CN110220591B - 一种用于噪声环境下的近场声全息测试系统及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于噪声环境下的近场声全息测试系统及应用，其中系统包括刚性声学屏蔽罩、传声器阵列、底座、数据采集仪和上位机，传声器阵列包括多个传感器，刚性声学屏蔽罩包括一个底面和四个侧面，且底面上离散地设置有多个开孔，开孔的数目与传感器的数目一致，各开孔和各传感器一一对应，传感器嵌于刚性声学屏蔽罩底面的对应开孔中，且传声器与底面的内表面平齐设置，传声器阵列、数据采集仪和上位机依次连接，刚性声学屏蔽罩和传声器阵列由底座固定并支撑。与现有技术相比，本发明具有能够更方便地在噪声环境下重建声源表面振速等优点。

Description

一种用于噪声环境下的近场声全息测试系统及应用
技术领域
本发明涉及一种噪声测试领域，尤其是涉及一种用于噪声环境下的近场声全息测试系统及应用。
背景技术
非自由场环境下的声全息方法可以在机械设备工作现场进行噪声源识别，这对于大型或无法移入消声室的机械设备来说是十分必要的。2010年，M.Aucejo,N.Totaro,J.L.Guyader在《Journal of Sound and Vibration》(2010.329(18):p.3691-3708)上撰文“Identification of source velocities on 3D structures in non-anechoicenvironments:Theoretical background and experimental validation of theinverse patch transfer functions method”。该文提出了逆块传递函数法，作为一种非自由场环境下的近场声全息方法，通过测量包围声源的测量面上的声压和速度，不需要进行声场分离，就能重建声源表面法向振速，并且能够实现局部声源表面振速重建。但是测量包围声源的测量面上的声压和速度需要使用p-u声强探头配合扫描设备，导致成本高、测量效率低。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于噪声环境下的近场声全息测试系统及应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于噪声环境下的近场声全息测试系统，包括刚性声学屏蔽罩(1)、传声器阵列(2)、底座(3)、数据采集仪(4)和上位机(5)，传声器阵列(2)包括多个传感器，所述刚性声学屏蔽罩(1)包括一个底面和四个侧面，且所述底面上离散地设置有多个开孔，开孔的数目与传感器的数目一致，各开孔和各传感器一一对应，所述传感器嵌于刚性声学屏蔽罩(1)底面的对应开孔中，且传声器与底面的内表面平齐设置，所述传声器阵列(2)、数据采集仪(4)和上位机(5)依次连接，所述刚性声学屏蔽罩(1)和传声器阵列(2)由底座(3)固定并支撑。
所述开孔排列成a行，每行b个。
所述侧面的宽度与开孔之间的距离相等。
所述底座(3)含有用于调节刚性声学屏蔽罩(1)和传声器阵列(2)竖直方向高度的升降机构。
所述刚性声学屏蔽罩(1)的底面的外侧朝向声源面一侧设置，且与声源面之间留存有用于避免影响声源面的振动的间隙，所述四个侧面位于底面的外侧。
所述声源面在刚性声学屏蔽罩(1)底面所在平面上的投影位于该底面内。
一种如上述系统的应用方法，包括：
步骤S1：确定要重建的声源面的位置，并获得重建声源面的几何形状信息；
步骤S2：在所确定的位置处用所述系统进行声压测量，并且记录刚性声学屏蔽罩(1)与声源面间的距离；
步骤S3：刚性声学屏蔽罩(1)、重建声源面和所述间隙组成一个封闭空腔，建立该封闭空腔的边界元模型；
步骤S4：基于自由场格林函数计算测量面与重建声源面之间的阻抗矩阵；
步骤S5：采用正则化方法反向求解重建声源面法向振速。
所述步骤S3中空腔表面满足的Helmholtz积分方程如下：
Figure GDA0002969017600000021
其中：Sm为测量面，Sv为包含了重建声源面以及测量面和重建声源面之间的缝隙构成的集合，Q为空腔表面任意一点，p(Q)为Q点处的声压，Q′为空腔表面上一点，G(Q,Q′)为自由场格林函数，n为空腔表面在Q′点处的法线方向，指向空腔的外侧，p(Q′)为Q′点处的声压。
所述格林函数具体为：
Figure GDA0002969017600000022
其中：i为虚数单位，k为波数，且k＝ω/c,ω＝2πf为圆频率,f为分析频率，r为Q和Q′点之间的距离。
所述阻抗矩阵具体为：
Z＝ikρcH-G
Figure GDA0002969017600000031
其中：Z为阻抗矩阵，ρ为空气密度，c为声速，δQQ′为狄拉克函数，GQQ′和HQQ′为Q和Q′点之间的传递系数，G和H为空腔表面所有点之间的系数矩阵，H-为系数矩阵H的广义逆；
所述空腔边界上的声压和速度间的关系为：
Figure GDA0002969017600000032
其中：pm为测量面上的声压，pv为重建声源面上的声压，zll为测量面的自阻抗，zkl为重建声源面速度和测量面声压之间的互阻抗，zlk为测量面速度和重建声源面声压之间的互阻抗，zkk为重建声源面的自阻抗，vm为测量面上的速度，vv为重建声源面上的速度，即为重建声源面法向振速，具体为：
vv＝zlk -1
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)不仅能够准确采集声场中的声压，同时又能保证声压采集点的法向振速为零，避免了逆块传递函数法中需要获取质点速度的问题，能够更方便地在噪声环境下重建声源表面振速。
2)为了避免影响声源面的振动，刚性声学屏蔽罩与声源面之间应保留一段间隙，间隙越小，来自外部干扰源的入射就越小，但是过小的间隔会导致单元的长宽比增大，放大单元的离散误差。
3)可以用于声源局部表面振速重建，实验时将刚性声学阵列对准要重建的声源部分，一次性测量识别的目标声源大小同刚性声学屏蔽罩的顶面，形状不限，但需知道重建声源面的几何形状信息，移动该测量系统，即可识别不同位置的声源。
附图说明
图1为本发明测试系统示意图
图2为刚性声学屏蔽罩轴测图；
图3为实施例中声源面与测试装置的位置示意图；
图4为实施例中的重建结果；
其中：1、刚性声学屏蔽罩，2、传声器阵列，3、底座，4、数据采集仪，5、上位机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种用于噪声环境下的近场声全息测试系统，如图1和图2所示，包括刚性声学屏蔽罩1、传声器阵列2、底座3、数据采集仪4和上位机5，传声器阵列2包括多个传感器，刚性声学屏蔽罩1包括一个底面和四个侧面，且底面上离散地设置有多个开孔，开孔的数目与传感器的数目一致，各开孔和各传感器一一对应，传感器嵌于刚性声学屏蔽罩1底面的对应开孔中，且传声器与底面的内表面平齐设置，不仅能够准确采集声场中的声压，又能保证声压采集点的法向振速为零。传声器阵列2、数据采集仪4和上位机5依次连接，刚性声学屏蔽罩1和传声器阵列2由底座3固定并支撑。
开孔排列成a行，每行b个。优选的，侧面的宽度与开孔之间的距离相等。
底座3含有用于调节刚性声学屏蔽罩1和传声器阵列2竖直方向高度的升降机构。
刚性声学屏蔽罩1的底面的外侧朝向声源面一侧设置，且与声源面之间留存有用于避免影响声源面的振动的间隙，四个侧面位于底面的外侧。
声源面在刚性声学屏蔽罩1底面所在平面上的投影位于该底面内。
在开始测试之前，需要搭建系统，如下：
(1)将传声器阵列与刚性声学屏蔽罩内表面平齐安装；
(2)用底座支撑传声器阵列与刚性声学屏蔽罩；
(4)传声器阵列与数据采集仪相连；
(5)数据采集仪与上位机相连。
上述系统的应用方法，包括：
步骤S1：确定要重建的声源面的位置，并获得重建声源面的几何形状信息；
步骤S2：在所确定的位置处用系统进行声压测量，并且记录刚性声学屏蔽罩1与声源面间的距离；
步骤S3：建立刚性声学屏蔽罩1与重建声源面所组成空腔的边界元模型；
步骤S4：基于自由场格林函数计算测量面与重建声源面之间的阻抗矩阵；
步骤S5：采用正则化方法反向求解重建声源面法向振速。
步骤S3中空腔表面满足的Helmholtz积分方程如下：
Figure GDA0002969017600000051
其中：Sm为测量面，Sv为包含了重建声源面以及测量面和重建声源面之间的缝隙构成的集合，Q为空腔表面任意一点，p(Q)为Q点处的声压，Q′为空腔表面上一点，G(Q,Q′)为自由场格林函数，n为空腔表面在Q′点处的法线方向，指向空腔的外侧，p(Q′)为Q′点处的声压。
格林函数具体为：
Figure GDA0002969017600000052
其中：i为虚数单位，k为波数，且k＝ω/c,ω＝2πf为圆频率,f为分析频率，，r为Q和Q′点之间的距离。
阻抗矩阵具体为：
Figure GDA0002969017600000053
其中：Z为阻抗矩阵，ρ为空气密度，c为声速，δQQ′为狄拉克函数，GQQ′和HQQ′为Q和Q′点之间的传递系数，G和H为空腔表面所有点之间的系数矩阵，H-为系数矩阵H的广义逆；
空腔边界上的声压和速度间的关系为：
Figure GDA0002969017600000054
其中：pm为测量面上的声压，pv为重建声源面上的声压，zll为测量面的自阻抗，zkl为重建声源面速度和测量面声压之间的互阻抗，zlk为测量面速度和重建声源面声压之间的互阻抗，zkk为重建声源面的自阻抗，vm为测量面上的速度，vv为重建声源面上的速度，即为重建声源面法向振速，具体为：
vv＝zlk -1
下面以具体测试示例对本申请的应用方法进行介绍。
1、确定要重建的声源位置，可以为平面或者不规则形状，以平面声源为例，进行固支薄钢板激励实验，实验设置示意图如图3，薄板受到50-500Hz的白噪声激励，同时将该信号输送给刚性声学屏蔽罩外的扬声器产生相干噪声；
2、使用噪声环境下的近场声全息测试系统进行声压测量，其中刚性声学屏蔽罩由5块厚10mm的铝板组合而成，顶面尺寸为300(x)×400(y)mm2，侧面尺寸分别为320(x)×60(z)mm2和400(y)×60(z)mm2，且顶面离散成6×8个单元，四个侧面离散成6×2+8×2个单元。刚性声学屏蔽罩与声源之间距离为50mm。
3、建立刚性声学屏蔽罩与重建声源面所组成空腔的边界元模型，网格划分同刚性声学屏蔽罩；
4、根据公式(4)计算测量面与重建声源面(声源面和声源面与测量面之间的缝隙)之间的阻抗矩阵；
5、利用上述采集到的数据，根据公式(7)，即可求得声源表面法向振速，100Hz下重建结果如图4(模态实验得到该固支板的二阶固有频率为98Hz，因此重建频率100Hz下显示二阶模态阵型(1,2))，此时信噪比为3.7dB，重建误差为25％，能够较好重建声源分布特性。
信噪比计算公式如下：
Figure GDA0002969017600000061
其中psi表示没有干扰源情况下测得的声压，pni为干扰源在测量位置产生的声压。
误差计算公式如下：
Figure GDA0002969017600000062
其中vv为重建的声源表面法向振速，ve为测试得到的声源表面法向振速。
6、计算整个测量范围(50到500Hz)内的信噪比，以及相应频率对应的重建误差，结果显示信噪比-10dB下，误差小于60％。

Claims (4)

1.一种用于噪声环境下的近场声全息测试系统的测试方法，其特征在于，所述系统包括刚性声学屏蔽罩(1)、传声器阵列(2)、底座(3)、数据采集仪(4)和上位机(5)，传声器阵列(2)包括多个传感器，所述刚性声学屏蔽罩(1)包括一个底面和四个侧面，且所述底面上离散地设置有多个开孔，开孔的数目与传感器的数目一致，各开孔和各传感器一一对应，所述传感器嵌于刚性声学屏蔽罩(1)底面的对应开孔中，且传声器与底面的内表面平齐设置，所述传声器阵列(2)、数据采集仪(4)和上位机(5)依次连接，所述刚性声学屏蔽罩(1)和传声器阵列(2)由底座(3)固定并支撑，
所述刚性声学屏蔽罩(1)的底面的外侧朝向声源面一侧设置，且与声源面之间留存有用于避免影响声源面的振动的间隙，所述四个侧面位于底面的外侧；
所述声源面在刚性声学屏蔽罩(1)底面所在平面上的投影位于该底面内；
所述方法包括：
步骤S1：确定要重建的声源面的位置，并获得重建声源面的几何形状信息，
步骤S2：在所确定的位置处用所述系统进行声压测量，并且记录刚性声学屏蔽罩(1)与声源面间的距离，
步骤S3：刚性声学屏蔽罩(1)、重建声源面和所述间隙组成一个封闭空腔，建立该封闭空腔的边界元模型，
步骤S4：基于自由场格林函数计算测量面与重建声源面之间的阻抗矩阵，
步骤S5：采用正则化方法反向求解重建声源面法向振速；
所述步骤S3中空腔表面满足的Helmholtz积分方程如下：
Figure FDA0002969017590000011
其中：Sm为测量面，Sv为包含了重建声源面以及测量面和重建声源面之间的缝隙构成的集合，Q为空腔表面任意一点，p(Q)为Q点处的声压，Q′为空腔表面上一点，G(Q,Q′)为自由场格林函数，n为空腔表面在Q′点处的法线方向，指向空腔的外侧，p(Q′)为Q′点处的声压；
所述格林函数具体为：
Figure FDA0002969017590000012
其中：i为虚数单位，k为波数，且k＝ω/c,ω＝2πf为圆频率,f为分析频率，r为Q和Q′点之间的距离；
所述阻抗矩阵具体为：
Z＝ikρcH-G
Figure FDA0002969017590000021
其中：Z为阻抗矩阵，ρ为空气密度，c为声速，δQQ′为狄拉克函数，GQQ′和HQQ′为Q和Q′点之间的传递系数，G和H为空腔表面所有点之间的系数矩阵，H-为系数矩阵H的广义逆，
所述空腔边界上的声压和速度间的关系为：
Figure FDA0002969017590000022
其中：pm为测量面上的声压，pv为重建声源面上的声压，zll为测量面的自阻抗，zkl为重建声源面速度和测量面声压之间的互阻抗，zlk为测量面速度和重建声源面声压之间的互阻抗，zkk为重建声源面的自阻抗，vm为测量面上的速度，vv为重建声源面上的速度，即为重建声源面法向振速，具体为：
vv＝zlk -1pm。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述开孔排列成a行，每行b个。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述侧面的宽度与开孔之间的距离相等。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述底座(3)含有用于调节刚性声学屏蔽罩(1)和传声器阵列(2)竖直方向高度的升降机构。
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