高速運動物體表面聲場分析方法

2023-07-14 00:30:16 2

專利名稱：高速運動物體表面聲場分析方法
技術領域：
本發明涉及一種高速運動物體表面聲場分析方法，屬噪聲檢測技術領域。
高速運載工具給人們出行和運輸帶來很大好處，但同時也伴隨著會產生許多問題，噪聲問題便是其中之一。隨著運載工具速度的提高，其噪聲量級也將急劇增加，形成噪聲汙染，在一定的速度條件下，這種噪聲汙染甚至可能會達到人無法忍受的地步，導致這種高速運載工具無法投入實際運營。高速運載工具噪聲擾民的問題已經引起了越來越多國家的關注。現在有許多國家在積極開展對高速運載工具噪聲的研究，如一些國家針對高速汽車的噪聲特點，改造交通線路，改良路面形狀、材料，增加聲音屏障等，以減輕噪聲汙染，緩解噪聲擾民問題。
減小高速運載工具的噪聲，首先要解決的關鍵問題就是要分析、認識和掌握其噪聲特點及輻射規律。高速運載工具的噪聲是一種運動型噪聲。除了它在運動過程中自身的機械噪聲以外，還有它與承載線路和空氣之間相互作用而產生的運動動力學噪聲，當運動存在時，這種噪聲就存在，當運動停止時，它就消失，隨運動速度的提高，其大小將呈現量級劇變。由於這種噪聲伴隨運動存在，因而存在都卜勒效應，而都卜勒效應的存在給噪聲的測試、分析都帶來了很大的困難。使得以往各種研究靜止聲源噪聲的研究方法在研究這種噪聲時難以得到正確的結論。
本發明的目的是提出一種高速運動物體表面聲場分析方法，在高速運動物體經過的很短的時間內將運動物體表面的噪聲場計算出來，並將結果以圖形的方式直觀顯示。
本發明的高速動物體表面聲場分析方法，包括以下各步驟1．用一個直列式傳聲器陣列接收運動物體發射出來的聲音信號，並將其轉換成多路電壓信號p(t)，雷射測速定位設備將物體運動的速度信息及位置信息轉換成一路電壓信號v(t)；2．電壓信號p(t)，v(t)經過放大濾波後，用多通道高速採樣板對電壓信號p(t)及v(t)同時進行採樣，進行A／D轉換，多路電壓信號p(t)的轉換結果存放到一個二維數組A[m][n]中，m代表用來接收聲音信號的傳聲器的個數，n代表採樣點的個數，數組A[i]表示傳聲器陣列中第i個傳聲器的採樣信號1≤i≤m，其對應的的電壓信號為pi(t)。電壓信號vt的轉換結果存放到一個一維數組B[n]中，n代表採樣點的個數，與數組A中的採樣點個數相同；在數組B[n]中，設數組元素數值出現下降沿變化時，運動物體處於位置(1)，對應的數組元素為B[j]，1≤j≤n，數組元素出現上升沿變化時，運動物體處於位置(2)，對應的數組元素為B[k]，1≤k≤n。因為電壓信號p(t)及v(t)同時進行採樣，所以數組A中元素A[m][j]同數組元素B[j]同樣對應著採該點數據時運動物體處於位置(1)；數組元素A[m][k]同數組元素B[k]同樣對應著採該點數據時運動物體處於位置(2)；3．根據2中確定的數組A與運動物體的空間位置關係，從數組A中截取一段當運動物體距傳聲器較遠時傳聲器所接收到的數據存放到一個新的數組C[m][n1]中，n1表示所截取的數據點數，1≤n1≤n。從C[m][n1]中取一行數據C[i][n1]進行計算，C[i][n1]對應傳聲器陣列中第i個傳聲器的採樣信號。首先對C[i][n1]進行頻譜分析，從頻譜中選取突出的峰值頻率fd，設在數組C[i][n1]的起點C[i][1]，聲源在x，y空間中的坐標為(x1，y1)，聲音從聲源傳播到第i個傳聲器的距離為R1；設在數組C[i][n1]的終點C[i][n1]，聲源在x，y空間中的坐標為(x2，y2)，聲音從聲源傳播到第i個傳聲器的距離為R2。可以得到f0=fd/1-(R2-R1x2-x1)M,]]>式中M為物體運動的馬赫數，M=V／C，V為物體運動速度，C=340米／秒，頻率f0就是一個聲音能量比較大的一個頻率，是我們需要分析的頻率，以下的所有處理都是針對該頻率進行的，在這裡我們把f0稱作分析頻率；4．定義兩個坐標系，在運動物體運動的平面上建立坐標系ζo1η。在測量傳聲器陣列表面與運動物體運動平面平行的平面上建立坐標系xoy，(x，y)表示坐標系xoy上的一點，(ζ，η)表示坐標系ζo1η上的一點。
在數組A中，數組A[i]表示傳聲器陣列中第i個傳聲器的採樣信號，其對應的的電壓信號為pi(t)，利用pi(t)根據下面的公式就可以構造出一組數據H(x，yi，ζ，η，k0)H(x,yi,,,k0)=e-jk0rrDFTpi(t)R(t)(1-Mcos(t))2ejk0R(t)|k=k0---(1)]]>在上式中DFT表示對括號中的數據進行離散傅立葉變換；k0為所計算頻率(f0)的波數，k0=2πf0／c，c為聲速；k=k0表示取離散傅立葉變換後頻率為k0的信號；pi(t)為第i個傳聲器的採樣得到的聲壓數據；M為物體運動的馬赫數；R(t)=M(x(t)-)+(x(t)-)2+(1-M2)((yi(t)-)2+z02)1-M2]]>(x(t)，yi(t))為第i個傳感器在t時刻的位置坐標；x(t)=L-vt，yi(t)=i×Δy；L為採樣時間內物體運動距離；Δy為直列式傳聲器陣列中相鄰傳聲器之間的距離間隔；cosφ(t)=(x(t)-ζ)／R(t)；根據式(1)得到的H(x，yi，ζ，η，k0)可以將其表達成一維數組H[i][n2]存放，i表示是由第i個傳聲器構造的數據，n2表示數據點的個數。同理可以得到m個一維數組，將上述一維數組組合起來可以得到一個二維數組H[m][n2]，用符號H(x，y，ζ，7，k0)表示；(5)將H(x，y，ζ，η，k0)代入下面公式即得到物體運動平面的點(ζ，η)在k0頻率下的聲場U(,,k0)=2jHH(x,y,,,k0)e-jk0rr1+(1+1jk0r)cosdxdy---(2)]]>在上式中r=(x-)2+(y-)2+z02,]]>r為坐標點(x，y)與坐標點(ζ，η)之間的連線距離；
z0為兩個坐標面之間的距離；cosθ為r與物體運動平面法線的夾角；利用以上方法對物體運動平面上所有的點做相同的處理就可以得到物體運動平面上各點在f0頻率下的聲場，根據各點聲場的數值用畫等壓線的方式畫出聲場的等壓線圖，並可以將運動物體疊加到等壓線圖上，使運動物體在該頻率下的噪聲場非常直觀地顯示出來。
也可以根據同樣的方法對f0頻率以外其他頻率的聲場進行分析。
本方法可用來測量識別定位運動噪聲源。如用於高速火車汽車車表面的噪聲定位識別。在運動物體從測量設備前通過時，儀器可以快速記錄物體發出的噪聲信號及物體運動信息，並將信號數位化後輸入計算機，對信號進行一系列處理，可以將運動物體表面的噪聲場計算出來並將結果以圖形的方式直觀顯示出來。
本發明的優點是能夠在運動物體高速運動經過時在很短的時間內分析出物體表面的聲場分布，同時能夠以圖形方式非常直觀地將結果顯示出來。所以可以應用於對高速火車、高速運動汽車表面的噪聲源進行測量識別，從而給降噪提供科學依據。


圖1是本發明方法中坐標系的示意圖。
圖2是本發明方法一個驗證實施例的結果圖。
圖3是本發明方法一個應用實施例的結果圖。
下面結合實施例詳細介紹本發明的內容為對本方法進行驗證，在高速實驗場進行了驗證實驗，傳聲器陣列採用了16路傳聲器(m=16)，傳聲器間距為0．15米(Δy=0．15米)，利用32通道高速採樣板進行採樣。
實驗中利用運動汽車作為聲源載體，在汽車上固定位置安裝了兩個音箱發920Hz單頻聲。汽車以90公裡／小時的速度運動，傳聲器陣列距離汽車運動平面2米。如圖2所示為利用本方法所分析出運動汽車表面在920Hz頻率下的聲場分布，可以看到有兩個明顯的聲源存在，而這兩個聲源的位置與實際所放置的音箱的位置完全相同。計算結果表明利用本方法能準確識別運動聲源。
在驗證實驗完成後，利用同樣的裝置對一輛以105公裡／小時運動的麵包車表面的聲場進行了測量分析。如圖3所示為該車在250Hz頻率下車表面的聲場分布。從圖中可以看到汽車表面的噪聲主要是在前輪罩、發動機進氣口、消聲器以及排氣管出口處比較大，比較符合該車的實際情況。在該實驗中還對該車其他頻率下的車表面的噪聲進行了分析。
權利要求
1．一種高速運動物體表面聲場分析方法，其特徵在於該方法包括以下各步驟(1)用一個直列式傳聲器陣列接收運動物體發射出來的聲音信號，並將其轉換成多路電壓信號p(t)，雷射測速定位設備將物體運動的速度信息及位置信息轉換成一路電壓信號v(t)；(2)電壓信號p(t)，v(t)經過放大濾波後，用多通道高速採樣板對電壓信號p(t)及v(t)同時進行採樣，進行A／D轉換，多路電壓信號p(t)的轉換結果存放到一個二維數組A[m][n]中，m代表用來接收聲音信號的傳聲器的個數，n代表採樣點的個數，數組A[i]表示傳聲器陣列中第i個傳聲器的採樣信號1 ≤i≤m，其對應的的電壓信號為Pi(t)。電壓信號vt的轉換結果存放到一個一維數組B[n]中，n代表採樣點的個數，與數組A中的採樣點個數相同；在數組B[n]中，設數組元素數值出現下降沿變化時，運動物體處於位置1，對應的數組元素為B[j]，1≤j≤n，數組元素出現上升沿變化時，運動物體處於位置2，對應的數組元素為B[k]，1≤k≤n；(3)根據上述第二步中確定的數組A與運動物體的空間位置關係，從數組A中截取一段當運動物體距傳聲器較遠時傳聲器所接收到的數據存放到一個新的數組C[m][n1]中，n1表示所截取的數據點數，1≤n1≤n，從C[m][n1]中取一行數據C[i][nl]進行計算，C[i][n1]對應傳聲器陣列中第i個傳聲器的採樣信號，首先對C[i][n1]進行頻譜分析，從頻譜中選取突出的峰值頻率fd，設在數組C[i][n1]的起點C[i][1]，聲源在x，y空間中的坐標為(x1，y1)，聲音從聲源傳播到第i個傳聲器的距離為R1，設在數組C[i][n1]的終點C[i][n1]，聲源在x，y空間中的坐標為(x2，y2)，聲音從聲源傳播到第i個傳聲器的距離為R2，得到f0=fd/1-(R2-R2x2-x1)M,]]>式中M為物體運動的馬赫數，M=V／C，V為物體運動速度，C=340米／秒；(4)定義兩個坐標系，在運動物體運動的平面上建立坐標系ζo1η，在測量傳聲器陣列表面與運動物體運動平面平行的平面上建立坐標系xoy，(x，y)表示坐標系xoy上的一點，(ζ，η)表示坐標系ζo1η上的一點，在數組A中，數組A[i]表示傳聲器陣列中第i個傳聲器的採樣信號，其對應的的電壓信號為pi(t)，利用pi(t)根據下面的公式就可以構造出一組數據H(x，yi，ζ，η，k0)H(x,yi,,,k0)=e-jk0rrDFTpi(t)R(t)(1-Mcos(t))2ejk0R(t)|k=k0---(1)]]>在上式中DFT表示對括號中的數據進行離散傅立葉變換；k0為所計算頻率(f0)的波數，k0=2πf0／c，c為聲速；k=k0表示取離散傅立葉變換後頻率為k0的信號；pi(t)為第i個傳聲器的採樣得到的聲壓數據；M為物體運動的馬赫數；R(t)=M(x(t)-)+(x(t)-)2+(1-M2)((yi(t)-)2+z02)1-M2]]>(x(t)，yi(t))為第i個傳感器在t時刻的位置坐標；x(t)=L-vt，yi(t)=i×Δy；L為採樣時間內物體運動距離；Δy為直列式傳聲器陣列中相鄰傳聲器之間的距離間隔；cosφ(t)=(x(t)-ζ)／R(t)；根據式(1)得到的H(x，yi，ζ，η，k0)可以將其表達成一維數組H[i][n2]存放，i表示是由第i個傳聲器構造的數據，n2表示數據點的個數。同理可以得到m個一維數組，將上述一維數組組合起來可以得到一個二維數組H[m][n2]，用符號H(x，y，ζ，η，k0)表示；(5)將H(x，y，ζ，η，k0)代入下面公式即得到物體運動平面的點(ζ，η)在k0頻率下的聲場U(,,k0)=2jHH(x,y,,,k0)e-jk0rr1+(1+1jk0r)cosdxdy---(2)]]>在上式中r=(x-)2+(y-)2z02,]]>r為坐標點(x，y)與坐標點(ζ，η)之間的連線距離；zo為兩個坐標面之間的距離；cosθ為r與物體運動平面法線的夾角；利用以上方法對物體運動平面上所有的點做相同的處理後即得到物體運動平面上各點在f0頻率下的聲場，根據各點聲場的數值用畫等壓線的方式畫出聲場的等壓線圖，並將運動物體疊加到等壓線圖上，便顯示出運動物體在該頻率下的噪聲場
全文摘要
本發明涉及一種高速運動物體表面聲場分析方法,在運動物體從測量設備前通過時,儀器快速記錄物體發出的噪聲信號及物體運動信息,並將信號數位化後輸入計算機,對信號進行一系列處理,將運動物體表面的噪聲場計算出來,並將結果以圖形的方式直觀顯示出來。本發明的方法可以應用於對高速火車、高速運動汽車表面的噪聲源進行測量識別,從而給降噪提供科學依據。
文檔編號G01H11/00GK1293350SQ0013212
公開日2001年5月2日 申請日期2000年12月15日 優先權日2000年12月15日
發明者連小珉, 鄭四發, 楊殿閣, 鄭凱, 劉鋒, 羅禹貢, 何雷, 蔣孝煜 申請人:清華大學