CN105203997A - 管道内声源定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管道内声源定位系统，其包括：声源单元、麦克风阵列、信号采集单元以及显示器。所述麦克风阵列安装在管道壁面，用于接收管道内的声压信号；所述信号采集单元用于完成麦克风信号的多路同步采集模拟输入；所述显示器连接于所述信号采集单元。另外，本发明提供一种管道内声源定位方法。

Description

管道内声源定位系统和方法

技术领域

本发明涉及一种信号处理系统和方法，并采用了声学麦克风阵列和信号同步采集仪的管道内声源定位系统和方法。

背景技术

燃气轮机作为一种高效清洁的动力产生装置，在电力、石油、化工以及飞机、船舰等交通运输领域中的动力推进系统中扮演着越来越重要的角色。发展先进的燃烧技术一直是发展燃气轮机技术中的一个重要组成部分，而燃烧不稳定则是发展先进燃烧技术过程中需要解决的一个重要问题，其中一个比较关键的问题是燃烧振荡现象。当燃烧室内的放热率脉动和某一个或多个模态的压力脉动耦合并满足瑞利准则时即会发生燃烧振荡现象。振荡燃烧会产生高强度的压力脉动，影响燃机控制系统的正常工作，产生高强度噪声甚至造成燃机部件的损坏。常用的燃烧振荡的控制措施分为主动控制和被动控制。其中，主动控制基于一定控制模型，借助测量装置、计算控制元件及执行机构组成的控制系统，实时监测燃烧室内燃烧状态，采取相应的控制措施，改变燃烧室中压力脉动和放热率脉动的耦合关系，从而抑制振荡燃烧的发生。燃烧室内的声源定位技术可确定声源(火焰)的位置，为主动控制提供重要信息。此处，将燃气轮机燃烧室模化为管道，管道内声源定位技术的发展对于抑制燃烧振荡具有重要的意义。

目前管道内的声源定位方法主要有等效源法和波束形成法。等效源法的基本原理是假定声源可能存在的几个位置(将声源当成一系列点声源的组合)，然后建立这几个点声源与声压测量点间的关系并写成传递矩阵的形式，通过声压的测量以及对传递矩阵的转逆过程，即可得到假定位置处的声源强度信息。然而，它需要事先假定声源分布的位置，如果假定的声源位置和真实的声源位置有偏差，会造成声源定位结果的错误，同时假定的声源位置数目必须小于测量压力的麦克风的数目。而采用波束形成法则可避免等效源法中出现的问题。波束形成法是一种基于阵列信号处理的声源定位技术，其基本原理是在空间特定位置布置麦克风阵列，对采集到的声压信号进行相位的延迟相加平均，通过对特定方向入射的平面波(球面波)进行相位的延迟相加平均来求取声源的等效分布。

在管道内采用波束形成法进行声源定位时，定位结果与管道内传播的声波频率有很大的关系，研究表明，当管道内的频率接近于管道本身的截止频率时，采用波束形成法进行声源定位会有很大的误差。因此，对基本的波束形成法进行改进，使之适用于所有的频率段，对于管道内的声源定位具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种在管道截止频率附近时能实现声源准确定位的管道内声源定位系统和方法。

一种管道内声源定位系统，其包括：声源单元、麦克风阵列、信号采集单元以及显示器。所述麦克风阵列安装在管道壁面，用于接收管道内的声压信号；所述信号采集单元用于完成麦克风信号的多路同步采集模拟输入；所述显示器连接于所述信号采集单元。

一种管道内声源定位方法，包括以下步骤：提供一如前所述的管道内声源定位系统；对管道内声源到声场的格林函数和采集到的压力信号进行相应的处理，消除最大模态的影响。

与现有技术相比较，本发明所提供的管道内声源定位系统和方法,其一采用改进后的波束形成法使得在所有频率范围内都可以实现管道内声源的定位。由于波束形成法自身的缺陷，使其在管道截止频率附近时无法实现管道内声源的定位，通过对截止频率附近时管道格林函数和声压信号的处理，消除其中最大声学模态的影响，从而提高波束形成法的适用范围。其二构建的声学模型考虑了管道两端边界反射的影响，可以应用于实际中有限长度管道内的声源定位。

附图说明

图1是本发明实施例提供的管道内声源定位系统的数值模拟示意图。

图2是本发明实施例提供的管道内声源定位系统横截面的数值模拟示意图。

图3A和图3B是应用改进算法前后的周向声源定位效果的对比图。

图4A和图4B是声源位于定位平面的z＝0.3m，r＝-0.04m处,选取截止频率f＝7800Hz(接近模态(7,1)的截止频率7736Hz)时，声源定位结果处理前后的对比图。

图5A和图5B是声源位于定位平面的z＝0.3m，r＝-0.04m处,选取截止频率f＝8700Hz(模态(8,1)的截止频率)时，声源定位结果处理前后的对比图。

主要元件符号说明

管道内声源定位系统10

声源单元11

麦克风阵列12

信号采集单元13

显示器14

信号发生器110

功率放大器111

扬声器112

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的管道内声源定位系统和方法作进一步的详细说明。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供一种基于波束形成法的管道内声源定位系统10，包括声源单元11、麦克风阵列12、信号采集单元13和显示器14。声源单元11由信号发生器110，功率放大器111和扬声器112组成，该扬声器112为动圈式扬声器，信号发生器110用于产生电信号，经过功率放大器111后输入动圈式扬声器，用于产生管道内的声场。

麦克风阵列12安装在管道壁面上，用于接收管道内的声压信号，可以根据需要呈一圈或者多圈环形均匀分布，每圈的麦克风数目等于或高于管道内声压的周向模态数。在本实施例中，麦克风阵列12呈二圈环形均匀分布。

信号采集单元13用于完成麦克风信号的多路同步采集模拟输入，可采用NI的模块化测试测量与控制标准平台PXI，并安装相应的同步采集模块。本实施例中，采用PXI数据同步采集器。

显示器14连接于所述信号采集单元13，在本实施例中，所述显示器14连接于PXI数据同步采集器。

利用采集到的管道内压力信号，采用波束形成法进行管道内声源定位计算。管道内的声压场可以表述为一系列声学模态的叠加形式，当管道内的声压频率接近于管道的截止频率时，声压中的某个声学模态会在声压中占主导地位，从而影响波束形成法的使用，此时，对管道内声源到声场的格林函数和采集到的压力信号进行相应的处理，消除最大模态的影响，使得波束形成法在截止频率附近也有较好的准确度。

本发明实施例的实际应用效果：

周向声源定位

考虑在图2的周向上进行声源定位，半径为r＝0.04m，声源所在的周向位置为声源的频率从2000Hz至9600Hz。声源定位效果如图3B所示。

从图3A可以看出，在管道的截止频率附近时，声源定位会出现非常多的旁瓣，对真实声源的识别造成干扰，当应用了改进算法后，声源定位的旁瓣消失(如图3B所示)，在大部分频率下可识别出声源的位置在周向

轴向声源定位

轴向声源定位的平面为如图1所示的重建区域所在的平面。声源位于定位平面的z＝0.3m，r＝-0.04m处。此处选取两个截止频率为例进行说明。分别为f＝7800Hz(接近模态(7,1)的截止频率7736Hz)和f＝8700Hz(模态(8,1)的截止频率)。

从图4A和图4B的对比以及图5A和图5B的对比可以看出，进行轴向声源定位，在截止频率附近时，声源定位的效果不好，而应用了改进算法后，即可成功识别声源的位置。

本发明实施例提供的管道内声源定位系统和方法，其一采用改进后的波束形成法使得在所有频率范围内都可以实现管道内声源的定位。由于波束形成法自身的缺陷，使其在管道截止频率附近时无法实现管道内声源的定位，通过对截止频率附近时管道格林函数和声压信号的处理，消除其中最大声学模态的影响，从而提高波束形成法的适用范围。其二构建的声学模型考虑了管道两端边界反射的影响，可以应用于实际中有限长度管道内的声源定位。其三相比一般的数据同步采集器而言，采用的PXI多通道数据采集系统具有更高的同步采样速率和更强的灵活性，可以根据实际需求中，麦克风阵列中的麦克风数目来加装不同数目的PXI动态信号分析仪模块。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种管道内声源定位系统，其包括：

一声源单元；

一麦克风阵列，该麦克风阵列安装在管道壁面，用于接收管道内的声压信号；

一信号采集单元，该信号采集单元用于完成麦克风信号的多路同步采集模拟输入；以及

一显示器，该显示器连接于所述信号采集单元。

2.如权利要求1所述的管道内声源定位系统，其特征在于，所述麦克风阵列呈一圈或者多圈环形分布在管道壁面。

3.如权利要求2所述的管道内声源定位系统，其特征在于，每圈的麦克风数目等于或高于管道内声压的周向模态数。

4.如权利要求1所述的管道内声源定位系统，其特征在于，所述信号采集单元采用NI的模块化测试测量与控制标准平台PXI，并安装相应的同步采集模块。

5.如权利要求4所述的管道内声源定位系统，其特征在于，所述信号采集单元采用PXI数据同步采集器。

6.如权利要求1所述的管道内声源定位系统，其特征在于，所述声源单元由信号发生器，功率放大器和扬声器组成。

7.如权利要求1所述的管道内声源定位系统，其特征在于，所述扬声器为动圈式扬声器。

8.如权利要求7所述的管道内声源定位系统，其特征在于，所述信号发生器用于产生电信号，经过所述功率放大器后输入所述动圈式扬声器，用于产生管道内的声场。

9.一种管道内声源定位方法，其包括以下步骤：

提供一如权利要求1至8任意一项所述的管道内声源定位系统；

对管道内声源到声场的格林函数和采集到的压力信号进行相应的处理，消除最大模态的影响。