CN109326296B - 一种非自由场条件下的散射声有源控制方法 - Google Patents

一种非自由场条件下的散射声有源控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非自由场条件下的散射声有源控制方法，主要解决自由声场中的散射声有源控制算法在非自由场中无效的问题，其控制原理是：根据镜像原理，计算初级源镜像和控制源镜像的坐标；计算或测量初级源及其镜像至虚拟误差传感器的散射声压传递函数，并进行变换；计算或测量控制源及其镜像至虚拟误差传感器的总声压传递函数，并进行变换；计算最优控制源强，并实施散射声的有源控制。本发明针对声场中包含反射表面的情况，能最优地计算控制源的源强并有效降低散射声压。

Description

一种非自由场条件下的散射声有源控制方法
技术领域
本发明属于有源噪声控制领域，具体涉及一种非自由场条件下的散射声有源控制方法。
背景技术
散射声控制在军事上有重要的应用，可使潜艇等水下物体避开主动声纳等探测系统的监测。传统的方法是在散射体表面铺放吸声材料，然而它在低频段降噪效果不佳。散射声有源控制技术可作用于低频范围，其前期研究已取得了相当进展(Friot E,Bordier C,Real-time active suppression of scattered acoustic radiation,J.SoundVib.Volume 278,563-580；Han N,Qiu X,Feng S,Active control of three-dimensionimpulsive scattered radiation based on a prediction method.MechanicalSystems&Signal Processing,Volume 30,267-273)，但均是针对自由声场。而在实际应用时常会面临各种复杂声场，其中较常见的情况为声场中包含反射表面，如海洋声场中的海底、海面等。此时，自由场中的散射声控制算法可能是无效的。因此，有必要提出一种非自由场条件下的散射声有源控制方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种非自由场条件下的散射声有源控制方法，该方法针对声场中包含反射表面的情况，能最优地计算控制源的源强并有效降低散射声压。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种非自由场条件下的散射声有源控制方法，主要解决自由声场中的散射声有源控制算法在非自由场中无效的问题，其控制原理是：根据镜像原理，计算初级源镜像和控制源镜像的坐标；计算或测量初级源及其镜像至虚拟误差传感器的散射声压传递函数，并进行变换；计算或测量控制源及其镜像至虚拟误差传感器的总声压传递函数，并进行变换；计算最优控制源强，并实施散射声的有源控制。主要包括以下步骤：
(1)
根据初级源、控制源和反射面的坐标并基于镜像原理，即初级源与初级源镜像的位置关于反射表面对称，控制源与控制源镜像的位置关于反射表面对称，计算初级源镜像和控制源镜像的坐标。
(2)计算或测量Np个初级源及其Np个镜像至Ne个虚拟误差传感器的散射声压传递函数，并构成一个Ne×2Np的矩阵Zps，
Figure BDA0001840944710000011
将其按如下方式变换为
Figure BDA0001840944710000021
在数值仿真中，根据设定的反射表面的反射系数，各散射声压传递函数可通过解析公式计算；在实验和实际应用中，各散射声压传递函数可通过测量获得。
(3)计算或测量Nc个控制源及其Nc个镜像至Ne个虚拟误差传感器的总声压(散射声压和入射声压之和)传递函数，并构成一个Ne×2Nc的矩阵Zc，
Figure BDA0001840944710000022
将其按如下方式变换为
Figure BDA0001840944710000023
在数值仿真中，根据设定的反射表面的反射系数，各总声压传递函数可通过解析公式计算；在实验和实际应用中，各总声压传递函数可通过测量获得。
(4)根据公式
Figure BDA0001840944710000024
计算散射声有源控制系统的最优控制源强Qcopt，其中
Figure BDA0001840944710000025
且
Figure BDA0001840944710000026
是Np个初级源强所组成的向量，上标H代表共轭转置，上标T代表转置,ρ0是传播声波的介质的密度,c是声波的传播速度；将该最优控制源强输入控制源，即实施散射声的有源控制。
本发明的有益效果是：
本发明所述的一种非自由场条件下的散射声有源控制方法，能够针对自由声场中存在反射表面的情况，实现非自由场条件下的散射声有源控制。
附图说明
图1为本发明实例的流程图；
图2所示为单通道散射声控制系统的配置示意图；
图3所示为建立初级源镜像和控制源镜像的示意图；
图4为100Hz(左列)和700Hz(右列)的散射声控制效果：(a)控制前的归一化散射声压级；(b)控制后的归一化散射声压级；(c)x轴上的控制前与控制后的归一化散射声压级。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
在该散射声控制的模型中，半径为0.18m的散射体位于坐标原点，初级源个数Np为1，源强Qp为1，位于-5m的位置，使用单通道(控制源个数Nc为1，虚拟误差传感器个数Ne为1)的有源控制系统，且控制源和虚拟误差传感器分别位于-0.25m和-1m的位置，反射系数为0.5的反射表面位于10m的位置，如图2所示。非自由场条件下的散射声有源控制将按以下步骤完成：
(1)根据初级源和控制源与反射表面的相对位置，计算初级源和控制源的镜像。如图3所示，基于镜像原理，初级源与初级源镜像的位置关于反射表面对称，控制源与控制源镜像的位置关于反射表面对称，因此初级源镜像的位置为25m，控制源镜像的位置为20.25m。
(2)计算或测量初级源及其镜像至虚拟误差传感器的散射声压传递函数，并进行变换。在数值仿真中，用解析公式直接计算初级源至虚拟误差传感器的散射声压传递函数，
Figure BDA0001840944710000031
其中
Figure BDA0001840944710000032
代表声源的位置，
Figure BDA0001840944710000033
代表误差传感器的位置，
Figure BDA0001840944710000034
Figure BDA0001840944710000035
Pl和Pl m分别是l阶0次和l阶m次的缔合勒让德函数，k是波数，ω是角频率，ρ0是声场介质的密度，a是散射体的半径，jl代表l阶的第一类贝塞尔函数，hl代表l阶的第三类贝塞尔函数。由于反射表面的反射系数为0.5，则初级源镜像至虚拟误差传感器的散射声压传递函数为
Figure BDA0001840944710000036
则Zps＝[zps(1,1) zps(1,2)]，
Figure BDA0001840944710000037
(3)计算或测量控制源及其镜像至虚拟误差传感器的总声压(散射声压和入射声压之和)传递函数，并进行变换。在数值仿真中，用解析公式直接计算控制源至虚拟误差传感器的总声压传递函数，
Figure BDA0001840944710000041
由于反射表面的反射系数为0.5，则控制源镜像至虚拟误差传感器的总声压传递函数为
Figure BDA0001840944710000042
则Zc＝[zc(1,1) zc(1,2)]，
Figure BDA0001840944710000043
(4)根据公式
Figure BDA0001840944710000044
计算散射声有源控制系统的最优控制源强Qcopt，其中
Figure BDA0001840944710000045
。将该最优控制源强输入控制源，即实施散射声的有源控制，结果如图4所示。
图4中的左列为100Hz的散射声控制效果，右列为700Hz的散射声控制效果，且图(a)是控制前的归一化散射声压级，图(b)是控制后的归一化散射声压级，图(c)是x轴上控制前与控制后的归一化散射声压级。对比图(a)和(b)，可见在虚拟误差传感器的左方区域，可获得较好的散射声压控制效果。如将声源视为探测水下物体的主动声纳，则其接收到的散射声压在100Hz时的衰减量约为10dB，在700Hz时的衰减量约为7dB。

Claims (1)

1.一种非自由场条件下的散射声有源控制方法，其特征在于：根据镜像原理，计算初级源镜像和控制源镜像的坐标；计算或测量初级源及其镜像至虚拟误差传感器的散射声压传递函数，并进行变换；计算或测量控制源及其镜像至虚拟误差传感器的总声压传递函数，并进行变换；计算最优控制源强，并实施散射声的有源控制；具体包括以下步骤：
(1)根据初级源、控制源和反射面的坐标并基于镜像原理，即初级源与初级源镜像的位置关于反射表面对称，控制源与控制源镜像的位置关于反射表面对称，计算初级源镜像和控制源镜像的坐标；
(2)计算或测量Np个初级源及其Np个镜像至Ne个虚拟误差传感器的散射声压传递函数，并构成一个Ne×2Np的矩阵Zps，
Figure FDA0001840944700000011
将其按如下方式变换为
Figure FDA0001840944700000012
在数值仿真中，根据设定的反射表面的反射系数，各散射声压传递函数可通过解析公式计算；在实验和实际应用中，各散射声压传递函数可通过测量获得；
(3)计算或测量Nc个控制源及其Nc个镜像至Ne个虚拟误差传感器的总声压传递函数，总声压为散射声压和入射声压之和，并构成一个Ne×2Nc的矩阵Zc，
Figure FDA0001840944700000013
将其按如下方式变换为
Figure FDA0001840944700000014
在数值仿真中，根据设定的反射表面的反射系数，各总声压传递函数可通过解析公式计算；在实验和实际应用中，各总声压传递函数可通过测量获得；
(4)根据公式
Figure FDA0001840944700000015
计算散射声有源控制系统的最优控制源强Qcopt，其中
Figure FDA0001840944700000016
且
Figure FDA0001840944700000017
是Np个初级源强所组成的向量，上标H代表共轭转置，上标T代表转置,ρ0是传播声波的介质的密度，c是声波的传播速度；将该最优控制源强输入控制源，即实施散射声的有源控制。
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