焦距使其拍摄的图像包含待测区域，并将摄像头信号连接到上位机接口，拍摄一张图像作为背景图保存在上位机中；
第二步、将三个光源固定到声学传感器阵列的三个角上，提供电源，使其发光，将声学传感器阵列连接到数据采集仪上，通过滤光，使摄像头拍摄的图像中突显出光源的色彩，过滤背景中其他颜色；
第三步、固定声学传感器阵列到结构或声源的待测区域表面附近，用摄像头拍摄记录阵列的位置图像，然后用数据采集仪记录下声学信号；
第四步、测量结束后，处理拍摄的图像，通过比较数字图像的GBR数值，获得光源在图片中位置，进而获得阵列覆盖的区域，提取声学信号，采用近场声全息方法重建阵列覆盖区域的声场，获得声学物理量信息；
第五步、根据图像识别结果确定的位置，将重建得到的声场结果叠加到图像对应的区域和背景图组合在一起作为结果输出，获取被阵列覆盖表面的声场云图。
6.如权利要求5所述的基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析方法，其特征在于，第二步中过滤背景中的其他颜色后，图片中除光源以外的颜色接近于灰色。
7.如权利要求5所述的基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析方法，其特征在于，所述声学物理量信息包括：声压、质点速度和声强的分布信息。
8.如权利要求5所述的基于图像识别定位和声学传感器阵列测量的声场分析方法，其特征在于，所述电源采用电池或稳压电源。
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