CN106446532B - 一种虚拟源强的配置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明旨在提供一种虚拟源强的配置方法：A、在目标区域建立坐标系，建立目标区域的声压图像，将声压图像中对应的灰度值作为对应点声源的声压值；B、将各点声源的声压值作为权值通过重心法求出目标区域声场系统的质心球虚拟源强的球心坐标；C、将目标区域划分为多个单位体积，计算出各个单位体积的声源聚集度，根据声源聚集度进行归类分析，根据分类得到多个非质心虚拟源强；D、结合各点声源的声压值作为权值通过重心法求出各个非质心球虚拟源强的球心坐标；E、自定义质心球虚拟源强与非质心球虚拟源强的半径，完成虚拟源强的配置。该配置方法克服现有技术声场重建精度不高的缺陷，具有精度高、更适于结构形状振动体适用性更强的特点。

Description

一种虚拟源强的配置方法
技术领域
本发明涉及声场重建领域，具体涉及一种虚拟源强的配置方法。
背景技术
在声场重建领域，波叠加法是常用的手段。波叠加法是由Koopmann等最先提出的，其基本思想是：物体辐射的声场可表示为，置于该辐射体内部一系列简单源(单极子、偶极子等)产生的声场线性叠加，来拟合实际声场。现有文献《基于多球域波叠加法的Patch近场声全息》中提出了基于多球域波叠加法的PNAH，该方法采用多球形虚拟源强配置的灵活性，改进了共形问题影响重建精度的困难，提高了重建精度和计算效率
根据所采用等效源的不同，虚拟源强源配置方法可以分为以下两类：
(1)采用简单源(单极子或偶极子等)作为等效源的NAH技术。采用此种方法时，等效源分布在实际声源表面背离分析域一定距离的虚源面上,且等效源的数量等于表面节点数时数据仿真结果最佳。
(2)采用球面波作为等效源的NAH技术。通过一系列不同阶次的球面波源加权组合来近似实际声源所辐射的外部声场。
现有声源分析中，采用的声源分布并不是随机的，是按照一定的规律进行分布的；然而对于任何结构形状振动体，由于声源产生是随机分布的，那么就需要根据不同的随机分布特性，进行实际的虚拟声源的布置。
发明内容
本发明旨在提供一种虚拟源强的配置方法，该配置方法克服现有技术声场重建精度不高的缺陷，具有精度高、更适于结构形状振动体适用性更强的特点。
本发明的技术方案如下：一种虚拟源强的配置方法，包括以下步骤：
A、在需要进行虚拟源强配置的目标区域建立坐标系，基于坐标系获得各点声源的坐标，建立目标区域的声压图像，将声压图像中对应的灰度值作为对应点声源的声压值；所述的声压图像通过结合目标区域的声场情况建模模拟测量得到；
B、将各点声源的声压值作为权值通过重心法求出目标区域声场系统的重心坐标，作为质心球虚拟源强的球心坐标；
C、将目标区域划分为多个单位体积，计算出各个单位体积的声源聚集度，根据声源聚集度进行归类分析，将相邻区域聚集度比较高的进行归类，每一类点声源作为一个非质心虚拟源强；将区域聚集度不高的点声源进行分散处理，每一个点声源作为一个非质心虚拟源强；
D、将各个非质心虚拟源强中各点声源的声压值作为权值通过重心法求出各个非质心虚拟源强的重心坐标，作为非质心球虚拟源强的球心坐标；
E、自定义质心球虚拟源强与非质心球虚拟源强的半径，完成虚拟源强的配置。
优选地，所述的目标区域为待重建声场对应的不规则振动体区域。
优选地，所述的步骤C具体为：将以各点声源坐标为中心，以预设的搜索半径为半径的球形区域作为单位体积，计算各点声源对应的单位体积的声源聚集度；将最大声源聚集度对应的单位体积内的点声源划分为一类；对剩余各点声源对应的单位体积的声源聚集度计算，将最大声源聚集度对应的单位体积内的点声源划分为新的一类；循环进行上述对剩余各点声源的声源聚集度的计算及分类，直至全部点声源都完成分类。
优选地，步骤B具体如下：
利用式(1)求出整个系统的重心作为质心球虚拟源强球心坐标；
其中(xi,yi,zi)为各点声源的坐标，f(xi,yi,zi)为点声源(xi,yi,zi)的声压值，v为点声源的数量。
优选地，步骤C具体如下：
C1、预设搜索半径为d，将以各点声源坐标为中心，以d为半径的球形区域作为单位体积，利用式(2)计算各点声源对应的单位体积的声源聚集度；
式中，F为单位体积的声源聚集度，a为单位体积内的点声源数量，A为声场系统内总的点声源数量，b为单位体积内点声源的声压值之和，B为声场系统内点声源的声压值之和；
C2、将最大声源聚集度对应的单位体积内的点声源划分为一类；对剩余各点声源对应的单位体积的声源聚集度计算，将最大声源聚集度对应的单位体积内的点声源划分为新的一类；重复进行上述对剩余的声源聚集度的计算及分类，直至全部点声源都完成分类。
优选地，步骤D具体如下：
将属于同一类别点声源构成一个子系统，将各个子系统中各点声源的声压值作为权值通过重心法求出各个子系统的重心坐标，作为非质心球虚拟源强的球心坐标；
公式如下：
式中为各个子系统的重心坐标，j为子系统的数量，1≤j<v；w为对应子系统中点声源的数量。
本发明采用多球形虚源的简单源进行研究，有效解决了球面波有限阶数截断的问题，克服了采用简单源配置中与声源表面的共形问题；同时，引入了声源空间聚集度的聚类分析法，有限地针对声源分布的随机性来配置虚拟源强，更适用于任何结构形状振动体应用，为后续声场重建的高精确度打下基础。
附图说明
图1为本发明提供的虚拟源强的配置方法的流程图
图2为实施例1的点声源及坐标建立图
图3为实施例1对应声场重建生成的L曲线
图4为实施例1对应声场重建结果与误差图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例具体说明本发明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的一种虚拟源强的配置方法，包括以下步骤：
A、在需要进行虚拟源强配置的目标区域建立坐标系，基于坐标系获得各点声源的坐标，建立目标区域的声压图像，将声压图像中对应的灰度值作为对应点声源的声压值；
B、将各点声源的声压值作为权值通过重心法求出目标区域声场系统的重心坐标，作为质心球虚拟源强的球心坐标；
具体如下：
利用式(1)求出整个系统的重心作为质心球虚拟源强球心坐标；
其中(xi,yi,zi)为各点声源的坐标，f(xi,yi,zi)为点声源(xi,yi,zi)的声压值，v为点声源的数量；
C、预设搜索半径，将以各点声源坐标为中心，以搜索半径为半径的球形区域作为单位体积，计算各点声源对应的单位体积的声源聚集度；将最大声源聚集度对应的单位体积内的点声源划分为一类；对剩余各点声源对应的单位体积的声源聚集度计算，将最大声源聚集度对应的单位体积内的点声源划分为新的一类；循环进行上述对剩余各点声源的声源聚集度的计算及分类，直至全部点声源都完成分类；
具体如下：
C1、预设搜索半径为d，将以各点声源坐标为中心，以d为半径的球形区域作为单位体积，利用式(2)计算各点声源对应的单位体积的声源聚集度；
式中，F为单位体积的声源聚集度，a为单位体积内的点声源数量，A为声场系统内总的点声源数量，b为单位体积内点声源的声压值之和，B为声场系统内点声源的声压值之和；
C2、将最大声源聚集度对应的单位体积内的点声源划分为一类；对剩余各点声源对应的单位体积的声源聚集度计算，将最大声源聚集度对应的单位体积内的点声源划分为新的一类；重复进行上述对剩余的声源聚集度的计算及分类，直至全部点声源都完成分类；
D、将各个非质心虚拟源强中各点声源的声压值作为权值通过重心法求出各个非质心虚拟源强的重心坐标，作为非质心球虚拟源强的球心坐标；
步骤D具体如下：
将属于同一类别点声源构成一个子系统，将各个子系统中各点声源的声压值作为权值通过重心法求出各个子系统的重心坐标，作为非质心球虚拟源强的球心坐标；
公式如下：
式中为各个子系统的重心坐标，j为子系统的数量，1≤j<v；w为对应子系统中点声源的数量；
E、预设质心球虚拟源强与非质心球虚拟源强的半径，完成虚拟源强的配置。
本实施例预设目标区域的不规则振动体位于测量面的一侧，其中S为25个点声源组成的任意形状的不规则振动体，分布在0.4mх0.8mх0.8m的长方体内，以测量面的中心为坐标原点，测量面指向点声源S方向为x轴正方向，如图2所示；最初的测量距离d＝0.8m，测量面采用的是8×8的声阵列布置方式；质心球虚拟源强的半径预设为0.025m，非质心球虚拟源强的半径预设为0.05m；
通过步骤C将25个点声源分为6类，其中类5与类6均只包含一个点声源，求出各个非质心球虚拟源强的球心坐标后，完成虚拟源强的配置；声场重建的后续步骤参照发明专利：声场重建方法(专利号：201310733451.1)中的相应步骤进行，声场重建生成的L曲线图如图3所示，重建声场的幅值及相位误差分析结果如图4所示，其中L曲线在获得最大曲率点时的曲线拟合程度高，这样更易于选择正则化参数，也证明了本实施例虚源源强配置方法的有效性。

Claims (3)

1.一种虚拟源强的配置方法，其特征在于包括以下步骤：
A、在需要进行虚拟源强配置的目标区域建立坐标系，基于坐标系获得各点声源的坐标，建立目标区域的声压图像，将声压图像中对应的灰度值作为对应点声源的声压值；
B、将各点声源的声压值作为权值通过重心法求出目标区域声场系统的重心坐标，作为质心球虚拟源强的球心坐标；
步骤B具体如下：
利用式(1)求出整个系统的重心作为质心球虚拟源强球心坐标；
其中(xi,yi,zi)为各点声源的坐标，f(xi,yi,zi)为点声源(xi,yi,zi)的声压值，v为点声源的数量；
C、将目标区域划分为多个单位体积，计算出各个单位体积的声源聚集度，根据声源聚集度进行归类分析，将相邻区域聚集度比较高的进行归类，每一类点声源作为一个非质心虚拟源强；将区域聚集度不高的点声源进行分散处理，每一个点声源作为一个非质心虚拟源强；
所述的步骤C具体为：将以各点声源坐标为中心，以预设的搜索半径为半径的球形区域作为单位体积，计算各点声源对应的单位体积的声源聚集度；将最大声源聚集度对应的单位体积内的点声源划分为一类；对剩余各点声源对应的单位体积的声源聚集度计算，将最大声源聚集度对应的单位体积内的点声源划分为新的一类；循环进行上述对剩余各点声源的声源聚集度的计算及分类，直至全部点声源都完成分类；
D、将各个非质心虚拟源强中各点声源的声压值作为权值通过重心法求出各个非质心虚拟源强的重心坐标，作为非质心球虚拟源强的球心坐标；
步骤D具体如下：
将属于同一类别点声源构成一个子系统，将各个子系统中各点声源的声压值作为权值通过重心法求出各个子系统的重心坐标，作为非质心球虚拟源强的球心坐标；
公式如下：
式中为各个子系统的重心坐标，j为子系统的数量，1≤j<v；w为对应子系统中点声源的数量；
E、自定义质心球虚拟源强与非质心球虚拟源强的半径，完成虚拟源强的配置。
2.如权利要求1所述的虚拟源强的配置方法，其特征在于：所述的目标区域为待重建声场对应的不规则振动体区域。
3.如权利要求1所述的虚拟源强的配置方法，其特征在于：
步骤C具体如下：
C1、预设搜索半径为d，将以各点声源坐标为中心，以d为半径的球形区域作为单位体积，利用式(3)计算各点声源对应的单位体积的声源聚集度；
式中，F为单位体积的声源聚集度，a为单位体积内的点声源数量，A为声场系统内总的点声源数量，b为单位体积内点声源的声压值之和，B为声场系统内点声源的声压值之和；
C2、将最大声源聚集度对应的单位体积内的点声源划分为一类；对剩余各点声源对应的单位体积的声源聚集度计算，将最大声源聚集度对应的单位体积内的点声源划分为新的一类；重复进行上述对剩余的声源聚集度的计算及分类，直至全部点声源都完成分类。
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