CN107218996B - 一种多普勒效应消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多普勒效应消除方法，其特征是在空间中分别建立固定坐标系和移动坐标系；在移动声源辐射声场中设置固定坐标系下的测量面，利用传声器测量获得接收时刻测量面中各测量点含有多普勒效应的声压信号；根据坐标系之间的运动关系，建立各测量点在两个坐标系下坐标值的相对关系；根据测量声压信号在两个坐标系下相等的先验条件，并结合两个坐标系的相对关系计算出含有多普勒效应的声压信号与不含多普勒效应的声压信号在时域—波数域的相对关系；根据各测量点测得的含有多普勒效应的声压信号，结合数值傅立叶变换运算，获得各测量点不含多普勒效应的声压信号；最终实现多普勒效应的消除。本发明方法无需预知声源数量与位置，高效准确。

Description

一种多普勒效应消除方法

技术领域

本发明涉及物理专业中噪声类领域多普勒效应消除方法，更具体地说是在时域—波数域消除多普勒效应的一种方法。

背景技术

噪声分析是机械零部件状态监测和故障诊断的一个重要方法。但当机械零部件处于移动状态时，其诊断的有效性将大大降低，主要原因就是机械零部件与传声器之间的相对运动引起的多普勒效应。多普勒效应会对采集到的声信号造成幅值畸变和频率偏移，这会对诊断效果造成严重影响。因此如何准确地消除多普勒效应对移动机械零部件的诊断有重要意义。目前消除多普勒效应的方法主要有频域方法和时域方法。频域方法能够准确地消除多普勒效应，但通常只能对稳态信号进行计算。时域方法直接在时域进行计算，不仅可以计算稳态信号，还可对非稳态信号进行计算。目前消除多普勒效应的时域计算方法主要有重采样方法，非线性时间映射方法以及基于完整Morse声学模型的去多普勒效应方法。但这些方法在消除多普勒效应时都有一些缺陷，比如重采样方法需要对信号进行插值拟合计算，计算效率较低，非线性时间映射方法和基于完整Morse声学模型的去多普勒效应方法需要声源的初始位置信息，使其在实际应用中受到限制。

发明内容

本发明为弥补重采样方法的计算效率低以及非线性时间映射方法和基于完整Morse声学模型的去多普勒效应方法需要声源初始位置信息的不足，提供一种高效、无需声源初始位置的多普勒效应消除方法。

本发明为解决技术问题采用的技术方案是：

本发明多普勒效应消除方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、在空间中建立两个坐标系，一个是静止的固定坐标系o_f(x_f,y_f,z_f)，另一个是随声源以相同速度运动的移动坐标系o_m(x_m,y_m,z_m)；两个坐标系原点在t＝0时刻位于同一位置；在空间中放置一声源，声源在x_fo_fy_f平面内做直线移动；在移动声源辐射声场中设置固定坐标系下的测量面，在测量面上等间隔均匀分布N个测量点；N个测量点中第n个测量点在固定坐标系下坐标为第n个测量点在移动坐标系下坐标为第n个测量点在两个坐标系下坐标的相对关系为：

其中v_x表示声源移动速度在x_f轴正方向上的分量，v_y表示声源移动速度在y_f轴正方向上的分量；

步骤2、将N个传声器一一对应地放置在所述N个测量点处进行测量，获得声压信号，包括：

在接收时刻t，各测量点处在固定坐标系下的声压信号一一对应为：

将所有N个测量点处的声压信号P_f表征为：

在接收时刻t，各测量点处在移动坐标系下的声压信号一一对应为：

将所有N个测量点在移动坐标系下声压信号P_m表征为：

在接收时刻t，各测量点处不含多普勒效应的声压信号一一对应为：

将所有N个测量点不含多普勒效应的声压信号P_d表征为：

步骤3、根据N个测量点在两个坐标系下坐标的相对关系，将N个测量点在移动坐标系下的声压信号P_m表征为：

步骤4、根据测量点处声压信号在任一坐标系下不变的先验条件P_m＝P_f，计算获得各测量点含有多普勒效应的声压信号P_f与不含多普勒效应的声压信号P_d在时域—波数域的相对关系表征为：F(P_f)＝exp(-jk_xv_xt)×exp(-jk_yv_yt)×F(P_d)，其中，F表示空间傅立叶变换运算，exp表示指数运算，k_x表示在x_f方向上的波数划分，k_y表示在y_f方向上的波数划分，j表示虚数单位；

步骤5、根据各测量点测得的含有多普勒效应的声压信号P_f，结合数值傅立叶变换运算，计算获得各测量点不含多普勒效应的声压信号表征为：

P_d＝F^-1[exp(jk_xv_xt)×exp(jk_yv_yt)×F(P_f)]，

其中F^-1表示空间逆傅立叶变换运算，从而实现多普勒效应的消除。

本发明多普勒效应消除方法的特点也在于：所述N个测量点是在平面上等间隔均匀分布。

本发明多普勒效应消除方法的特点也在于：声源移动速度为固定值或随时间变化。

本发明多普勒效应消除方法的特点也在于：所述声源为一个或多个，声源信号为稳态信号或非稳态信号。

本发明多普勒效应消除方法的特点也在于：所述空间坐标系为三维坐标系或二维坐标系。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明方法无需插值拟合计算，计算效率较高；

2、本发明方法无需声源初始位置的先验信息，能够准确消除未知初始位置声源的多普勒效应。

附图说明

图1为本发明方法中固定坐标系、移动坐标系、声源S及测量点位置示意图；

图2a为在声源移动时测量点A接收时域信号与利用本发明方法消除多普勒效应后的时域信号的对比，图2a中以点表征的曲线为实际测量得到的时域信号，以实线表征的曲线为采用本发明方法消除多普勒效应后的时域信号；

图2b为在声源移动时测量点A接收信号的频谱与利用本发明方法消除多普勒效应后的信号频谱的对比，图2b中以点表征的曲线为实际测量得到的信号频谱，以实线表征的曲线为采用本发明方法消除多普勒效应后的信号频谱；

图2c为在声源移动时测量点B接收时域信号与利用本发明方法消除多普勒效应后的时域信号的对比，图2c中以点表征的曲线为实际测量得到的时域信号，以实线表征的曲线为采用本发明方法消除多普勒效应后的时域信号；

图2d为在声源移动时测量点B接收信号的频谱与利用本发明方法消除多普勒效应后的信号频谱的对比，图2d中以点表征的曲线为实际测量得到的信号频谱，以实线表征的曲线为采用本发明方法消除多普勒效应后的信号频谱。

具体实施方式

本实施例中多普勒效应消除方法是按如下步骤进行：

步骤1、如图1所示，在空间中建立两个坐标系，一个是静止的固定坐标系o_f(x_f,y_f,z_f)，以f表示固定坐标系，另一个是随声源以相同速度运动的移动坐标系o_m(x_m,y_m,z_m)，以m表示移动坐标系；两个坐标系原点在t＝0时刻位于同一位置；在空间中放置一声源，声源在x_fo_fy_f平面内做直线移动，具体实施中，声源S以速度v做匀速直线移动；在移动声源辐射声场中设置固定坐标系下的测量面，在测量面上等间隔均匀分布N个测量点，具体实施中，测量点组成一个平面阵列，并与x_fo_fy_f平面平行；N个测量点中第n个测量点在固定坐标系下坐标为第n个测量点在移动坐标系下坐标为第n个测量点在两个坐标系下坐标的相对关系为：

其中v_x表示声源移动速度在x_f轴正方向上的分量，v_y表示声源移动速度在y_f轴正方向上的分量。

步骤2、将N个传声器一一对应地放置在N个测量点处进行测量，获得声压信号，包括：

在接收时刻t，各测量点处在固定坐标系下的声压信号一一对应为：

将所有N个测量点处的声压信号P_f表征为：

在接收时刻t，各测量点处在移动坐标系下的声压信号一一对应为：

将所有N个测量点在移动坐标系下声压信号P_m表征为：

在接收时刻t，各测量点处不含多普勒效应的声压信号一一对应为：

将所有N个测量点不含多普勒效应的声压信号P_d表征为：以d表示消除多普勒效应后的信号。

步骤3、根据N个测量点在两个坐标系下坐标的相对关系，将N个测量点在移动坐标系下的声压信号P_m表征为：

步骤4、根据测量点处声压信号在任一坐标系下不变的先验条件P_m＝P_f，计算获得各测量点含有多普勒效应的声压信号P_f与不含多普勒效应的声压信号P_d在时域—波数域的相对关系表征为：F(P_f)＝exp(-jk_xv_xt)×exp(-jk_yv_yt)×F(P_d)，其中，F表示空间傅立叶变换运算，具体实施中：

exp表示指数运算，k_x表示在x_f方向上的波数划分，k_y表示在y_f方向上的波数划分，j表示虚数单位。

步骤5、根据各测量点测得的含有多普勒效应的声压信号P_f，结合数值傅立叶变换运算，计算获得各测量点不含多普勒效应的声压信号表征为：

P_d＝F^-1[exp(jk_xv_xt)×exp(jk_yv_yt)×F(P_f)]，

其中F^-1表示空间逆傅立叶变换运算，具体实施中：

π为圆周率，从而实现多普勒效应的消除。

为了进行空间傅立叶变换运算，N个测量点是在平面上等间隔均匀分布，声源移动速度为固定值或随时间变化，声源为一个或多个，声源信号为稳态信号或非稳态信号，空间坐标系为三维坐标系或二维坐标系。

具体实施中，声源S采用一个单极子，在固定坐标系o_f(x_f,y_f,z_f)中位于(0.5m,0.5m,0m)，声源移动速度v在x_f轴正方向上的分量为v_x＝60m/s，在y_f轴正方向上的分量为v_y＝60m/s。测量阵列位于z_f＝0.2m的平面上，阵列包含121×121个等间隔均匀分布的测量点，相邻两个测量点之间距离为0.05m。声源S辐射三个频率组合的正弦信号，其表达式为：

s(t)＝sin(2πf₁t)+sin(2πf₂t)+sin(2πf₃t) (1)

在式(1)中，频率f₁＝960Hz，f₂＝1000Hz，f₃＝1040Hz。时域信号采样频率为10.24kHz，采样点数为512。

为检验本发明方法消除多普勒效应的效果，选取了两个测量点，即测量点A和测量点B，其位置分别为A(0.5m,0.5m,0.2m)、B(1m,1m,0.2m)。图2a和图2c分别表示测量点A和测量点B接收时域信号与利用本发明方法消除多普勒效应后的时域信号的对比，图中以点表征的曲线为实际测量得到的时域信号，以实线表征的曲线为采用本发明方法消除多普勒效应后的时域信号；图2b和图2d分别表示测量点A和测量点B接收信号的频谱与利用本发明方法消除多普勒效应后的信号频谱的对比，图中以点表征的曲线为实际测量得到的信号频谱，以实线表征的曲线为采用本发明方法消除多普勒效应后的信号频谱。比较图中的实线和点线可以看出，采用本发明方法可以很好地修正多普勒效应带来的幅值畸变和频率偏移，消除测量信号中的多普勒效应。

Claims (2)

1.一种多普勒效应消除方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1、在空间中建立两个坐标系，一个是静止的固定坐标系o_f(x_f,y_f,z_f)，另一个是随声源以相同速度运动的移动坐标系o_m(x_m,y_m,z_m)；两个坐标系原点在t＝0时刻位于同一位置；在空间中放置一声源，声源在x_fo_fy_f平面内做直线移动；在移动声源辐射声场中设置固定坐标系下的测量面，在测量面上等间隔均匀分布N个测量点；N个测量点中第n个测量点在固定坐标系下坐标为第n个测量点在移动坐标系下坐标为第n个测量点在两个坐标系下坐标的相对关系为：

其中v_x表示声源移动速度在x_f轴正方向上的分量，v_y表示声源移动速度在y_f轴正方向上的分量；

步骤2、将N个传声器一一对应地放置在所述N个测量点处进行测量，获得声压信号，包括：

在接收时刻t，各测量点处在固定坐标系下的声压信号一一对应为：

将所有N个测量点处的声压信号P_f表征为：

在接收时刻t，各测量点处在移动坐标系下的声压信号一一对应为：

将所有N个测量点在移动坐标系下声压信号P_m表征为：

在接收时刻t，各测量点处不含多普勒效应的声压信号一一对应为：

将所有N个测量点不含多普勒效应的声压信号P_d表征为：

步骤3、根据N个测量点在两个坐标系下坐标的相对关系，将N个测量点在移动坐标系下的声压信号P_m表征为：

步骤4、根据测量点处声压信号在任一坐标系下不变的先验条件P_m＝P_f，计算获得各测量点含有多普勒效应的声压信号P_f与不含多普勒效应的声压信号P_d在时域—波数域的相对关系表征为：F(P_f)＝exp(-jk_xv_xt)×exp(-jk_yv_yt)×F(P_d)，其中，F表示空间傅立叶变换运算，exp表示指数运算，k_x表示在x_f方向上的波数划分，k_y表示在y_f方向上的波数划分，j表示虚数单位；

步骤5、根据各测量点测得的含有多普勒效应的声压信号P_f，结合数值傅立叶变换运算，计算获得各测量点不含多普勒效应的声压信号表征为：

P_d＝F^-1[exp(jk_xv_xt)×exp(jk_yv_yt)×F(P_f)]，

其中F^-1表示空间逆傅立叶变换运算，从而实现多普勒效应的消除。

2.根据权利要求1所述的多普勒效应消除方法，其特征是：所述N个测量点是在平面上等间隔均匀分布。