噪聲源測試分析方法及其裝置的製作方法

2023-09-14 21:30:45 2

專利名稱：噪聲源測試分析方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種聲源測試分析方法，特別是基於小波變換和高階譜分析的噪聲源 測試分析方法及其實現此方法的裝置。
背景技術：
聲源定位技術，可以根據來自目標的信息確定目標的位置，是定位技術一項重要 的技術。隨著定位技術不斷發展，聲源定位技術的應用也日益廣泛，特別是應用在噪聲輻射 強烈的工業現場。聲源定位，往往用來定位和識別強烈的發聲部位，對降噪提供依據。傳統的噪聲源 識別方法，如頻譜分析方法，分析方便直觀，在旋轉機械的噪聲源分析中應用較為普遍，但 受各傳感器的頻響函數的影響，不能敏感地識別主噪聲源。傳聲器是將聲能轉換成電能的一種轉換部件，利用傳聲器對聲源進行定位是採用 傳聲器陣列對發出的聲音的聲源位置進行定位。傳聲器陣列是指由多個傳聲器按照不同的 空間位置擺放，共同組成某一特定的接收系統的裝置。目前，傳聲器陣列主要採用時延估計 (Time-Delay-estimator)技術和時延求和波束形成技術來進行聲源定位，其具體實施步驟 為，1)首先把M個傳聲器按照一定的拓撲結構組成傳聲器陣列，來拾取聲源發出的聲 音信號和其它噪聲信號。用數學公式表示傳聲器陣列的接收信號F (t)為F(t) = [^ω^ω.,.^α)]1 α)然後，對每個傳聲器接收到的信號進行AD轉換F (n) = Lf1 (η) f2 (η). . . fM (η) ]τ (2)再從公式(2)計算出的每路信號中選取一幀信號進行短時傅立葉變換
4
Sioi) =
Il
7
-
e
N
S(a) Σ F(n)w(n
②對上述相關矩陣進行特徵值分解，求出特徵值和對應的特徵向量；
(6)③按照特徵值的大小把特徵向量組成的信號空間分解成為噪聲子空間S和信號 子空間 ④根據公式(8)獲取每一搜索位置的位置矢量ai(r，θ ) 其中rm是從搜索點(r，θ )到第m個傳聲器的距離；τ m聲源從搜索點(r，θ )到 m個傳聲器的傳播時間；Oi表示第i個頻率點。定義bi(r，0)為 求出第i個頻率點的二維空間譜矩陣為
(10)通過上面4個步驟的處理後，選擇一個頻率範圍並求出該頻率範圍內的平均空間 譜 其中ωΗ分別為該頻率範圍的下界和上界頻率，K = ωΗ-ωι+103)對步驟2中獲得的P(r，θ )進行二維譜峰搜索，從而找到目標信號的位 置， 即在二維空間譜矩陣P(r，θ)中找出峰值，峰值對應的坐標就是聲源位置估計值(r，θ)。但是，該方法的主要缺點是定位不精確，且對所有頻率點均求空間譜，運算量大， 實時性低，實現成本高，從而不能有效的分析和提取噪聲源，在聲源定位中有較大的局限 性。

發明內容
聲源定位技術的關鍵點是如何從背景噪聲識別被測聲源並估計聲波的方位，其中 迫切需要解決的是基陣的分辨能力問題。為了解決上述問題，本發明的目的在於提供一種 噪聲源測試分析方法及其裝置，使其具有較高的信號分辨能力。本發明解決其技術問題採用的技術方案為1、一種噪聲源測試分析方法，包括以下步驟1)採用傳聲器接收被測主噪聲源輻射的聲波；2)對被測主噪聲源輻射的聲波進行採樣；模數轉化後，對被測主噪聲源的聲信號 進行保存、顯示；3)利用小波變換和高階譜分析技術對步驟2保存的被測主噪聲源的聲信號進行 處理，獲取信號特徵值，用於識別噪聲源；
4)利用獨立分量分析方法估計從被測主噪聲源到傳感器的頻率響應特性，進而實 現聲源波達方向的估計。進一步，所述步驟1的傳聲器為傳聲器陣列，傳聲器個數大於1。
所述步驟3包括如下步驟1)對聲音信號進行小波變換，將聲音信號分解為不同尺度的細節分量和近似分 量，通過對各級分量的分析，確定主噪聲源和背景噪聲集中的尺度分量，並將含有背景噪聲 的尺度分量濾除，僅保留主噪聲源所在的尺度分量，作為雙譜估計的信號序列；2)將小波變換後的信號序列，進性雙譜估計，計算主噪聲源的雙譜特徵。所述步驟4的具體步驟為1)利用傳聲器陣列接收被測主噪聲源信號向量x(t)；2)利用時_頻分析技術構建聲信號的時_頻矩陣；3)利用獨立分量分析技術，由時-頻矩陣估計從被測主噪聲源到傳感器的頻率響 應特性——分離矩陣；4)從分離矩陣出發估計聲源波達方位角θ的值。進一步，使用公式WT^(a,b) =『=< x(JH ⑴〉(ι)進行小波變換，其中a是尺度因子，b是時移因子。Wa,b(t)是母小波Ψ (t)經移 位和伸縮所產生的一簇函數。使用公式C3^ (^l, ty 2 ) = X X c3X (Tt,T2)exp{- )(ωιτι + ω 2τ 2)} (之)計算聲信號的雙譜特徵。實現這種噪聲源測試分析裝置包括傳聲器、信號調理器、採集卡、計算機、數據採 集軟體和數據分析；所述傳聲器接收的被測主噪聲源的聲波由信號調理節放大後，經採集 卡傳輸至計算機，通過數據採集軟體進行模數轉換並實時顯示、存儲聲信號，上述數位化後 的聲信號，通過數據分析軟體運算實現噪聲源的識別。本發明的有益效果通常的統計信號處理有三個基本假設線性、高斯性和平穩性，而實際噪聲源定位 中，信號處理則以多以非線性、非高斯性和非平穩性信號作為分析與處理的對象。雙譜分析 是處理高斯信號的有力工具，它從更高階概率結構表徵隨機信號，理論上能完全抑制高斯噪 聲，在高階譜中，雙譜的階數是最低的，處理方法最簡單，同時也包含高階譜的所有特性。但是 當被測主噪聲源淹沒在非高斯背景噪聲中時，雙譜分析就顯得力不從心。而小波變換的優勢 在於非平穩信號，具有明顯的時域局部化，可有效地增強隱藏在振動信號中的瞬時信息。本發明提供的一種噪聲源測試分析方法，是基於小波變化和雙譜分析的噪聲源分 析法，這樣可以既消除了非高斯類噪聲部分的影響，又不會對主噪聲源信號的有用信息造 成損失，可較為準確、有效地提取主噪聲源信號的模式特徵。


圖1是一種噪聲源測試分析裝置結構示意圖
具體實施例方式以下結合附圖及具體實施例對本發明的原理及具體內容進行詳細說明。一種主噪聲源測試分析方法，包括如下步驟1)採用傳聲器接收被測主噪聲源輻射的聲波。本實施例採用北京聲望的MPA416欲極化自由場測量傳聲器，該傳聲器靈敏度高， 可與數據採集卡相連，提供強信號輸出和較低的本底噪聲，主要用於陣列和聲學測量。傳聲 器個數選擇4隻。2)對被測主噪聲源輻射的聲波進行採樣；模數轉化後，對被測主噪聲源的聲信號 進行保存、顯示。將採集到的被測主噪聲源輻射的聲波信號，經過信號調理器放大，通過數據採集 卡，將採集到的模擬信號轉換成數位訊號，傳輸至計算機中的數據採集軟體進行儲存、顯示 等處理。本實例選用聲望的MC104信號調理器，選用NI公司的PCI1714UL高性能數據採集 卡作為連接信號調理器和計算機的中間設備。本實施例的數據採集軟體是基於LabView軟 件開發平臺設計的數據採集軟體。3)利用小波變換和高階譜分析技術對步驟2保存的被測主噪聲源的聲信號進行 處理，獲取信號特徵值，用於識別噪聲源。本實施通過Matlab軟體開發的噪聲源分析系統，通過該軟體可以分析採集到的
噪聲信號。具體步驟首先，對採集到的聲音信號進行小波變換，將聲音信號分解為不同尺度的細節分 量和近似分量，通過對各級分量的分析，確定主噪聲源和背景噪聲集中的尺度分量，並將含 有背景噪聲的尺度分量濾除，僅保留主噪聲源所在的尺度分量，作為雙譜估計的信號序列。其中小波變換定義為對於給定信號x(t) e L2(R)，x(t)的小波變換定義為


式中a> ο是尺度因子，b是時移因子。ψ「α)是母小波ψ α)經移位和伸縮 所產生的一簇函數，稱之為小波基。由此定義可知，小波變換實質上是原始信號與經過伸縮 後的小波函數簇的相關運算。通過調整尺度，可得到具有不同時頻寬度的小波以匹配原始 信號的不同位置，達到信號的局部化分析。a、b參數對應於時_頻分析中的頻率與時間變量，小波變換中總是根據不同信號 的時_頻特性，由算法進行自適應的選擇。例如，在噪聲源信號分析中，當分析尺度a大於 或等於4時，所得結果基本對應的是高頻的背景噪聲幹擾。因此，我們通常選取實際噪聲源 信號小波變換的分析尺度為1 3。然後，將小波變換後的信號序列，進性雙譜估計，計算主噪聲源的雙譜特徵。其中 雙譜分析的定位為雙譜的定義公式如下
由三階累積量的對稱性，可得雙譜的對稱性及其對稱域。 = C3x(ω」-CO1-CO2) = C3x(-CO1-ω2，ω》=C3x(ω2，-CO1-CO2) (4)對於實隨機過程，雙譜共有12個對稱區域。因此，由上式可知，只要已知主三角區 ω2 W1 ^ ω2, ω1+ω2^ Ji內的雙譜，就能夠完全描述所有的雙譜。雙譜計算的流程 如下①將聲信號χ (t)的N個數據分為K段，每段含M個樣本，即N = KM ；②去除每段數據的均值；③計算各數據段的三階累積量的估計值；④取所有段的三階累積量的平均值作為整個觀測數據組的三階累積量估計；⑤對三階累積量估計進行二維傅立葉變換，獲得聲信號x(t)的雙譜估計。最後， 由上述小波變換域上的雙譜估計便可得到採集到的聲音信號的特徵值。4)利用獨立分量分析方法估計從被測主噪聲源到傳感器的頻率響應特性，進而實 現聲源波達方向的估計，其步驟如下①利用多通道傳聲器陣列或測量裝置接收原始的聲源信號向量x(t)；②利用時_頻分析技術(如短時傅立葉變換)構建聲信號的時_頻矩陣；③利用獨立分量分析方法，由時-頻矩陣估計從被測主噪聲源到傳感器的頻率響 應特性——分離矩陣；④從分離矩陣出發估計聲源波達方位角θ的值。方位估計的基本原理是假設有P個混合的源信號sp(t)和Q個傳感器觀測信號
，其中，hqP(k)表示從源P到傳感器q的脈衝響應。讓《表
示傳感器q的位置(傳感器線性排列)，θ p表示源Sp的方位(與傳感器陣列的正交成90 度)。通過L點短時DFT，時域信號Xq (t) xq (t)轉換成頻域時間序列信號Xq (f)， 其中f = 0，fs/L，...，fs(L-l)/L，m是幀索引。因此，混合模型在頻率上可以由
)來表示。雖然信號在迴響條件下是混合的，但是，可以近似得到一個脈衝響應hip(k)的頻 率響SHM(f)為⑷=^1 ，，其中c是傳播速度。如果把θρ作為一個變量Θ，可 以得到一個引導矢量 從而傳感器得到的觀測量可以表示成Χ(/) = Σ二a(/,的Sp(/)，其中，X(f)是一 個 Q 維向量 X(f) = [X1 (f),...,XQ(f)]T0如果由ICA方法得到的分離矩陣能提取出聲源信號，並保證W(f)H(f) = I，從而 通過H(f) =Wlf)估計出混合系統的頻率響應。這裡需要考慮ICA分解的尺度和信號源排序的不確定性。因此，與混合系統的實頻響應相比，H(f)的每一列具有任意的尺度和 信號源排序。矩陣H(f)的每一個元素!^( 具有任意的幅值。因為混合系統的近似值
不符合前面的這種條件，所以，重建了在原點具有衰減Aqp (實值)和相
位調製的混合系統的模型

(6)通過計算與同一個源P相對應的兩個元素Hqp(f)和Hq, p(f)之間的比值，可以忽 略尺度的不確定性
(7)由上面的公式可以得到計算方位角θ p的一個公式 如果對所論述的cos—1的絕對值大於1，則θ p變成複數，並且得不到方位信息。在 這種情況下，公式(7)可以用另一對q和q'來計算。從公式上看，這種方法可以得到任何 數量的源信號。因為排序的不確定性，θ 5可能不與Sp相對應，但與另外一個源信號相對應。然而， 通過計算所有Ρ = 1，...，Ρ的θ ρ，可以獲得所有源信號的方位。通過公式(8)，方位可以 被近似的估計出來。對於兩個聲源的情況，可以證明θρ可以由公式(7)得到，同樣，方向圖中的最小 值零方向也可以由(7)得到。方向圖中，|Br (f，θ) I =wr(f)a(f, Θ)，其中wJf)是分離矩 陣頻率響應的第r行。當|Bjf，θ) I為最小時，θ相對應的為零方向。當省略約二 Z^r/c-1、 和f時，最小化表達式為
(9)當α = Ci2-Ci1時，一階導數和二階導數分別為
表示實部和虛部。如果仍WKWrtW1^-"-) = 1、券為零、祭為正數，則J( θ )的值為最小。 因此，零方向是由$的第r行形成的，而f是通過//21=-W21/detC^)和 /Z11=W22Zdet^O得到的。從而可以看到9工和《"「是等價的 根據式⑶和(11)可以求出所有的方位角。小波變換和高階譜分析主要用於噪聲源的分析和識別，用獨立分量分析方法估計從源到傳感器的頻率響應特性，進而實現聲源波達方向的估計。它們結合數據採集設備共 同組成了基於小波變換和高階譜分析的噪聲源測試分析系統。如圖1所示，實現此算法的噪聲源測試分析裝置，包括傳聲器(1)、信號調理器 (2)、採集卡(3)、計算機(4)、數據採集軟體(5)和數據分析軟體(6)；所述傳聲器⑴接收 的被刺主噪聲源的聲波，由信號調理器(2)放大後，經採集卡(3)傳輸至計算機(4)，通過進 行數據採集軟體(5)進行模數轉換並實時顯示、存儲聲信號，通過數據分析軟體(6)運算實 現被測主噪聲源的測試，包括，方位估計和聲源識別。以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護範圍，凡是 按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護範圍 之內。
權利要求
一種噪聲源測試分析方法，其特徵在於，包括以下步驟1)採用傳聲器接收被測主噪聲源輻射的聲波；2)對被測主噪聲源輻射的聲波進行採樣；模數轉化後，對被測主噪聲源的聲信號進行保存、顯示；3)利用小波變換和高階譜分析技術對步驟2保存的被測主噪聲源的聲信號進行處理，獲取信號特徵值，用於識別噪聲源；4)利用獨立分量分析方法估計從被測主噪聲源到傳感器的頻率響應特性，進而實現聲源波達方向的估計。
2.根據權利要求1所述的一種噪聲源測試分析方法，其特徵在於，所述步驟1的傳聲器 為傳聲器陣列，傳聲器個數大於1。
3.根據權利要求1所述的一種噪聲源測試分析方法，其特徵在於，所述步驟3包括如下 步驟1)對聲音信號進行小波變換，將聲音信號分解為不同尺度的細節分量和近似分量，通 過對各級分量的分析，確定主噪聲源和背景噪聲集中的尺度分量，並將含有背景噪聲的尺 度分量濾除，僅保留主噪聲源所在的尺度分量，作為雙譜估計的信號序列；2)將小波變換後的信號序列，進性雙譜估計，計算主噪聲源的雙譜特徵。
4.根據權利要求3所述的一種噪聲源測試分析方法，其特徵在於使用公式 進行小波變換，其中a是尺度因子，b是時移因子。Ψ「α)是母小波ψ (t)經移位和 伸縮所產生的一簇函數。
5.根據權利要求3所述的一種噪聲源測試分析方法，其特徵在於使用公式 十算聲信號的雙譜特徵。
6.根據權利要求1所述的一種噪聲源測試分析方法，其特徵在於，所述步驟4的具體步 驟為1)利用傳聲器陣列接收被測主噪聲源信號向量x(t)；2)利用時_頻分析技術構建聲信號的時_頻矩陣；3)利用獨立分量分析技術，由時-頻矩陣估計從被測主噪聲源到傳感器的頻率響應特 性一分離矩陣；4)從分離矩陣出發估計聲源波達方位角θ的值。
7.一種實現權利要求1所述的噪聲源測試分析裝置，其特徵在於，該裝置包括傳聲器、 信號調理器、計算機、數據採集軟體和數據分析軟體；所述傳聲器接收的被測主噪聲源的聲 波由信號調理節放大後，經採集卡傳輸至計算機，通過數據採集軟體進行模數轉換並實時 顯示、存儲聲信號，通過數據分析軟體實現噪聲源的識別。
全文摘要
一種噪聲源測試分析方法，包括以下步驟1)採用傳聲器接收被測主噪聲源輻射的聲波；2)對被測主噪聲源輻射的聲波進行採樣；模數轉化後，對被測主噪聲源的聲信號進行保存、顯示；3)利用小波變換和高階譜分析技術對步驟2保存的被測主噪聲源的聲信號進行處理，獲取信號特徵值，用於識別噪聲源；4)利用獨立分量分析方法估計從被測主噪聲源到傳感器的頻率響應特性，進而實現聲源波達方向的估計。這種基於小波變化和雙譜分析的噪聲源分析法，這樣可以既消除了非高斯類噪聲部分的影響，又不會對主噪聲源信號的有用信息造成損失，可較為準確、有效地提取主噪聲源信號的模式特徵。
文檔編號G01S3/802GK101893698SQ20101020482
公開日2010年11月24日 申請日期2010年6月22日 優先權日2010年6月22日
發明者焦衛東 申請人:嘉興學院