CN1123762C - 高速运动物体表面声场分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速运动物体表面声场分析方法，在运动物体从测量设备前通过时，仪器快速记录物体发出的噪声信号及物体运动信息，并将信号数字化后输入计算机，对信号进行一系列处理，将运动物体表面的噪声场计算出来，并将结果以图形的方式直观显示出来。本发明的方法可以应用于对高速火车、高速运动汽车表面的噪声源进行测量识别，从而给降噪提供科学依据。

Description

高速运动物体表面声场分析方法

本发明涉及一种高速运动物体表面声场分析方法，属噪声检测技术领域。

高速运载工具给人们出行和运输带来很大好处，但同时也伴随着会产生许多问题，噪声问题便是其中之一。随着运载工具速度的提高，其噪声量级也将急剧增加，形成噪声污染，在一定的速度条件下，这种噪声污染甚至可能会达到人无法忍受的地步，导致这种高速运载工具无法投入实际运营。高速运载工具噪声扰民的问题已经引起了越来越多国家的关注。现在有许多国家在积极开展对高速运载工具噪声的研究，如一些国家针对高速汽车的噪声特点，改造交通线路，改良路面形状、材料，增加声音屏障等，以减轻噪声污染，缓解噪声扰民问题。

减小高速运载工具的噪声，首先要解决的关键问题就是要分析、认识和掌握其噪声特点及辐射规律。高速运载工具的噪声是一种运动型噪声。除了它在运动过程中自身的机械噪声以外，还有它与承载线路和空气之间相互作用而产生的运动动力学噪声，当运动存在时，这种噪声就存在，当运动停止时，它就消失，随运动速度的提高，其大小将呈现量级剧变。由于这种噪声伴随运动存在，因而存在多普勒效应，而多普勒效应的存在给噪声的测试、分析都带来了很大的困难。使得以往各种研究静止声源噪声的研究方法在研究这种噪声时难以得到正确的结论。

本发明的目的是提出一种高速运动物体表面声场分析方法，在高速运动物体经过的很短的时间内将运动物体表面的噪声场计算出来，并将结果以图形的方式直观显示。

本发明的高速运动物体表面声场分析方法，包括以下各步骤：

1.用一个直列式传声器阵列接收运动物体发射出来的声音信号，并将其转换成多路电压信号p(t)，激光测速定位设备将物体运动的速度信息及位置信息转换成一路电压信号v(t)；

2.电压信号p(t)，v(t)经过放大滤波后，用多通道高速采样板对电压信号p(t)及v(t)同时进行采样，进行A/D转换，多路电压信号p(t)的转换结果存放到一个二维数组A[m][n]中，m代表用来接收声音信号的传声器的个数，n代表采样点的个数，数组A[i]表示传声器阵列中第i个传声器的采样信号1≤i≤m，其对应的的电压信号为p_i(t)。电压信号v_t的转换结果存放到一个—维数组B[n]中，n代表采样点的个数，与数组A中的采样点个数相同；

在数组B[n]中，设数组元素数值出现下降沿变化时，运动物体处于位置(1)，对应的数组元素为B[j]，1≤j≤n，数组元素出现上升沿变化时，运动物体处于位置(2)，对应的数组元素为B[k]，1≤k≤n。因为电压信号p(t)及v(t)同时进行采样，所以数组A中元素A[m][j]同数组元素B[j]同样对应着采该点数据时运动物体处于位置(1)；数组元素A[m][k]同数组元素B[k]同样对应着采该点数据时运动物体处于位置(2)；

3.根据2中确定的数组A与运动物体的空间位置关系，从数组A中截取一段当运动物体距传声器较远时传声器所接收到的数据存放到一个新的数组C[m][n₁]中，n₁表示所截取的数据点数，1≤n₁≤n。从C[m][n₁]中取一行数据C[i][n1]进行计算，C[i][n₁]对应传声器阵列中第i个传声器的采样信号。首先对C[i][n₁]进行频谱分析，从频谱中选取突出的峰值频率f_d，设在数组C[i][n₁]的起点C[i][l]，声源在x，y空间中的坐标为(x₁，y₁)，声音从声源传播到第i个传声器的距离为R₁；设在数组C[i][n₁]的终点C[i][n₁]，声源在x，y空间中的坐标为(x₂，y₂)，声音从声源传播到第i个传声器的距离为R₂。可以得到： $f_0=f_d/[1-\left(\frac{R_2-R_1}{x_2-x_1}\right)M],$ 式中M为物体运动的马赫数，M＝V/C，V为物体运动速度，C＝340米/秒，频率f₀就是一个声音能量比较大的一个频率，是我们需要分析的频率，以下的所有处理都是针对该频率进行的，在这里我们把f₀称作分析频率；

4.定义两个坐标系，在运动物体运动的平面上建立坐标系ζo₁η。在测量传声器阵列表面与运动物体运动平面平行的平面上建立坐标系xoy，(x，y)表示坐标系xoy上的一点，(ζ，η)表示坐标系ζo₁η上的一点。

在数组A中，数组A[i]表示传声器阵列中第i个传声器的采样信号，其对应的的电压信号为p_i(t)，利用p_i(t)根据下面的公式就可以构造出一组数据H(x，y_i，ζ，η，k₀) $H(x,y_i,\mathrm{\ζ},\mathrm{\η},k_0)=\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_{0}r}}{r}\mathrm{DFT}\left[p_i\left(t\right)R\left(t\right){(1-M\cos \mathrm{\φ}\left(t\right))}^2{e}^{{\mathrm{jk}}_{0}R\left(t\right)}\right]{|}_{k=k_0}---\left(1\right)$

在上式中：

DFT表示对括号中的数据进行离散傅立叶变换；

k₀为所计算频率(f₀)的波数，k₀＝2πf₀/c，c为声速；

k＝k₀表示取离散傅立叶变换后频率为k₀的信号；

p_i(t)为第i个传声器的采样得到的声压数据；

M为物体运动的马赫数； $R\left(t\right)=\frac{M(x\left(t\right)-\mathrm{\ζ})+\sqrt{{(x\left(t\right)-\mathrm{\ζ})}^2+(1-M^2)({(y_i\left(t\right)-\mathrm{\η})}^2+{z_0}^2)}}{1-M^2}$

(x(t)，y_i(t))为第i个传感器在t时刻的位置坐标；

x(t)＝L-vt，y_i(t)＝i×Δy；L为采样时间内物体运动距离；

Δy为直列式传声器阵列中相邻传声器之间的距离间隔；

cosφ(t)＝(x(t)-ζ)/R(t)；

根据式(1)得到的H(x，y_i，ζ，η，k₀)可以将其表达成一维数组H[i][n₂]存放，i表示是由第i个传声器构造的数据，n₂表示数据点的个数。同理可以得到m个一维数组，将上述一维数组组合起来可以得到一个二维数组H[m][n₂]，用符号H(x，y，ζ，η，k₀)表示；

(5)将H(x，y，ζ，η，k₀)代入下面公式即得到物体运动平面的点(ζ，η)在k₀频率下的声场： $U(\mathrm{\ζ},\mathrm{\η},k_0)=\frac{\mathrm{\β}}{2\mathrm{j\λ}}\underset{H}{\∫\∫}H(x,y,\mathrm{\ζ},\mathrm{\η},k_0)\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_{0}r}}{r}[1+(1+\frac{1}{{\mathrm{jk}}_{0}r})\cos \mathrm{\θ}]\mathrm{dxdy}---\left(2\right)$

在上式中： $r=\sqrt{{(x-\mathrm{\ζ})}^2+{(y-\mathrm{\η})}^2+{z_0}^2},$ r为坐标点(x，y)与坐标点(ζ，η)之间的连线距离；

z₀为两个坐标面之间的距离；

cosθ为r与物体运动平面法线的夹角；

利用以上方法对物体运动平面上所有的点做相同的处理就可以得到物体运动平面上各点在f₀频率下的声场，根据各点声场的数值用画等压线的方式画出声场的等压线图，并可以将运动物体叠加到等压线图上，使运动物体在该频率下的噪声场非常直观地显示出来。

也可以根据同样的方法对f₀频率以外其他频率的声场进行分析。

本方法可用来测量识别定位运动噪声源。如用于高速火车汽车车表面的噪声定位识别。在运动物体从测量设备前通过时，仪器可以快速记录物体发出的噪声信号及物体运动信息，并将信号数字化后输入计算机，对信号进行一系列处理，可以将运动物体表面的噪声场计算出来并将结果以图形的方式直观显示出来。

本发明的优点是能够在运动物体高速运动经过时在很短的时间内分析出物体表面的声场分布，同时能够以图形方式非常直观地将结果显示出来。所以可以应用于对高速火车、高速运动汽车表面的噪声源进行测量识别，从而给降噪提供科学依据。

附图说明：

图1是本发明方法中坐标系的示意图。

图2是本发明方法一个验证实施例的结果图。

图3是本发明方法一个应用实施例的结果图。

下面结合实施例详细介绍本发明的内容：

为对本方法进行验证，在高速实验场进行了验证实验，传声器阵列采用了16路传声器(m＝16)，传声器间距为0.15米(Δy＝0.15米)，利用32通道高速采样板进行采样。

实验中利用运动汽车作为声源载体，在汽车上固定位置安装了两个音箱发920Hz单频声。汽车以90公里/小时的速度运动，传声器阵列距离汽车运动平面2米。如图2所示为利用本方法所分析出运动汽车表面在920Hz频率下的声场分布，可以看到有两个明显的声源存在，而这两个声源的位置与实际所放置的音箱的位置完全相同。计算结果表明利用本方法能准确识别运动声源。

在验证实验完成后，利用同样的装置对一辆以105公里/小时运动的面包车表面的声场进行了测量分析。如图3所示为该车在250Hz频率下车表面的声场分布。从图中可以看到汽车表面的噪声主要是在前轮罩、发动机进气口、消声器以及排气管出口处比较大，比较符合该车的实际情况。在该实验中还对该车其他频率下的车表面的噪声进行了分析。

Claims (1)

1.一种高速运动物体表面声场分析方法，其特征在于该方法包括以下各步骤：

a.用一个直列式传声器阵列接收运动物体发射出来的声音信号，并将其转换成多路电压信号p(t)，激光测速定位设备将物体运动的速度信息及位置信息转换成一路电压信号v(t)；

b.电压信号p(t)，v(t)经过放大滤波后，用多通道高速采样板对电压信号p(t)及v(t)同时进行采样，进行A/D转换，多路电压信号p(t)的转换结果存放到一个二维数组A[m][n]中，m代表用来接收声音信号的传声器的个数，n代表采样点的个数，数组A[i]表示传声器阵列中第i个传声器的采样信号1≤i≤m，其对应的电压信号为p_i(t)，电压信号v(t)的转换结果存放到一个一维数组B[n]中，n代表采样点的个数，与数组A中的采样点个数相同；

在数组B[n]中，设数组元素数值出现下降沿变化时，运动物体处于位置1，对应的数组元素为B[j]，1≤j≤n，数组元素出现上升沿变化时，运动物体处于位置2，对应的数组元素为B[k]，1≤k≤n；

c.根据上述第二步中确定的数组A与运动物体的空间位置关系，从数组A中截取一段当运动物体距传声器较远时传声器所接收到的数据存放到一个新的数组C[m][n₁]中，n₁表示所截取的数据点数，1≤n₁≤n，从C[m][n₁]中取一行数据C[i][n1]进行计算，C[i][n₁]对应传声器阵列中第i个传声器的采样信号，首先对C[i][n₁]进行频谱分析，从频谱中选取突出的峰值频率f_d，设在数组C[i][n₁]的起点C[i][1]，声源在x，y空间中的坐标为(x₁，y₁)，声音从声源传播到第i个传声器的距离为R₁，设在数组C[i][n₁]的终点C[i][n₁]，声源在x，y空间中的坐标为(x₂，y₂)，声音从声源传播到第i个传声器的距离为R₂，得到： $f_0=f_d/[1-\left(\frac{R_2-R_1}{x_2-x_1}\right)M],$ 式中M为物体运动的马赫数，M＝V/C，V为物体运动速度，C＝340米/秒；

d.定义两个坐标系，在运动物体运动的平面上建立坐标系ζo₁η，在测量传声器阵列表面与运动物体运动平面平行的平面上建立坐标系xoy，(x，y)表示坐标系xoy上的一点，(ζ，η)表示坐标系ζo₁η上的一点，在数组A中，数组A[i]表示传声器阵列中第i个传声器的采样信号，与该采样信号对应的电压信号为p_i(t)，利用p_i(t)根据下面的公式构造出一组数据H(x，y_i，ζ，η，k₀) $H(x,y_i,\mathrm{\ζ},\mathrm{\η},k_0)=\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_{0}r}}{r}\mathrm{DFT}\left[p_i\left(t\right)R\left(t\right){(1-M\cos \mathrm{\φ}\left(t\right))}^2{e}^{{\mathrm{jk}}_{0}R\left(t\right)}\right]{|}_{k=k_0}---\left(1\right)$

在上式中：

DFT表示对括号中的数据进行离散傅立叶变换；

k₀为所计算频率(f₀)的波数，k₀＝2πf₀/c，c为声速；

k＝k₀表示取离散傅立叶变换后频率为k₀的信号；

p_i(t)为第i个传声器的采样得到的声压数据；

M为物体运动的马赫数； $R\left(t\right)=\frac{M(x\left(t\right)-\mathrm{\ζ})+\sqrt{{(x\left(t\right)-\mathrm{\ζ})}^2+(1-M^2)({(y_i\left(t\right)-\mathrm{\η})}^2+{z_0}^2)}}{1-M^2}$

(x(t)，y_i(t))为第i个传感器在t时刻的位置坐标；

x(t)＝L-vt，y_i(t)＝i×Δy；L为采样时间内物体运动距离；

Δy为直列式传声器阵列中相邻传声器之间的距离间隔；

cosφ(t)＝(x(t)-ζ)/R(t)；

将根据式(1)得到的H(x，y_i，ζ，η，k₀)表达成一维数组H[i][n₂]存放，i表示是由第i个传声器构造的数据，n₂表示数据点的个数，同理得到m个一维数组，将上述一维数组组合起来得到一个二维数组H[m][n₂]，用符号H(x，y，ζ，η，k₀)表示；

e.将H(x，y，ζ，η，k₀)代入下面公式即得到物体运动平面的点(ζ，η)在k₀频率下的声场： $U(\mathrm{\ζ},\mathrm{\η},k_0)=\frac{\mathrm{\β}}{2\mathrm{j\λ}}\underset{H}{\∫\∫}H(x,y,\mathrm{\ζ},\mathrm{\η},k_0)\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_{0}r}}{r}[1+(1+\frac{1}{{\mathrm{jk}}_{0}r})\cos \mathrm{\θ}]\mathrm{dxdy}---\left(2\right)$

在上式中： $r=\sqrt{{(x-\mathrm{\ζ})}^2+{(y-\mathrm{\η})}^2+{z_0}^2},$ r为坐标点(x，y)与坐标点(ζ，η)之间的连线距离；z₀为两个坐标面之间的距离；cosθ为r与物体运动平面法线的夹角；

利用以上方法对物体运动平面上所有的点做相同的处理后即得到物体运动平面上各点在f₀频率下的声场，根据各点声场的数值用画等压线的方式画出声场的等压线图，并将运动物体叠加到等压线图上，便显示出运动物体在该频率下的噪声场。

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