三維矢量聲強的測量方法及測量探頭的製作方法

2023-09-16 20:12:45 2

專利名稱：三維矢量聲強的測量方法及測量探頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及三維矢量聲強測量技術，更具體說是其測量方法及測量探頭。
背景技術：
目前常用的聲強測量方法是雙傳聲器互譜聲強測量法，通過兩個相距一定間距的傳聲器測量測點處的聲壓，從而獲取某一個方向的聲強量。
由於聲強是矢量，既可以確定聲音在空間傳播的大小與又可確定其方向，因而三維矢量聲強的測量在噪聲源的定位、聲源排隊、空間聲能流分布等工程領域中的應用具有很高的價值。但獲得聲強矢量的關鍵是需要測得X、Y、Z三個方向的聲強分量，這樣才能確定其在空間的大小與方向。已有的三維聲強矢量的測量包括在早期，用一個聲強探頭對X、Y、Z三個方向分別進行測量來獲得，具體操作需要分三次完成採樣，測量過程耗時長，不易保證空間定位精度，只適用於穩態聲場。
日本的Nittobo聲學儀器公司在此基礎上研製了一種MT ver2.0聲強探頭的旋轉裝置，在其上裝上BK4181和4178型號聲強探頭，沿著兩個緊密結合的圓形導軌旋轉探頭就可以測量出X、Y和Z三個方向的聲強矢量；丹麥的G.R.A.S.公司生產的50VX型號X-Y-Z聲強探頭是通過手柄上兩個機械推鈕來控制旋轉頭，使其轉到三個相互垂直的方向，從而分別測量三個方向的聲強；這兩種測量方法相對單個聲強探頭而言，測量要方便些，但測量時間以及空間定位精度誤差等並沒有太大的改進。
此外，丹麥BK公司生產的BK WA0447型和丹麥G.R.A.S.公司生產的50VI-1型三維矢量聲強探頭都是採用三對傳聲器對六個通道同時採樣，一次測量三個方向的聲強的測量儀器，但由於其中心點的聲壓由六個傳聲器測得的聲壓平均獲得，因而引入較大的誤差，在高頻區會出現較大的幅值波動，並且在時域內會出現一定程度的拖尾效應。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種可保證空間定位精度、快速簡便、通過一次測量即可獲得聲場中三個方向的聲強分量的三維矢量聲強的測量方法以及實施該方法的三維矢量聲強測量探頭。
本發明解決技術問題所採用的技術方案是本發明三維聲強測量方法的特點是a、構造用於空間矢量聲強測量的正四面體(ABCD)，以其中心點為測量點，正四面體頂部的頂點(A)位於測量定位網格面Q的網格點上，測量點與所述網格點的距離為r，正四面體中心點與其頂點的連線的延長線與被測對象表面外法線重合。
b、測量位於正四面體四個頂點位置處的聲壓，根據雙傳聲器互功率譜聲強測量原理分別計算得出正四面體六個稜邊上的聲強分量IBA、IBC、IBD、IDC、IDA、ICA；c、建立測點處三維聲強IX、IY、IZ與正四面體六個稜邊聲強分量之間的數學模型為Ix＝IBCIy=IBD-IDC3]]>Iz=IBA+ICA+IDA6]]>根據數學模型計算得出IX、IY、IZ及三維矢量聲強I=Ix2+Iy2+Iz2.]]>本發明實施上述方法的三維矢量聲強探頭的結構特點是由四隻聲壓傳感器組成，所述四隻聲壓傳感器分別設置在正四面體的頂部的頂點及底面上的三個頂點上，各聲壓傳感器軸線相互平行，且與被測對象表面外法線平行。
聲強是單位面積上通過的聲能量流，它可以表示為 聲強的頻域表達式為Ir=12Re{PUr*}------(2)]]>其中，P(ω)和U(ω)分別為p(t)和u(t)的傅立葉變換，*為複數共軛。
根據雙傳聲器互功率聲強測量原理，測量點處的聲壓是由兩傳聲器各自測量的聲壓的算術平均，即p(t)=p1(t)+p2(t)2------(3)]]>根據牛頓第二定理，在場點r處的粒子速度和聲壓梯度的關係可以表示為urt=-1pr-----(4)]]>由聲壓梯度導數的有限差分近似有
urt=-1[p2(t)-p1(t)r]-----(5)]]>對(3)和(5)式分別進行傅立葉變換可得P=P1+P22------(6)]]> 將式(6)和(7)代入(2)得 由於P1P2*-P2P1*=2i{P1P2*},]]>則聲強可以直接通過兩個傳聲器信號作互譜來求取為Ir=Im{P1P2*}2r=Im{G12}r=Qabr------(9)]]>本發明中，正四面體的邊長為 根據雙傳聲器互功率聲強測量原理，正四面體六個稜邊方向上的聲強分別為IBA=Im(GBA)r,]]>IBC=Im(GBC)r,]]>IBD=Im(GBD)r,]]>IDC=Im(GDC)r,]]>IDA=Im(GDA)r,]]>ICA=Im(GCA)r]]>建立測量點處三維聲強矢量在X、Y、Z三個方向上的聲強分量Ix、Iy、Iz與正四面體六個稜邊方向上聲強分量之間的函數關係 對此超定方程，通過數學推導，確定其最優解為
Ix＝IBCIy=IBD-IDC3]]>Iz=IBA+ICA+IDA6----(10)]]>由此可得到三維聲強矢量I=Ix2+Iy2+Iz2]]>其聲強分量測量不確定度函數可定義為聲強計算值Ic與其理論值Ir的比err＝10·lg|Ic/Ir| (11)與已有技術相比，本發明的有益效果體現在1、本發明通過一次測量即可獲得聲場中測量點處三個方向的聲強分量，保證了空間定位精度，簡化了測量過程，節省了測量時間。
2、本發明可實現X、Y、Z三個方向的矢量聲強分量的測量，聲源頻率在2kHz以下時，總聲強級測量不確定度可控制在2dB以內。
3、本發明探頭結構簡單、使用方便，可廣泛用於工程領域中的空間矢量聲強測量及噪聲源定位。


圖1為本發明測量方法示意圖。
圖2為本發明探頭結構示意圖。
圖3為本發明探頭中四隻聲壓傳感器位置排布示意圖。
圖4為利用本發明方法和裝置，進行的數值仿真結果與理論計算值的比較。其中圖4(a)為x方向聲強級仿真值和理論值；圖4(b)為y方向聲強級仿真值和理論值；圖4(c)為z方向聲強級仿真值和理論值；圖4(d)為總聲強級仿真值和理論值。
圖5為利用本發明方法和裝置，對測點處單極子聲源的各方向聲強進行的數值仿真與理論計算後確定的誤差曲線。其中圖5(a)為x方向聲強級仿真值和理論值誤差；圖5(b)為y方向聲強級仿真值和理論值誤差；圖5(c)為z方向聲強級仿真值和理論值誤差；圖5(d)總聲強級誤差分布。
圖6為測量面上總聲強級分布示意圖。其中圖6(a)為等值線6(b)為彩斑7為三維聲強矢量分布圖。
圖8為測量面上聲強矢量的聲能流圖。
圖9被測對象發動機其測量面P上的三維聲強矢量分布圖
具體實施例方式參見圖1、圖3，本實施例中，被測對象M為發動機，其待測表面為平面，具體測量過程為1、構造幾何坐標系O1-X1Y1Z1用於確定測量定位網格面Q{Z1＝0}；構造用於空間矢量聲強測量的正四面體(ABCD)，以正四面體的中心點(O)為原點建立測量坐標系O-XYZ(該測量坐標係為動坐標系)，正四面體頂部的頂點(A)位於測量定位網格面Q的網格點上，隨著頂點(A)在網格點上的移動，中心點O(也即測量點)的移動軌跡構成測量面P，測量面P與測量定位網格面Q之間的距離為r；測量坐標系O-XYZ的Z軸方向為正四面體的頂點與中心點的連線方向，X軸方向平行於正四面體底面(BCD)上的一個稜邊；測量過程中要求測量坐標系的Z軸、X軸分別與測量定位網格面Q的幾何坐標系O1-X1Y1Z1的Z1軸、X1軸平行。
b、測量位於正四面體四個頂點位置處的聲壓，根據雙傳聲器互功率譜聲強測量原理分別計算得出正四面體六個稜邊上的聲強分量IBA、IBC、IBD、IDC、IDA、ICA；c、建立測點處三維聲強IX、IY、IZ與正四面體六個稜邊聲強分量之間的數學模型為Ix＝IBCIy=IBD-IDC3]]>Iz=IBA+ICA+IDA6]]>根據以上數學模型計算得出某一測量點處的三維矢量聲強為I=Ix2+Iy2+Iz2]]>隨著頂點A在網格點上的移動，即可得出以測量面上各測量點處的三維矢量聲強值所表徵的被測對象在測量面P上的三維聲強矢量分布圖(如圖9所示)。
參見圖2、圖3，本實施例中，實施上述方法的三維矢量聲強測量探頭是由四隻聲壓傳感器1、2、3、4組成。四隻聲壓傳感器1、2、3、4分別設置在正四面體的頂部的頂點A及底面上的三個頂點B、C、D上，各聲壓傳感器1、2、3、4的軸線相互平行，聲壓傳感器的膜片正法線方向與測量坐標系的Z軸負方向一致。
如圖2所示，具體實施中，四個聲壓傳感器1、2、3、4安裝在四個前置放大器5上，四個前置放大器由中心架11支撐，並由緊固螺母10固定，設置手柄9，手柄9與中心架11之間由緊固螺栓8和耳形擰緊螺母7調節並緊固。圖中，用於支撐聲壓傳感器A的支杆為中心支杆6。
模型的分析和檢驗參見圖4、圖5，採用單極子聲源驗證模型的正確性。在自由聲場條件下，單極子聲源的聲強傳播公式為Imono=A220C01r2----(12)]]>式中，A為取決於球面振動情況的特定常數，k為波數，ρ0為媒質密度，C0為媒質中的聲速，r為聲場中任意點與單極子聲源之間的距離。
設單極子聲源位於幾何坐標原點O1處，聲強探頭中心點位於坐標系O1-X1Y1Z1下點(0.6，0.5，0.8)處，測量時聲強探頭的BC邊平行於坐標系X軸，聲強探頭的BCD面垂直於坐標系Z軸。當採用本發明的三維聲強探頭測量聲場中X、Y、Z三個方向的聲強時，其計算結果與理論值的比較如圖4所示，圖中，「.」為仿真值，「o」為理論值。其誤差分布如圖5所示。結果表明，本發明的三維矢量聲強探頭能夠正確地反映聲場中的三維矢量聲強結果。
參見圖6、圖7、圖8，現選取兩個單極子聲源分別位於X1軸上坐標原點兩側0.5m處，聲強探頭中心點位於測量面P{-1m≤x≤1m；-1m≤y≤1m；z＝0.15m}上，測量時聲強探頭的BC邊平行於坐標系X軸，聲強探頭的BCD面垂直於坐標系Z軸。當採用四聲壓傳感器三維聲強探頭進行測量時，測量面上總聲強分布如圖6、7所示，其測量面上的X、Y方向矢量聲強分布如圖8所示，結果表明通過四聲壓傳感器三維聲強探頭能夠準確地進行聲源定位，能夠有效地反映整個三維聲場的聲強矢量分布。
針對被測對象待測面不同的形狀，所構造的測量定位網格面還可以是柱面、球面等，或是與被測對象待測面共形的面，或是與被測對象待測面非共形的面。
權利要求
1.一種三維矢量聲強的測量方法，其特徵是a、構造用於空間矢量聲強測量的正四面體(ABCD)，以其中心點為測量點，正四面體頂部的頂點(A)位於測量定位網格面(Q)的網格點上，測量點與所述網格點的距離為r，正四面體中心點與其頂點的連線的延長線與被測對象表面外法線重合。b、測量位於正四面體四個頂點位置處的聲壓，根據雙傳聲器互功率譜聲強測量原理分別計算得出正四面體六個稜邊上的聲強分量IBA、IBC、IBD、IDC、IDA、ICA；c、建立測量點處三維聲強IX、IY、IZ與正四面體六個稜邊聲強分量之間的數學模型為Ix＝IBCIy=IBD-IDC3]]>Iz=IBA+ICA+IDA6]]>根據數學模型計算得出IX、IY、IZ及三維矢量聲強I=Ix2+Iy2+Iz2.]]>
2.根據權利要求1所述的三維矢量聲強的測量方法，其特徵是構造用於確定測量定位網格面Q、Z1＝0的幾何坐標系O1-X1Y1Z1；以所述正四面體的中心點(O)為原點建立測量坐標系O-XYZ，正四面體的頂點(A)在網格面的各網格點上移動，其中心點O的移動軌跡構成測量面P，測量坐標系O-XYZ的Z軸方向為正四面體的頂點與中心點的連線方向，X軸方向平行於正四面體底面(BCD)上的一個稜邊；測量過程中，測量坐標系的Z軸、X軸分別與測量定位網格面Q的幾何坐標系O1-X1Y1Z1的Z1軸、X1軸平行。
3.根據權利要求2所述的測量方法，其特徵是所述測量定位網格面Q為被測對象待測面的共形面或為非共形面。
4.一種實施權利要求1所述方法的三維矢量聲強測量探頭，其特徵是由四隻聲壓傳感器(1、2、3、4)組成，所述四隻聲壓傳感器(1、2、3、4)分別設置在正四面體的頂部的頂點及底面上的三個頂點位置上，各聲壓傳感器軸線相互平行，且與被測對象表面外法線平行。
全文摘要
三維矢量聲強的測量方法及測量探頭，其特徵是構造用於空間矢量聲強測量的正四面體，測量位於正四面體四個頂點位置處的聲壓，根據雙傳聲器互功率譜聲強測量原理分別計算得出正四面體六個稜邊上的聲強分量；建立測點處三維聲強與正四面體六個稜邊聲強分量之間的數學模型，計算得出三維矢量聲強。測量探頭是由位於正四面體的四個頂點上的四隻聲壓傳感器所構成。本發明可保證測量時的空間定位精度、測量過程快速簡便，通過一次測量即可獲得聲場中三個方向的聲強分量和三維矢量聲強。可廣泛用於工程領域中的噪聲源定位和空間聲場描述等場合。
文檔編號G01H11/00GK1553154SQ0313162
公開日2004年12月8日 申請日期2003年5月28日 優先權日2003年5月28日
發明者陳心昭, 陳劍, 畢傳興, 李衛兵 申請人:合肥工業大學