CN112763054A - 一种三维声场可视化系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三维声场可视化系统和方法，包括声压传感器、深度相机、数据采集仪和计算机，所述的声压传感器设置多个，通过阵列支架排列形成声阵列面，所述的多个声压传感器与数据采集仪的多通道连接，每个声压传感器对应数据采集仪的一个通道，所述的计算机分别与深度相机和数据采集仪连接；所述的数据采集仪获取各通道声压传感器采集的声压信号，并发送至计算机，所述的计算机利用数据采集仪发送的声压信号，通过数据处理得到声源数据图片，并通过深度相机获取声源三维图片，最后将声源三维图片作为背景图片，与声源数据图片融合，进行可视化展示，与现有技术相比，本发明具有成本低、效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及声学技术领域，尤其是涉及一种三维声场可视化系统和方法。
背景技术
近年来，随着科学技术的不断发展和人们生活水平的日益提高，噪声已成为环境和产品评价的一项重要指标，如何降低噪声水平也成为了一个备受关注的课题。在交通运输、航空航天、工程机械当领域一直有着广泛的需求。噪声污染已经成为当代社会很严重的污染，所以如何控制噪声污染已经成为亟待解决的问题。一般情况下，从噪声源上控制噪声可以大大减轻噪声治理的工作量，而且对促进低噪声产品研制，提高产品质量和寿命有直接效果。实施噪声控制的一项重要内容就是估计和寻找产生噪声的主要声源，确定噪声源位置是实施控制噪声措施的先决条件，因此选择合适的噪声源识别和定位技术变得至关重要。
波束形成和近场声全息都是非常重要的阵列信号处理技术，前者的基本原理是通过传感器接收信号，然后对传感器接收到的信号进行延时、加权与求和，从而增加期望信号和抑制干扰信号来达到信号识别与定位的目的。后者可以利用二维面上测得的声压信息来计算三维空间的声场特征，能够重建三维空间的声压场、振速场、声强矢量场，预测声源的辐射声功率，分离和识别具有相干特性的多噪声源。
随着信息处理和计算机技术的发展，深度相机的出现、声成像算法的不断发展以及计算机处理能力的不断加强，这给我们进行噪声源可视化定位技术提供了新的技术支持，而如何将将深度相机和声成像算法进行结合，使其运用于噪声信号的识别与定位，充分发挥两者的长处，提高噪声信号的识别与定位的效率，是目前亟待解决的问题。目前的噪声信号识别与定位系统大多结构复杂、硬件成本高，为噪声信号识别与定位带来很多困难。
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成本低、效率高的三维声场可视化系统和方法，使得在寻找产生噪声的主要声源时可以直接观察到噪声的来源，便捷实用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种三维声场可视化系统，包括声压传感器、深度相机、数据采集仪和计算机，所述的声压传感器设置多个，通过阵列支架排列形成声阵列面，所述的多个声压传感器与数据采集仪的多通道连接，每个声压传感器对应数据采集仪的一个通道，所述的计算机分别与深度相机和数据采集仪连接；
所述的数据采集仪获取各通道声压传感器采集的声压信号，并发送至计算机，所述的计算机利用数据采集仪发送的声压信号，通过数据处理得到声源数据图片，并通过深度相机获取声源三维图片，最后将声源三维图片作为背景图片，与声源数据图片融合，进行可视化展示。
进一步地，所述的阵列支架为手持式环形支架，所述的声压传感器为全向性声压传感器，且按环形排布，所述的声阵列面为圆形阵列面，所述的深度相机设置于圆形阵列面的中心。
进一步地，所述的计算机分别执行传感器标定程序、数据采集程序、数据处理程序和可视化定位程序，所述的传感器标定程序用于实现对声压传感器的标定，所述的数据采集程序用于实现数据采集仪多通道信号的同步数据采集，所述的数据处理程序用于将数据采集仪采集的声压信号进行处理，所述的可视化定位程序用于将生成的声源数据图片和获取的声源三维图片进行融合，进行可视化定位展示。
进一步地，所述的传感器标定程序首先输入标准器的分贝值和频率，再选择所要标定的声压传感器所对应的通道序号和物理通道名称，然后把标准器对所要标定的声压传感器进行标定；标定完成后，每个声压传感器均包含对应的通道名称、检测频率和灵敏度。
进一步地，所述的数据采集程序包括虚拟通道创建函数、采样定时函数、任务开始函数、数据读取函数和任务清除函数，所述的虚拟通道创建函数用于创建连接声压传感器的通道，所述的采样定时函数用于配置采样频率、采样点数和采样模式，所述的任务开始函数用于执行数据采集程序，所述的数据读取函数用于通过创建的通道获取声压传感器采集的真实声压值，所述的任务清除函数用于在数据采集结束后对硬件资源进行释放。
进一步地，所述的虚拟通道创建函数通过输入声压传感器的灵敏度，来创建声压传感器的虚拟通道。
进一步地，所述的数据处理程序首先获取数据采集仪采集的多个声压信号，然后通过对连续采集的多个声压信号进行傅里叶变换，获取复声压的幅值与相位，得到复声压信号，最后发送至可视化定位程序。
进一步地，所述的可视化定位程序通过深度照相机采集声源三维图片并获取声源的三维数据，得到背景图片，然后利用复声压信号通过声成像算法获取声源数据图片，最后将声源数据图片和背景图片进行合成并显示在显示控件中，所述的声成像算法采用近场声全息算法或波束形成算法，根据距离自动切换，具体为，当近场时使用近场声全息算法，远场时使用波束形成算法。
进一步地，所述的可视化定位程序还包括设置背景图片与声源数据图片之间的透明度，将声源数据图片和背景图片按照预设透明度进行合成并显示在显示控件中。
一种如所述的三维声场可视化系统的声源可视化定位方法，包括以下步骤：
S1：多个声压传感器采集声源的多个声压信号；
S2：数据采集仪通过多通道获取声压传感器采集的多个声压信号，并发送至计算机；
S3：计算机获取多个声压信号，并通过傅里叶变换得到复声压信号；
S4：计算机控制深度相机采集声源三维图片，作为背景图片；
S5：计算机利用复声压信号和声源三维图片进行声场重构，得到声场图像，作为声源数据图片；
S6：计算机将背景图片和声源数据图片根据预设透明度进行融合拼接，并在显示控件中进行可视化展示。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明通过设置声压传感器、深度相机、数据采集仪和计算机，利用计算机将深度相机拍摄的声源三维图片，与声压传感器采集到是声压信号进行融合，得到可视化定位结果，直观地反映声源的定位，提高声源检测定位效率，系统结构简单，成本低；
2)本发明的声阵列使用手持式小型圆形面阵列，不用完全覆盖声源，大大减少了声压传感器的使用数量，降低了系统硬件成本，且系统硬件重量较轻，携带方便；
3)本发明中，融合过程的背景图片是由深度相机拍摄的声源三维图片处理得到的，简略了对声源进行建模的过程，降低了建立系统的工作量，进一步提高效率；
4)本发明系统根据噪声源的不同场景，切换不同的声成像算法计算声源数据图片，可以适用于各种测量环境。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明系统的声源可视化定位方法流程图。
其中，1、声压传感器，2、声阵列面，3、声源，4、计算机，5、数据采集仪，6、深度相机。
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。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本发明提供一种三维声场可视化系统，包括声压传感器1、深度相机6、数据采集仪5和计算机4，声压传感器1设置多个，通过阵列支架排列形成声阵列面2，多个声压传感器1与数据采集仪5的多通道连接，每个声压传感器1对应数据采集仪5的一个通道，计算机4分别与深度相机6和数据采集仪5连接；
数据采集仪5获取各通道声压传感器1采集的声压信号，并发送至计算机4，计算机4利用数据采集仪5发送的声压信号，通过数据处理得到声源数据图片，并通过深度相机6获取声源三维图片，最后将声源三维图片作为背景图片，与声源数据图片融合，进行可视化展示。
不同的声压传感器1排布组成的阵列形式的不同与噪声源3识别算法的定位精度有直接的关系，本实施例中，数据采集仪5采用NI数据采集仪，包括信号调理电路和数据采集卡，阵列支架为手持式环形支架，便于在定位时手持阵列进行扫描，声压传感器1采用全向性声压传感器，可以等量接收各方向的声音，且按环形排布，声阵列面2为小型圆形阵列面，深度相机6设置于圆形阵列面的中心。
计算机4内安装有LabVIEW，本实施例运用LabVIEW开发语言编写该系统程序，该开发软件具有可替代性，根据实际情况可选择更合适的开发软件，这里只是指出其中一种而不限制某一软件，这并不用于限制本发明。
计算机4内的系统程序包括四个部分，分别为传感器标定程序、数据采集程序、数据处理程序和可视化定位程序，系统程序的构建包括以下几步：
1、编写传感器标定模块。在采集声压信号之前，要进行传感器阵列类型的选取和声压传感器1灵敏度的标定，本实施例中，传感器阵列类型选用小型圆形面阵列，并设置声压传感器1数量选择功能，输入声压传感器1数量后初始化相同数量的通道，同时，每一个声压传感器1都处于待标定状态，输入标准器的分贝值和频率，再选择所要标定的声压传感器1所对应的通道序号和物理通道名称，然后把标准器对好所要标定的声压传感器1进行标定，标定完成后，每个声压传感器1都有相应的通道名称、检测频率、灵敏度。所有的声压传感器1标定完成后，可以将声压传感器1的灵敏度进行保存，供下次使用，保存的文件格式为txt。
2、编写信号采集模块。在数据采集模块中，数据采集程序非常关键，是否准确的采集到声压信号直接关系到噪声源识别的准确性。在该模块中，通过运用LabVIEW提供的关于数据采集的VI编程实现多通道信号的高速同步数据采集。该程序主要由五部分组成：
第一个是DAQmx创建虚拟通道函数，本系统中是利用其采集声压的功能，把灵敏度以一定的形式输入到函数中，该函数就可以采集到真实的声压值；
第二个是DAQmx采样定时函数，该函数主要是用来配置采集时的采样频率、采样点数等，更重要的是配置采样的模式，是有限点采样还是连续采样，本系统选择的采样模式是有限点采样；
第三个是DAQmx任务开始函数，该函数主要取到开始测量与数据采集的功能；
第四个是DAQmx读取数据函数，该函数就可以得到采集的数据，本系统使用的多通道多采样的功能，采集到的数据可以从函数的输出端口得到；
第五个是DAQmx清除任务函数，该函数是用来采集数据结束后对硬件资源进行释放，提高系统的运行性能。
3、编写数据处理模块。当数据采集完后，要对采集到的数据进行处理，形成复声压，供噪声源识别算法调用。在得到复声压的幅值时，是通过对连续采集的多块数据进行傅里叶变换，然后再求和平均处理。在通过处理数据得到复声压的相位，通过得到的复声压的幅值与相位，就可以得到所需要的复声压，然后提供给可视化定位模块中的噪声源识别算法，从而进行噪声源的定位与识别。
4、编写可视化定位模块。在这个模块中，设置可视化定位效果的显示区，可以调节背景图片与数据图片之间的透明度。在聚焦面参数栏调节参数来对聚焦面进行网格划分。点击拍照就可以通过深度照相机6采集一张声源三维图片和获取声源的三维数据并可以选择路径保存这张图片，根据聚焦面的长宽对所拍摄的照片进行截取并保存，得到背景图片。该过程完成后，选择对噪声源进行定位的声成像算法，可以根据距离自动切换不同的算法，近场切换成近场声全息，远场切换成波束形成，波束形成也有很多种不同的算法，根据不同的情况进行切换算法，运用声成像算法计算声源的数据图片，并把数据图片与背景图片按当前透明度进行合成并显示在显示控件中，可以通过改变透明度来得到更好的显示效果。由于采用了小型圆形面阵列，得到的数据图片和背景图片的合成图是声源的部分显示，将所有的合成图进行拼接可以看到整个声源的完整显示，显示结果以图片的形式保存，达到保存可视化定位结果的目的。
如图2所示，本发明还提供一种上述三维声场可视化系统的声源可视化定位方法，包括以下步骤：
S1：多个声压传感器1采集声源3的多个声压信号；
S2：数据采集仪5通过多通道获取声压传感器1采集的多个声压信号，并发送至计算机4；
S3：计算机4获取多个声压信号，并通过傅里叶变换得到复声压信号；
S4：计算机4控制深度相机6采集声源三维图片，作为背景图片；
S5：计算机4利用复声压信号和声源三维图片进行声场重构，得到声场图像，作为声源数据图片；
S6：计算机4将背景图片和声源数据图片根据预设透明度进行融合拼接，并在显示控件中进行可视化展示。
该三维声场可视化系统适用于各种形状的声源，以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种三维声场可视化系统，其特征在于，包括声压传感器(1)、深度相机(6)、数据采集仪(5)和计算机(4)，所述的声压传感器(1)设置多个，通过阵列支架排列形成声阵列面(2)，所述的多个声压传感器(1)与数据采集仪(5)的多通道连接，每个声压传感器(1)对应数据采集仪(5)的一个通道，所述的计算机(4)分别与深度相机(6)和数据采集仪(5)连接；
所述的数据采集仪(5)获取各通道声压传感器(1)采集的声压信号，并发送至计算机(4)，所述的计算机(4)利用数据采集仪(5)发送的声压信号，通过数据处理得到声源数据图片，并通过深度相机(6)获取声源三维图片，最后将声源三维图片作为背景图片，与声源数据图片融合，进行可视化展示。
2.根据权利要求1所述的一种三维声场可视化系统，其特征在于，所述的阵列支架为手持式环形支架，所述的声压传感器(1)为全向性声压传感器，且按环形排布，所述的声阵列面(2)为圆形阵列面，所述的深度相机(6)设置于圆形阵列面的中心。
3.根据权利要求1所述的一种三维声场可视化系统，其特征在于，所述的计算机(4)分别执行传感器标定程序、数据采集程序、数据处理程序和可视化定位程序，所述的传感器标定程序用于实现对声压传感器(1)的标定，所述的数据采集程序用于实现数据采集仪(5)多通道信号的同步数据采集，所述的数据处理程序用于将数据采集仪(5)采集的声压信号进行处理，所述的可视化定位程序用于将生成的声源数据图片和获取的声源三维图片进行融合，进行可视化定位展示。
4.根据权利要求3所述的一种三维声场可视化系统，其特征在于，所述的传感器标定程序首先输入标准器的分贝值和频率，再选择所要标定的声压传感器(1)所对应的通道序号和物理通道名称，然后把标准器对所要标定的声压传感器(1)进行标定；标定完成后，每个声压传感器(1)均包含对应的通道名称、检测频率和灵敏度。
5.根据权利要求3所述的一种三维声场可视化系统，其特征在于，所述的数据采集程序包括虚拟通道创建函数、采样定时函数、任务开始函数、数据读取函数和任务清除函数，所述的虚拟通道创建函数用于创建连接声压传感器(1)的通道，所述的采样定时函数用于配置采样频率、采样点数和采样模式，所述的任务开始函数用于执行数据采集程序，所述的数据读取函数用于通过创建的通道获取声压传感器(1)采集的真实声压值，所述的任务清除函数用于在数据采集结束后对硬件资源进行释放。
6.根据权利要求5所述的一种三维声场可视化系统，其特征在于，所述的虚拟通道创建函数通过输入声压传感器(1)的灵敏度，来创建声压传感器(1)的虚拟通道。
7.根据权利要求3所述的一种三维声场可视化系统，其特征在于，所述的数据处理程序首先获取数据采集仪(5)采集的多个声压信号，然后通过对连续采集的多个声压信号进行傅里叶变换，获取复声压的幅值与相位，得到复声压信号，最后发送至可视化定位程序。
8.根据权利要求7所述的一种三维声场可视化系统，其特征在于，所述的可视化定位程序通过深度照相机(6)采集声源三维图片并获取声源的三维数据，得到背景图片，然后利用复声压信号通过声成像算法获取声源数据图片，最后将声源数据图片和背景图片进行合成并显示在显示控件中，所述的声成像算法采用近场声全息算法或波束形成算法，根据距离自动切换，具体为，当近场时使用近场声全息算法，远场时使用波束形成算法。
9.根据权利要求8所述的一种三维声场可视化系统，其特征在于，所述的可视化定位程序还包括设置背景图片与声源数据图片之间的透明度，将声源数据图片和背景图片按照预设透明度进行合成并显示在显示控件中。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的三维声场可视化系统的声源可视化定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：多个声压传感器(1)采集声源(3)的多个声压信号；
S2：数据采集仪(5)通过多通道获取声压传感器(1)采集的多个声压信号，并发送至计算机(4)；
S3：计算机(4)获取多个声压信号，并通过傅里叶变换得到复声压信号；
S4：计算机(4)控制深度相机(6)采集声源三维图片，作为背景图片；
S5：计算机(4)利用复声压信号和声源三维图片进行声场重构，得到声场图像，作为声源数据图片；
S6：计算机(4)将背景图片和声源数据图片根据预设透明度进行融合拼接，并在显示控件中进行可视化展示。
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| 邵林等: "基于双目视觉和声阵列的声学摄像机的开发", 《仪器仪表学报》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113671041A (zh) * | 2021-07-30 | 2021-11-19 | 华南理工大学 | 一种基于近场声全息的隔声测量系统及其测量方法 |
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