CN110598238A - 一种舱室结构振动响应再现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种舱室结构振动响应再现方法，属于舱室结构减振降噪技术领域。本方法首先假设测量激振器或作动器与各接收位置的冲击响应是一线性时不变系统。在此假设性，使用线性扫频法测量该多个激振器与接收位置的脉冲响应。在获得脉冲响应后，以结构壁表面安装的多振动传感器的采集数据为输入，通过加速度匹配的解卷积模型来求解振动再现时各激振器的驱动信号。本方法借助在结构外部设定多个激振设备来等效再现原始舱室声场的结构振动条件以更好地再现原始声场。根据振动与声辐射的理论，在低频范围，本方法可准确地再现原始舱室声场的振动分布。

Description

一种舱室结构振动响应再现方法

技术领域

本发明属于舱室结构减振降噪技术领域，涉及一种振动再现方法，具体涉及一种基于多传感器采集数据的舱室结构振动响应的再现方法，方法特征是实现再现舱室结构表面低频段的振动响应问题。

背景技术

文献“室内声场重现中的时域去卷积方法”阐述了一种声场再现的方法，该方法基于扬声器再现原始车体内的声场，是实现模拟原始声场的技术，主要原理为将采样记录原始空间内多个位置的声压信息，再设定固定位置和数目的扬声器，计算各扬声器驱动信号再播放来再现原始声场。该方法将原始声场的信息等效为声场边界分布的多扬声器辐射声波的叠加，这种方法可将原始声场在非原始环境中重新再现出来。该方法可应用于舱室声场的再现，然而，实际的舱室噪声来源不仅包括声源辐射声，还有结构辐射声。因此，如果舱内的结构声能量所占比重占主要成分时，使用扬声器重放舱内声场时的效果会大大降低。目前，没有针对结构振动响应的再现方法。因此，本专利的目的主要是实现再现舱室结构表面的振动响应。

发明内容

为实现舱室声场重构时振动响应的再现问题，本发明专利提出一种基于加速度匹配的舱室结构表面振动再现方法。本方法首先假设测量激振器或作动器与各接收位置的冲击响应是一线性时不变系统。在此假设性，使用线性扫频法测量该多个激振器与接收位置的脉冲响应。在获得脉冲响应后，以结构壁表面安装的多振动传感器的采集数据为输入，通过加速度匹配的解卷积模型来求解振动再现时各激振器的驱动信号。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于加速度匹配和和激振器激励再现舱室结构表明振动响应的方法，其特点包括下述步骤：

步骤一：当舱室处在某稳定工作状态时，在舱内结构内表面需要再现振动的多个监测位置r布置加速度传感器，标记第i个监测位置处r_i的加速度传感器记录的加速度时域信号是

步骤二：要在模拟舱室结构内实现原始舱室结构的振动响应，首先需要获得各激振器与各加速度采集位置之间的系统函数H(t)。在模拟舱室外表面分别安装固定多个激振器，激振器位置为r'，激振器由外部指向结构边界。通过功率放大器和带输入输出的信号采集设备连接好激振器和各监测位置r的加速度传感器。标记r'_j位置的第j 个激振器的输入信号为这里的输入信号通常为宽频带的伪随机信号或白噪声信号，标记监测位置r_i与激振器位置r'_j之间的加速度冲击响应为t为信号时间，N为激振器的数目，表示输入信号为时各传声器所采集到的加速度信号。通过信号互相关公式可计算每对激振器和加速度传感器的组合之间的系统函数

步骤三：在步骤二得到的系统函数后，标记再现时各激振器的输出信号的时域表示再现得到的各位置的振动信号可表示为

式中，符号“^”表示再现的对应信号，根据式(2)，再现振动响应主要是如何计算再现时各激振器的输入信号将式(2)改写为

式中，表示解卷积函数的时域形式；各组合的解卷积函数和系统函数的频域形式R(f)和H(f)是互逆的，即R(f)＝(H(f))⁺，可以通过对系统函数H(f)求逆来得到各解卷积函数R(f)，再通过反傅里叶变换得到时域的解卷积函数G(t)，最后通过卷积运算得到各激振器的输入信号

步骤四：将步骤三获得的各相应激振位置的驱动信号输入给各激振器或作动器。至此，本发明所提出的舱室结构振动响应再现方法完成。

进一步的，所述步骤一中，传感器安装时要安装稳定，安装面无缝隙，并选择小尺寸的型号，这有利于降低测点位置偏差引起的数据精度误差。采集信号时，保证不同位置的信号采集是实时同步完成的，数据预处理时要保证16kHz以上的采样频率，录制时间在30s～60s以内。

所述步骤二中，根据信号系统中的时域卷积关系，监测位置处r_i的加速度传感器接受到的振动信号与r'_j位置激振器的输入信号满足以下关系式

式中，为监测位置r_i与激振器位置r'_j之间的加速度冲击响应，t为信号时间，N 为激振器的数目。根据时频域的关系，式(4)的频域表示为

假设一共有M个加速度传感器，则上式可简写为矩阵形式

a(f)＝H(f)s(f) (7)

由于白噪声或伪随机噪声的信号的自相关为一冲击函数，因此，可以根据信号的互相关计算求解上述公式中的

所述步骤三中，假设矩阵H的奇异值分解为

H＝Udiag(Λ₁,Λ₂,...,Λ_N)W^H (8)

式中

Λ₁≥Λ₂≥...≥Λ_N≥0,u_i ^Hu_j＝δ_ij,w_i ^Hw_j＝δ_ij (9)

式中，Λ_i代表矩阵A的奇异值，u_i和w_i分别为左右奇异矢量，δij为Kronecker函数。满足Picard条件的情形为随着奇异值从大到小的变化，加速度矢量a与u_i的内积下降趋于零的速度比奇异值Λ_i趋于零的速度快。根据(3)，当计算满足Picard条件时，解卷积矩阵R(f)的逆计算处理需要附加相应的正则化滤波处理。在实际工程计算中，采样传感器的个数M通常大于激振器的数目N，即式(3)为超定线性方程组。超定问题具有不适定问题，需要计算对比各矩阵Picard条件来确定逆计算是否需要附加正则化滤波处理。当采取Tikhonov正则化处理时，每个频率f下的不同组合的解卷积函数的频域R(f)表示满足

R(f)＝(H^H(f)·H(f)+λ(f)I)^-1H^H(f) (10)

式中，f为频率，λ(f)为频率f下的正则化参数。此处采取L曲线法确定不同频率的最优正则化参数λ以提高计算效率。最终可通过最优正则化参数求解各激振器的输出信号

本发明的有益效果是：

现有的的舱室声场重构方法主要是通过扬声器重放舱室内部的声场分布，对于由结构辐射声主导的舱室声部分，需要附加振动的再现来获得更加逼近地再现真实舱室声场，目前并没有针对振动的再现研究。本方法借助在结构外部设定多个激振设备来等效再现原始舱室声场的结构振动条件以更好地再现原始声场。根据振动与声辐射的理论，在低频范围，本方法可准确地再现原始舱室声场的振动分布。

由于舱室内结构的复杂性导致舱内的部分声波由机械结构的振动声辐射作用较为明显，在直接使用扬声器重放舱室声场的基础上，通过在舱室结构边界附加激振器进行舱室声场的振动再现，根据线性扫频法确定各激振器和加速度传感器组合的系统函数，进而得到各组合的解卷积函数，最后通过解卷积函数卷积估计激振器的输入信号来实现舱室声场的振动再现部分。本发明方法简便，适合各类工程技术人员使用，且可实现准确再现舱室声场重放时对应的结构振动响应。

下面结合具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是具体实现的再现原理和实现过程。

图2是再现系统连接框图。

图3是实施例中基于舱段实测数据得到的不同频率时的加速度再现值与原始值的对比。

具体实施方式

参照图1所描述的各阶段，对本发明方法作进一步描述：选定振动再现区域为舱室外边界对声场贡献突出的关键振动壁板。

步骤1：首先要获取再现舱室结构内各位置的振动信号。在舱室所选定壁板内表面上均匀选定M个位置布置加速度传感器，标记各传感器位置为(x_m,y_m,z_m) (m＝1,2,…,M)，开启所有设备和声源，在设备稳定状态下，设定所采集时域信号的采样频率为32kHz，并进行录制，所采集的信号记为a_i(t)(i＝1,2,…,M)，记录时间为30s。对各保存数据做短时傅立叶变换，获取各传声器信号的频域表示a_i(f)(i＝1,2,…,M)。在需要再现振动的舱段结构内部，选定与原始位置尽可能接近的对应结构内表面作为再现区域，在该表面区域设定与原始情况对应的M个振动监测位置。

步骤2：选择舱室壁面振动响应较大的N个位置作为再现时的激振位置。将每个激振器输入信号与监测位置的输出信号相关的功率放大设备和采集设备连接好；测定每组组合的输入输出信号三次，根据式(5)计算每对激振器和加速度传感器的组合之间的系统函数H(t)，并取三次平均的结果。

步骤3：根据式(10)，采用Tikhonov正则化和L曲线法对所设定低频段的每个频率计算解卷积函数频域表示，确定每个频率下的R(f)，然后基于傅里叶反变换求解各组合的解卷积函数R(t)。根据式(7)，求解各激振器位置的驱动信号

步骤4：将步骤(3)获得的各相应激振位置的驱动信号输入给各激振器或作动器。

Claims (4)

1.一种舱室结构振动响应再现方法，其特点在于，包括下述步骤：

步骤一：当舱室处在某稳定工作状态时，在舱内结构内表面需要再现振动的多个监测位置r布置加速度传感器，标记第i个监测位置处r_i的加速度传感器记录的加速度时域信号是

步骤二：在模拟舱室外表面分别安装固定多个激振器，激振器位置为r'，激振器由外部指向结构边界；通过功率放大器和带输入输出的信号采集设备连接好激振器和各监测位置r的加速度传感器；标记r'_j位置的第j个激振器的输入信号为这里的输入信号通常为宽频带的伪随机信号或白噪声信号，标记监测位置r_i与激振器位置r'_j之间的加速度冲击响应为t为信号时间，N为激振器的数目，表示输入信号为时各传声器所采集到的加速度信号；通过信号互相关公式可计算每对激振器和加速度传感器的组合之间的系统函数

步骤三：在步骤二得到的系统函数后，标记再现时各激振器的输出信号的时域表示再现得到的各位置的振动信号表示为：

式中，符号“^”表示再现的对应信号，根据式(2)，再现振动响应主要是如何计算再现时各激振器的输入信号将式(2)改写为：

式中，表示解卷积函数的时域形式；各组合的解卷积函数和系统函数的频域形式R(f)和H(f)是互逆的，即R(f)＝(H(f))⁺，可以通过对系统函数H(f)求逆来得到各解卷积函数R(f)，再通过反傅里叶变换得到时域的解卷积函数G(t)，最后通过卷积运算得到各激振器的输入信号

步骤四：将步骤三获得的各相应激振位置的驱动信号输入给各激振器或作动器。

2.一种如权利要求1所述的舱室结构振动响应再现方法，其特点在于，所述步骤一中，传感器安装时安装稳定，安装面无缝隙，并选择小尺寸的型号；采集信号时，保证不同位置的信号采集是实时同步完成的，数据预处理时要保证16kHz以上的采样频率，录制时间在30s～60s以内。

3.一种如权利要求1所述的舱室结构振动响应再现方法，其特点在于，所述步骤二中，根据信号系统中的时域卷积关系，监测位置处r_i的加速度传感器接受到的振动信号与r'_j位置激振器的输入信号满足以下关系式：

式中，为监测位置r_i与激振器位置r'_j之间的加速度冲击响应，t为信号时间，N为激振器的数目；根据时频域的关系，式(4)的频域表示为

假设一共有M个加速度传感器，则上式可简写为矩阵形式

a(f)＝H(f)s(f) (7)

由于白噪声或伪随机噪声的信号的自相关为一冲击函数，因此，根据信号的互相关计算求解上述公式中的

4.一种如权利要求1所述的舱室结构振动响应再现方法，其特点在于，所述步骤三中，假设矩阵H的奇异值分解为

H＝Udiag(Λ₁,Λ₂,...,Λ_N)W^H (8)

式中

Λ₁≥Λ₂≥...≥Λ_N≥0,u_i ^Hu_j＝δ_ij,w_i ^Hw_j＝δ_ij (9)

式中，Λ_i代表矩阵A的奇异值，u_i和w_i分别为左右奇异矢量，δij为Kronecker函数。满足Picard条件的情形为随着奇异值从大到小的变化，加速度矢量a与u_i的内积下降趋于零的速度比奇异值Λ_i趋于零的速度快；根据(3)，当计算满足Picard条件时，解卷积矩阵R(f)的逆计算处理需要附加相应的正则化滤波处理；由于采样传感器的个数M大于激振器的数目N，即式(3)为超定线性方程组，超定问题具有不适定问题，计算对比各矩阵Picard条件来确定逆计算是否需要附加正则化滤波处理；当采取Tikhonov正则化处理时，每个频率f下的不同组合的解卷积函数的频域R(f)表示满足

R(f)＝(H^H(f)·H(f)+λ(f)I)^-1H^H(f) (10)

式中，f为频率，λ(f)为频率f下的正则化参数。此处采取L曲线法确定不同频率的最优正则化参数λ以提高计算效率；最终通过最优正则化参数求解各激振器的输出信号