CN1487500A - 采用近场声全息技术辨识非平稳声源的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用近场声全息技术辨识非平稳声源的方法，属于物理专业中噪声类领域。本发明在多个声源产生的复杂循环平稳声场的场合，采用循环平稳理论替代传统的傅立叶变换技术，选择谱相关密度函数作为声场重建的物理量，提出循环平稳声场的近场全息技术，首先布置参考传声器，提取参考源信号；再布置传声器阵列对全息面进行扫描测量，采集全息面数据；然后，采用循环平稳声场的近场全息技术，重建得到声场的三维分布。本发明利用循环平稳声场的独特的周期性，在循环平稳理论和平稳声场的近场全息技术的基础上，提出了循环平稳近场声全息技术，通过对用传声器阵列采集得到的全息面上声信号的重建，可以得到声场的三维分布。

Description

采用近场声全息技术辨识非平稳声源的方法

技术领域

本发明涉及的是一种利用循环平稳声场的辨识声源的方法，特别是一种采用近场声全息技术辨识非平稳声源的方法，属于物理类中的噪声领域。

背景技术

对噪声源特性的了解是控制噪声的前提，因此，为了有效地控制噪声，在降噪措施实施以前，必须首先进行噪声源诊断，确定各主要噪声源地位置，及其特性。随着现代信号处理技术地发展，谱分析技术，相干和偏相干分析技术、声强分析技术以及声近场全息技术等得到了迅速地发展。经文献检索发现，J.D.Maynard，E.G.Willarms，Y.Lee在《The Journal of the Acoustical Society ofAmerica》(78(1985)：1395-1413)上撰文“Nearfield acoustic holography：I.Theory of generalized holography and the development of NAH”(《美国声学学会杂志》，近场声全息：I.广义全息理论和NAH的发展)，该文提出了近场声全息技术，可以有效地诊断噪声源。后来，围绕着该项技术，展开了许多研究，包括应用环境，算法实现，精度提高，测量系统等。但是，所有工作都是基于平稳声场进行的，因此，有必要提出新的技术，用于非平稳声场的分析。然而，对于一般的非平稳声场，声信号的统计特性参量是时变的，因而也就无法再用时间平均来代替集合平均，使得数据采集十分困难，很难分析声场的特性。

循环平稳信号是一类特殊的非平稳信号，由于自身独特的周期平稳性，使得单次采集到的记录具有周期遍历特性，增加了分析这类非平稳信号方法。循环平稳信号在工程应用中有着十分重要的现实意义，例如旋转机械设备由于对称或近似对称的物理结构和周期性的工作运动模式，其声场有明显的周期时变特征，声信号具有循环平稳特性。在进一步检索中，尚未发现与本发明主题相同或者相类似的文献报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有近场声全息技术的不足，提供一种新的采用近场声全息技术辨识非平稳声源的方法，使其通过循环平稳声场的近场全息重建，可以由全息平面上的测量到的声压信号辨识出噪声源的三维声场分布。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明在多个声源产生的复杂循环平稳声场的场合，采用循环平稳理论替代传统的傅立叶变换技术，选择谱相关密度函数作为声场重建的物理量，提出了用于分析循环平稳声场的近场全息技术，首先布置参考传声器，提取参考源信号：再布置传声器阵列对全息面进行扫描测量，采集全息面数据；然后，利用循环平稳声场的近场全息技术，重建得到声场的三维分布。

以下对本发明作进一步的限定，具体方法步骤如下：

1、布置全息面测量传声器阵列，一般来说，要保证全息面尺寸足够大，以尽可能多地采集声场信息，同时，还要保证传声器间距足够小，以采集声场的高频信息，所以传声器数和通道可能不够用，这种场合下，可以将传声器布置成线阵列，在整个全息面上进行扫描测量。

2、在声源附近布置一个传声器采集参考声源的声信号，测量时，同步采集包括参考源传声器和传声器列阵在内的全部传声器通道的声信号，记录存储在计算机、磁带记录仪或其他设备中，假设全息面通道数为Q。参考声源用以获取相位信息，利用参考声源与阵列信号之间的相位关系，可以得到采用扫描方式在全息面上采集到的声信号之间的相对相位。

3、分析所采集的声信号，选取能够反映声场特性的频率和循环频率，可以分析参考源信号的谱相关密度函数来选择。

4、利用采集到的全息面时域声信号数据和参考源的时域声信号数据，计算所选择的频率f与循环频率α上的参考源信号谱相关密度函数S_rr ^α(f)，以及参考源信号和全息面上传声器信号的互谱相关密度矩阵

。可以通过这三个谱相关密度矩阵，获得全息面上声信号的谱相关密度矩阵

计算方法如式(1)：

$[S_{\mathrm{pp}}^{\mathrm{\α}}\left(f\right){]}_{Q\×Q}=[S_{\mathrm{pr}}^{\mathrm{\α}}\left(f\right){]}_{Q\×l}[S_{\mathrm{rp}}^{\mathrm{\α}}\left(f\right){]}_{l\×Q}/S_{\mathrm{rr}}^{\mathrm{\α}}\left(f\right)--\left(1\right)$

5、利用关系式(1)计算全息面上各测点的互谱相关密度矩阵

，然后提取对主角元素形成各测点的自谱相关密度矩阵。

6、对全息面声信号的自谱相关密度进行声场重建，以得到声场的三维信息。重建方法如下：

设全息面S_h和源面S_s均为平面，设源面S_s与z＝z_s平面重合，全息测量面S_h与z＝z_h平面重合，设S^α(x，y，z_s，f)为声源所在平面z＝z_s处的谱相关密度函数，设S^α(x，y，z_h，f)为全息平面z＝z_h处的谱相关密度函数，G_D(x，y，z_h-z_s)为Dirichlet条件下的格林函数，则

$S^{\mathrm{\α}}(k_x,k_y,z_h,f)=S^{\mathrm{\α}}(k_x,k_y,z_s,f){\tilde{G}}_D(k_{x,}{k}_y,z_h-z_s)--\left(2\right)$

其中：

S^α(k_x，k_y，z_s，f)＝F[S^α(x，y，z，f)]

S^α(k_x，k_y，z_h，f)＝F[S^α(x，y，z_h，f)]对(2)式进行反卷积运算就得广义重建的表达式：

式中F表示二维空间傅立叶变换，F-1表示逆二维空间傅立叶变换， 为

的逆矩阵。

本发明具有实质性特点和显著进步，本发明利用循环平稳声场的独特的周期性，在循环平稳理论和平稳声场的近场全息技术的基础上，提出了循环平稳近场声全息技术，通过对用传声器阵列采集得到的全息面上声信号的重建，可以得到声场的三维分布。

具体实施方式

结合本发明方法内容提供以下实施例：

1、采用两个扬声器发出循环平稳声，形成两个循环平稳声源，在扬声器附近布置两个传声器，提取参考源信号。

扬声器的激励源为：

Vsource1＝Acos(2πf₁t)*noise(t)

Vsource2＝B(1+Ccos(2πf_bt))*cos(2πf_at)

其中，A＝10，B＝C＝1，f₁＝600，f_a＝600，f_b＝200，noise为带通白噪声。

2、将32个传声器布置成线阵列，在整个全息面上进行扫描测量，形成32×32的全息面阵列：在全息面数据采集同时，利用参考传声器采集参考源声信号。测量时，同步采集全部传声器通道的声信号，记录存储在计算机中。

3、在实验室回放分析所采集的声信号，选取能够反映声场特性的频率f＝200Hz和循环频率dlpha＝1200Hz。

4、利用采集到的全息面数据和参考源数据，分析所选择的频率f与循环频率α上的参考源信号自谱相关密度矩阵[S_rr ^α(f)]，参考源信号和全息面上传感器信号的互谱相关密度矩阵

5、通过参考源信号自谱相关密度矩阵[S_rr ^α(f)]，参考源信号和全息面上传感器信号的互谱相关密度矩阵 利用公式(1)计算获得全息面上声信号的互谱相关密度矩阵，然后提取对角元素形成各测点的自谱相关密度矩阵。

6、利用循环平稳声场的近场全息重建公式对全息面声信号的自谱相关密度进行声场重建，得到声场的三维信息。

经过分析可以发现，利用本发明分析循环平稳声场，不仅可以如平稳近场声全息技术那样由全息面上声信号经过重建得到整个三维声场的平稳分量信息，而且，还可以由全息面上声信号经过重建得到整个三维声场的非平稳分量信息，从而全面地分析整个循环平稳声场的特征。

Claims (3)

1、一种采用近场声全息技术辨识非平稳声源的方法，其特征在于，在多个声源产生的复杂循环平稳声场的场合，采用循环平稳理论替代传统的傅立叶变换技术，选择谱相关密度函数作为声场重建的物理量，提出循环平稳声场的近场全息技术，首先布置参考传声器，提取参考源信号，再布置传声器阵列对全息面进行扫描测量，采集全息面数据，然后，采用循环平稳声场的近场全息技术，重建得到声场的三维分布。

2、根据权利要求1所述的采用近场声全息技术辨识非平稳声源的方法，其特征是，以下对上述方法所作的进一步限定，具体的方法步骤如下：

(1)布置全息面测量传声器阵列，将传声器布置成线阵列，在整个全息面上进行扫描测量；

(2)在声源附近布置一个传声器采集参考声源的声信号，测量时，同步采集包括参考源传声器和传声器列阵在内的全部传声器通道的声信号，记录存储在计算机、磁带记录仪或其他设备中，设全息面通道数为Q，参考声源用以获取相位信息，利用参考声源与阵列信号之间的相位关系，得到采用扫描方式在全息面上采集到的声信号之间的相对相位；

(3)分析所采集的声信号，通过分析参考源信号的谱相关密度函数来选取反映声场特性的频率和循环频率；

(4)利用采集到的全息面时域声信号数据和参考源的时域声信号数据，计算所选择的频率f与循环频率α上的参考源信号谱相关密度函数S_rr ^α(f)，以及参考源信号和全息面上传声器信号的互谱相关密度矩阵 ，通过这三个谱相关密度矩阵，获得全息面上声信号的谱相关密度矩 计算方法如(1)：

$[S_{\mathrm{PP}}^{\mathrm{\α}}\left(f\right){]}_{Q\×Q}=[S_{\mathrm{pr}}^{\mathrm{\α}}\left(f\right){]}_{Q\×l}\left[S_{\mathrm{rp}}^{\mathrm{\α}}\left(f\right){]}_{l\×Q}\right[S_{\mathrm{rp}}^{\mathrm{\α}}\left(f\right){]}_{l\×Q}/S_{\mathrm{rr}}^{\mathrm{\α}}\left(f\right)--\left(1\right);$

(5)利用关系式(1)计算全息面上各测点的互谱相关密度矩阵 然后提取对主角元素形成各测点的自谱相关密度矩阵；

(6)对全息面声信号的自谱相关密度进行声场重建，得到声场的三维信息。

3、根据权利要求2所述的采用近场声全息技术辨识非平稳声源的方法，其特征是，步骤(6)中，对全息面声信号的自谱相关密度进行声场重建，重建方法如下：

设全息面S_h和源面S_s均为平面，设源面S_s与z＝z_s平面重合，全息测量面S_h与z＝z_h平面重合，设S^α(x，y，z_s，f)为声源所在平面z＝z_s处的谱相关密度函数，设S^α(x，y，z_h，f)为全息平面z＝z_h处的谱相关密度函数，G_D(x，y，z_h-z_s)为Dirichlet条件下的格林函数，则

$S^{\mathrm{\α}}(k_x,k_y,z_h,f)=S^{\mathrm{\α}}(k_x,k_y,z_s,f){\tilde{G}}_D(k_{x,}{k}_y,z_h-z_s)--\left(2\right)$

其中：

S^α(k_x，k_y，z_s，f)＝F[S^α(x，y，z_s，f)]

S^α(k_x，k_y，z_h，f)＝F[S^α(x，y，z_h，f)]对(2)式进行反卷积运算就得广义重建的表达式：

式中F表示二维空间傅立叶变换，F^-1表示逆二维空间傅立叶变换，

为的逆矩阵。