CN109001297A - 基于单矢量水听器的大样本水声材料声反射系数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于单矢量水听器的大样本水声材料声反射系数测量方法。主要包括：(1)剔除试样边缘衍射声；(2)构建信号处理模型；(3)分离直达声与反射声；(4)获取声反射系数。本发明一方面采用宽带窄脉冲作为发射信号形式，该信号时、频特性易于控制，可在时间上分离试样边缘衍射声，规避其影响；另一方面将单矢量水听器看作三元接收阵，采用子空间分解的阵列信号处理算法处理测量数据，数据处理方便快捷，具有较好的实时性；另外，本发明采用常规声源和矢量水听器作为测量的核心部件，无需使用传统的大型发射和接收基阵，省去了庞大复杂的测量系统，测试步骤少，只需一次发射即可获得关心频带的声反射系数，有效提高测量效率。

Description

基于单矢量水听器的大样本水声材料声反射系数测量方法

技术领域

本发明涉及的是一种水声材料声反射系数测量方法，具体地说是一种在大型消声水池中进行的基于单矢量水听器信号子空间分解的大样本水声材料声反射系数宽带测量方法。

背景技术

目前，常规水声材料声反射系数测量方法大都将声压水听器作为测量的核心设备，利用声压水听器获得测试空间内的声压场信息来获取待测试样的声反射系数。常见的声压测量方法按照测试空间不同可以大致分为实验室声管法、混响室法和自由场测量方法。实验室声管法技术较为成熟，并已经形成了相应的国家校准，如驻波管法、阻抗管法等。但受声管几何尺寸的限制，与自由场大样本测量方法相比，声管法的待测试样尺寸有限，其测量结果不能很好地反映待测试样的整体声学性能；另外，声管法的工作频率范围也受限于声管的尺寸。混响室法适用于无规入射声反射系数进行的大样测量，但该方法易受到声场扩散程度等因素的影响，测量精度较低。与上述两种测量方法不同，自由场大样测量一般在大型消声水池中进行，通过在水池边界敷设吸声材料消除水池边界反射声，使水听器接收信号仅有直达声与试样反射声，再通过信号处理手段或者利用声场信息获取试样的声反射系数。自由场方法可获得斜入射情况的声反射系数，测试结果更加贴近材料或构件的实际应用情况。但所有的自由场测量方法都面临待测试样边缘衍射效应干扰的问题，限制了自由场测量有效频率的下限。为了规避试样边缘衍射效应，一般将水听器偏心放置，破坏边缘衍射声的干涉结构；同时发射窄脉冲声信号，水听器应尽量靠近试样表面，增大衍射声与反射声之间的声程差，通过加窗剔除试样边缘衍射声。但由于水听器与试样之间的距离较近，直达声与反射声极易发生混叠。另外，由于消声水池吸声下限的限制，低频段多途效应明显，对水声材料声反射系数低频测量影响较大。矢量水听器由传统的声压水听器和偶极子质点振速水听器复合而成，它可时间同步、空间共点地获取声场中的声压与质点振速信息，拓展了后置信号处理空间；此外，矢量水听器还具有抗干扰能力强、较好的低频指向性等诸多优点。近年来，越来越多的围绕单矢量水听器的自由场测量方法涌现出来，如时胜国等在2013年第4期声学与电子工程上发表的“基于表面阻抗法的水声材料声反射系数自由场测量仿真研究”中提出的基于单矢量水听器的表面阻抗法。该方法将矢量水听器布放于待测试样前方较近的位置，充分利用了矢量水听器可同步、共点获得声场中声压与质点振速信息的特性，通过测量得到的声压和质点振速计算待测试样的法向声阻抗率来反演声反射系数；同时，该方法有效利用了矢量水听器的“8”字形指向性，在一定程度上抑制试样的边缘衍射效应，实现了较大角度入射情况的低频测量，但当待测试样反射能力较强时，该方法测量结果不可信。另外，时胜国在2013年第32卷第6期声学技术上发表的“基于矢量水听器声强法的材料声反射系数测量”中提出的声强法。该方法通过矢量水听器测量得到的声压与质点振速，利用该点的声能流密度与声强的关系，实现入射声与反射声的有效分离，进而计算得到材料的声反射系数。该方法对矢量水听器到试样距离较敏感，且易受到矢量水听器声压与质点振速相位不一致性的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种只需进行一次信号发射即可准确获取水声材料声反射系数的基于单矢量水听器的大样本水声材料声反射系数测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)将待测试样、发射换能器和矢量水听器等深布放于消声水池中，发射宽带脉冲声信号，矢量水听器接收信号包括发射换能器发射的直达声信号、试样反射声信号和待测试样边缘衍射声信号，首先在时间上去除待测试样边缘衍射波信号的干扰，获得直达波信号与反射波信号的混合信号S(t)；

(2)将二维单矢量水听器的三个通道看作导向矢量a为[1,cos(θ),sin(θ)]的声压接收阵，首先根据声源、矢量水听器和待测试样的空间位置关系确定声波入射角θ_i和反射角θ_r，再根据声波入射角θ_i和声波反射角θ_r确定阵列流型A；

(3)首先计算接收数据的协方差矩阵R_c，再在接收数据协方差矩阵左右两侧分别乘以A^-1和(A^H)^-1得到信号协方差矩阵式中，s_i为直达声、R(ω,θ_i)为依赖于频率和声波入射角度的声反射系数、r_i和r_r分别为直达声与反射声声程；

(4)通过将信号协方差矩阵R_s中相应元素做比获取声反射系数R(ω,θ)。

本发明提出了一种在大型消声水池中进行的中低频(500Hz-10kHz)大样本水声材料声反射系数自由场测量方法，只需进行一次信号发射即可准确获取水声材料声反射系数。其技术方案是：本发明采用宽带窄脉冲作为发射信号形式，在时间上分离试样边缘衍射声，规避其影响；再将二维单矢量水听器三个独立通道看作声压接收阵，采用信号子空间分解技术，通过计算接收数据的协方差矩阵，估计信号的协方差矩阵，实现直达声与反射声的有效分离和提取，进而准确获得待测试样的声反射系数。

本发明的有益效果是：一方面本发明采用宽带窄脉冲(巴特沃兹脉冲声)作为发射信号形式，该信号时、频特性易于控制，可选择合适的脉冲宽度，再在时域上剔除试样边缘衍射声；另一方面本发明将单矢量水听器视为三元接收阵，采用阵列信号处理理论处理数据，数据处理方便快捷，具有较好的实时性；最后，本发明采用常规声源和矢量水听器作为测量的核心部件，无需使用传统的大型发射和接收基阵，省去了庞大复杂的测量系统，测试步骤少，只需一次发射即可获得关心频带的声反射系数。

附图说明

图1为测量模型示意图。

图2(a)-图2(b)为测试用宽带脉冲声信号示意图，图2(a)时域波形；图2(b)信号频谱。

图3(a)-图3(c)为矢量水听器接收信号示意图，图3(a)声压P通道；图3(b)质点振速V_x通道；图3(c)质点振速V_y通道。

图4(a)-图4(c)为基于单矢量水听器信号子空间分解的大样本水声材料声反射系数测量仿真结果图，图4(a)θ_i＝0°；图4(b)θ_i＝30°；图4(c)θ_i＝60°。

图5基于单矢量水听器信号子空间分解的大样本水声材料声反射系数测量流程图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

单矢量水听器信号子空间分解的声反射系数测量模型示意图如图1所示，本发明的具体技术方案如下：

第一步，剔除试样边缘衍射声：首先将待测试样、发射换能器和矢量水听器等深布放于消声水池中，发射宽带脉冲声信号。矢量水听器接收信号为发射换能器发射直达波信号、反射波信号、样本边缘衍射波信号等，首先在时间上去除待测样本边缘衍射波信号等干扰，获得直达波信号与反射波信号混合信号。

测量系统布放如图1所示，矢量水听器处接收声信号相当于声源发出的直达声信号与虚源发出的信号在接收点处的线性叠加。矢量水听器和声源布放于待测试样前方，图中r_i为直达声声程，r_r为反射声声程，待测试样声反射系数为R(ω,θ)，ω为信号角频率，θ为声波入射角度。水中声速为c。发射信号s(t)为巴特沃兹脉冲声信号(如图2所示)，该信号时域波形具有震荡衰减特性，在频域上具有平坦的频谱特性，且该信号参数可方便地通过改变信号阶数和截止频率调节。

第二步，构建信号处理模型：将矢量水听器看作导向矢量a为[1,cos(θ),sin(θ)]接收阵。首先根据声源、矢量水听器和待测试样的空间位置关系确定声波入射角度θ_i和反射角θ_r，再根据声波入射角度θ_i和声波反射角度θ_r确定阵列流型A。

若声波以球面波入射，声波入射角度为θ_i，反射角度为θ_r，样品声反射系数为R(ω,θ_i)，则直达声达声信号为s_i(t)/r_i，反射声信号为s_r(t)＝R(ω,θ_i)·s_i(t)/r_r。若将二维矢量水听器看作一个三元声压接收阵，其导向矢量为a＝[1,cosθ,sinθ]，则矢量水听器接收数据可表示为：

式中N(t)为背景噪声，

第三步，分离直达声与反射声：首先计算接收数据的协方差矩阵R_c，再在接收数据协方差矩阵左右两侧分别乘以A^-1和(A^H)^-1得到信号协方差矩阵：

式中，s_i为直达声，R(ω,θ_i)为依赖于频率和声波入射角度的声反射系数，r_i和r_r分别为直达声与反射声声程。观察矩阵R_s，可见选取合适的元素相除即可获取声反射系数。

具体计算步骤：首先计算接收数据的协方差矩阵为：

R_c＝E{XX^H}＝AR_sA^H+R_N (2)

式中，R_s和R_N分别为信号和噪声的协方差矩阵。若测试环境信噪比较高，R_N较小，又由于试样和测试系统得空间布放参数均为已知，即直达声入射角度θ_i与反射声入射角度θ_r均为已知，因而可获得矩阵A，此时有：

第四步，获取声反射系数：通过将R_s矩阵中相应元素做比获取声反射系数R(ω,θ)。

观察式(3)，显然有声反射系数R(ω,θ)为：

下面通过数值仿真计算对本发明做进一步描述。

仿真条件1：设试样几何尺寸为1m×1m的铝板，板厚0.006m，矢量水听器布放于样品声中心正前方，声源到试样中心距离为5m，矢量水听器到样品表面距离为0.05m，声波以球面波形式入射，入射角度分别为0°、30°和60°，发射信号为巴特沃兹脉冲，信号带宽为10kHz，采样频率f_s＝100kHz，信噪比SNR＝50dB。

图4给出了上述仿真条件下基于单矢量水听器信号子空间分解的水声材料声反射系数测量结果。数值计算结果表明：本专利给出的测量方法首先在时域上剔除试样边缘衍射声，可有效规避其干扰；同时，本专利给出测量方法有效分离直达声和反射声，测量结果精确有效，适用于低频、大角度入射情况下的水声材料声反射系数自由场宽带测量。

Claims (2)

1.一种基于单矢量水听器的大样本水声材料声反射系数测量方法，其特征是：

(1)将待测试样、发射换能器和矢量水听器等深布放于消声水池中，发射宽带脉冲声信号，首先在时间上去除待测试样边缘衍射波信号的干扰，获得直达波信号与反射波信号的混合信号S(t)；

(2)将二维单矢量水听器的三个通道看作导向矢量a为[1,cos(θ),sin(θ)]的声压接收阵，首先根据声源、矢量水听器和待测试样的空间位置关系确定声波入射角θ_i和反射角θ_r，再根据声波入射角θ_i和声波反射角θ_r确定阵列流型A；

(3)首先计算接收数据的协方差矩阵R_c，再在接收数据协方差矩阵左右两侧分别乘以A^-1和(A^H)^-1得到信号协方差矩阵式中，s_i为直达声、R(ω,θ_i)为依赖于频率和声波入射角度的声反射系数、r_i和r_r分别为直达声与反射声声程；

(4)通过将信号协方差矩阵R_s中相应元素做比获取声反射系数R(ω,θ)。

2.根据权利要求1所述的基于单矢量水听器的大样本水声材料声反射系数测量方法，其特征是所述获取声反射系数R(ω,θ)的具体步骤如下：

矢量水听器接收数据表示为：

式中N(t)为背景噪声，

首先计算接收数据的协方差矩阵为：

R_c＝E{XX^H}＝AR_sA^H+R_N

式中，R_s和R_N分别为信号和噪声的协方差矩阵，直达声入射角度θ_i与反射声入射角度θ_r均为已知，因而易得矩阵A，此时有：

声反射系数R(ω,θ)为：