採用移動等效源法重建移動聲源的方法

2023-05-22 14:12:36 2

專利名稱：採用移動等效源法重建移動聲源的方法
技術領域：
本發明涉及物理專業中噪聲類領域聲場重建和可視化方法，用於移動聲源識別定位和移 動聲源輻射聲場重建。
背景技術：
近場聲全息技術是一種強大的聲源識別和聲場可視化工具，經過多年研究，目前已經發 展出適用於平面、柱面和球面等可分離坐標的空間傅立葉變換法和統計最優算法；以及適用 於任意形狀聲源的邊界元法，等效源法等多種近場聲全息算法。但是所有這些近場聲全息技 術都是用於聲源靜止的穩態聲場，而對於移動聲源聲場的重建並不適用。
移動聲源是一種非常常見的聲源類型，而且很多時候有的噪聲只在聲源移動的時候才會 產生，如汽車的輪胎噪聲等。
Y. H. Kim在基於空間傅立葉變換的近場聲全息技術基礎上提出了用於平面型移動聲源 的移動框架技術，並應用該技術對帶限相干噪聲，汽車的輪胎噪聲和通過噪聲作了研究，分 析了聲源的移動速度對聲場可視化的影響。但是該方法有其固有的缺陷，對聲源的形狀有限 制，即只能用於平面移動聲源的重建。

發明內容
本發明所解決的技術問題是避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種適用於任意 形狀移動聲源、計算穩定性好、計算精度高的採用移動等效源法重建移動聲源的方法。 本發明解決技術問題所採用的技術方案是
本發明採用移動等效源法重建移動聲源的方法的特點是按如下歩驟進行-
a、 在移動聲源輻射聲場中，位於聲源近場有測量面//;在測量面/f上呈網格式分布有 測量點，相鄰兩測量點之間的距離小於移動聲源輻射聲波的半個波長；測量所述測量面H 上各測量點處的聲壓幅值和相位信息獲得測量面7/上含有都卜勒效應的聲壓；
b、 在移動聲源內部設定虛源面S'，並在虛源面S'上分布有移動等效源，移動等效源的
個數不大於對應測量面上的測量點數；所述移動等效源為移動單極子聲源，其頻域輻射聲壓
表達式為-
「 , Mcos<9 + a/i — M2 sin2 ^ exp[i欣-^-]
g(r，。 =-, U，- 其中
r為測量點的坐標、r。,為第y個等效源的坐標、 A為波數、M二Wc是馬赫數、 v為聲源的移動速度、 c為聲速、
R為從移動等效源指向測量點的矢量、及為R的長度，即從移動等效源位置到測量點 的距離、
S為R與移動聲源移動方向之間的夾角；
c、 建立移動等效源與所述測量面/f上聲壓之間的傳遞關係
PA=GAQ 其中
&為移動聲源在測量面//上所輻射的聲壓、Q為虛源面^上移動等效源權重矢量、 Gh為虛源面S'上等效源與測量面/Z上聲壓之間的傳遞矩陣，所述傳遞矩陣中的元素對
應步驟b中的移動等效源產生的聲壓； d、 建立移動等效源與移動聲源表面S上聲壓與法向振速之間的傳遞關係
Vjt^G," 其中
P,.為移動聲源表面S上的聲壓、 V,為移動聲源表面S上的法向振速、p為聲傳播介
質密度、
G,p為虛源面S'上移動等效源與移動聲源表面S上聲壓之間的傳遞矩陣，對應穩態輻射
聲場中的單極子聲源產生的聲壓、
G^為虛源面S'七移動等效源與移動聲源表面S上質點振速之間的傳遞矩陣，對應穩態
輻射聲場中的單極子聲源產生的質點振速；
e、 重建聲源表面S上的聲壓與法向振速
根據步驟c和d所建立的傳遞關係，聯合求解獲得聲源表面S上的聲壓和法向振速
本發明方法的特也在於
所述各測量點上的聲壓幅值和相位信息的測量是採用傳聲器陣列在測量面//上通過快 照法同時採樣獲得。
所述移動聲源表面S為任意形狀，包括平面、柱面或球面。所述測量面Z/為平面或曲面。
本發明方法是測量位於近場的測量面上的聲壓，採用移動等效源技術建立測量聲壓和等 效源之間的傳遞關係，求解等效源強向量，去除都卜勒效應的影響，在通過常規等效源法建 立等效源與聲源表面聲壓和法向振速的傳遞關係來實現聲源表面聲場的重建。
理論模型-
等效源法的基本思想是採用分布在聲源內部的一系列等效源加權疊加來近似實際聲場, 此時只需確定這些等效源的源強即可預測整個聲場。在常規近場聲全息中，等效源的源強可 以通過測量聲壓來確定。但是對於移動聲源，由於測量面和聲源之間的相對運動，測量的聲 壓中含有都卜勒效應，不能直接用測量聲壓按照常規方法計算，所以首先採用移動等效源技 術消除都卜勒效應的影響。
參見圖1 (a)和圖1 (b),測量面/Z上各個測量網絡點處的聲壓可以由分布在移動聲源
內側的虛源面S'上的一系列移動等效源疊加近似獲得。設測量面 〃和虛源面5*上分別分布 了 M個測量點和W個移動等效源，則場點r處的實際輻射聲壓可表示為
P(r)=》M g(r,; ) (1)
乂-i
r. 7 n Mcos<9 +/l-M2 sin2 expliM-^-]
g(r， r。v) =-, U， - (2)
47iWl-M2 sin2 6>
式中g(r。》為)個移動等效源所對應的源強。各移動等效源的源強由測量聲壓確定，由式(l) 可得測量面#上M個測量點的聲壓可以表示為
A (r,) = I] — g(r,，、旨。/)'' = 1,2,…，M (3)
產i
式(3)寫成矩陣形式為
PA=GAQ (4)
式中，
GJ!W)-g(r,，r。》 (5)
Q = 一 [《(r0l )， ？(r。2 )，…,《(r0/ ),…,《(r。w )] (6) 式中，^為聲場中M個測點處的聲壓列向量，數據中含有都卜勒效應；Q為對應W個移動
6等效源的源強列向量；G,為iV個移動等效源與M個測點處聲壓之間的MxW階傳遞矩陣。 由式(4)可知，當傳遞矩陣G,的階數滿足M2W，即測量點數大於等於移動等效源個數
時，則可通過奇異值分解唯一確定移動等效源源強列向量，即 Q-GX (7)
式中，"+ "表示廣義逆。
求得移動等效源的源強Q後，接下來可以對移動聲源表面S上的聲壓和法向振速進行重 建，與式(4)類似，建立移動等效源與移動聲源表面S上的聲壓和法向振速的傳遞關係為 P、；G,pQ (8)
V, =:^0^ (9)
式中，P,和V、分別為移動聲源表面S上的聲壓列向量和法向振速列向量；G、p，Gw分別為7V
個移動等效源與移動聲源表面S上聲壓和法向振速之間的M x W階傳遞矩陣，但是與測量面 H的傳遞關係不同，由於移動聲源和移動等效源是同時運動，所以移動等效源與移動聲源之 間是相互靜止的，所以傳遞矩陣的元素不能用式(2)計算，而應該用常規等效源法中的方 法計算得到，即
G^，y)-g(r,，iv) (10)
4兀r
式中n為移動聲源表面S的外法向。
將式(7)代入式(8)和式(9)，實現了移動聲源表面聲場的重建。與移動聲源表面類 似，同樣也可以選擇重建面為聲場中任意位置，實現移動聲源聲場的可視化。
與已有技術相比，本發明的有益效果
1、 本發明所釆用的移動等效源技術成功消除了測量聲壓中的都卜勒效應的影響，使得 移動聲源聲場重建得以實現。
2、 本發明可以用於任意形狀移動聲源及其聲場的重建，與現有的方法只能用於平面聲 源相比，擴展了近場聲全息技術的應用範圍。
73、本發明採用等效源法近場聲全息技術為基礎，與傳統的方法相比，本發明具有計算
穩定性好、計算精度高等優點。


圖la為移動等效源法示意圖； 圖lb為圖la俯視圖2為常規等效源法示意圖3a為頻率為1000Hz、聲源移動速度為20m/s時、測量面//上測量的聲壓幅值分布； 圖3b為頻率為1000Hz、聲源移動速度為20m/s時、測量面i/上測量的聲壓相位分布； 圖4a為頻率為1000Hz、聲源移動速度為20m/s時、測量面/Z的中間行(對應x-0.5m)
上的聲壓實部與該聲源相同頻率下靜止時的聲壓實部比較；
圖4b為頻率為1000Hz、聲源移動速度為20m/s時、測量面i/的中間行(對應;c^0.5m)
上的聲壓虛部與該聲源相同頻率下靜止時的聲壓虛部比較；
圖5為頻率為1000Hz時，聲源表面S上的解析聲壓實部和虛部分布；
圖6為頻率為1000Hz，聲源移動速度為20m/s時，用常規等效源法重建的聲源表面S
上聲壓；
圖7為頻率為1000Hz，聲源移動速度為20m/s時，用本發明方法重建的聲源表面S上 的聲壓；
圖8為頻率為1000Hz，聲源移動速度為50m/s時，用常規等效源法重建的聲源表面S 上聲壓；
圖9為頻率為1000Hz，聲源移動速度為50m/s時，用本發明方法重建的聲源表面S上 的聲壓；
圖10a聲源移動速度為20m/s時，本發明方法不同頻率下的重建誤差； 圖10b聲源移動速度為50m/s時，本發明方法不同頻率下的重建誤差； 圖11為頻率為1000Hz時，本發明方法不同移動速度下的重建誤差； 以下通過具體實施方式
，並結合附圖對本發明作進一步描述。
具體實施例方式
本實施例中採用移動等效源法重建移動聲源的方法是按如下步驟進行
1、 參見圖la和圖lb，在測量面Z/上採用傳聲器陣列測量含有都卜勒效應的聲壓信息；
2、 參見圖la和圖lb，在移動聲源內部設定虛源面S'，並在虛源面上分布有移動等效
源，移動等效源的個數不大於對應測量面網絡點數；移動等效源為移動單極子聲源，其頻域輻射聲壓表達式
r., Mcos6> + VT^M2 sin2 6>， exp[iM-^-]
-,!;M2 - 其中
r為移動等效源的坐標、r。,為測量面上第/個測量點的坐標、 A:為波數、
M-Wc是馬赫數、 v為聲源的移動速度、 c為聲速、
R為從移動等效源指向測量點的矢量、為R的長度，即從移動等效源位置到測量點 的距離、
6"為R與移動聲源移動方向之間的夾角；
3、 建立移動等效源與所述測量面//上聲壓之間的傳遞關係
pft=gftq 其中
為移動聲源在測量面//上所輻射的聲壓、q為虛源面礦上移動等效源權重矢量、 ga為虛源面5"'上移動等效源與測量面/z上聲壓之間的傳遞矩陣，該矩陣中的元素對應
步驟b中的移動等效源產生的聲壓；
4、 參見圖2，建立移動等效源與移動聲源表面s上聲壓與法向振速之間的傳遞關係
v,^g^ 其中
p,為移動聲源表面s上的聲壓、 v.，為移動聲源表面s上的法向振速、^為聲傳播介 質密度、
g 、p為虛源面s'上移動等效源與移動聲源表面s上聲壓之間的傳遞矩陣，對應穩態輻射
聲場中的單極子聲源產生的聲壓、
g"為虛源面s'上移動等效源與移動聲源表面s上質點振速之間的傳遞矩陣，對應穩態
輻射聲場中的單極子聲源產生的質點振速；
5、 重建移動聲源表面s上的聲壓與法向振速
根據步驟3和4所建立的傳遞關係，聯合求解獲得聲源表面s上的聲壓和法向振速
9以移動球形聲源為例進行驗證
聲源表面聲壓和輻射聲場由位於球心的移動點源產生，採用本發明方法實現聲源表面聲
壓的重建，並與其解析解比較。計算中聲速為344m/s,空氣密度為p二L2kg/m3，球源半徑為
O.lm，聲源沿x軸移動，測量面/Z與球心的距離為0.3m，測量面尺寸為lmxlm，測量點數 為25x25，球形聲源表面分布62個結點(徑向和周向間隔都為兀/6).
圖3a和圖3b所示為測量面上的聲壓分布。其中，圖3a為頻率為1000Hz，聲源移動速 度為20m/s時，測量面/Z上測量的聲壓幅值分布；圖3b為頻率為1000Hz,聲源移動速度為 20m/s時，測量面/Z上測量的聲壓相位分布。
圖4a是頻率為1000Hz，聲源移動速度為20m/s時測量面//的中間行(對應:c-0.5m) 上的聲壓實部與該聲源相同頻率下靜止時的聲壓實部比較；圖4b為頻率為1000Hz，聲源移 動速度為20m/s時測量面/Z的中間行(對應x:0.5m)上的聲壓虛部與該聲源相同頻率下靜 止時的聲壓虛部比較。可以很明顯看出由於都卜勒效應的影響兩者存在不同。
以圖3a和圖3b所示的測量聲壓為輸入量，按照常規等效源法近場聲全息重建的聲源表 面S上的聲壓實部和虛部如圖6，與圖5中的解析解相比，在聲壓分布狀態和幅值大小上， 實部和虛部都存在很大差異，重建失效，顯示出了現有近場聲全息技術的局限性。
圖7為用本發明方法重建的聲源表面S上的聲壓，與圖5中的解析解相比，吻合的非常 好，成功消除了都卜勒效應的影響，為了更加定量地分析重建效果，下面對本發明方法的重 建誤差進行計算，定義重建誤差百分比為
式中，W為聲源的表面結點總數(此處為62 )， ；7,和&分別為對應第/個結點處重建的和解
析的聲壓。由式(13)計算可得，本發明方法的重建誤差為0.14%，表明本發明方法不僅能有 效的重建移動聲源聲場，而且重建精度很高。
圖8所示為頻率為1000Hz，聲源移動速度為50m/s時，用常規等效源法重建的聲源表 面S上聲壓；圖9所示為頻率為1000Hz，聲源移動速度為50m/s時，用本發明方法重建的 聲源表面S上的聲壓，在聲源移動速度提高以後，與圖5中的解析解相比，常規等效源法得 到的重建結果更加雜亂無章，完全失效。而本發明方法得到了很好的重建結果，與解析解吻 合的很好，重建誤差為0.35%。圖10a所示是聲源移動速度為20m/s時，本發明方法不同頻率下的重建誤差； 圖10b所示是聲源移動速度為50m/s時，本發明方法不同頻率下的重建誤差。本發明方 法不只是在1000Hz時能取得很好的重建效果，在0到2500Hz的整個頻帶內都有很好的重 建精度。當移動速度為20m/s時，重建誤差小於1%;當移動速度為50m/s時，重建誤差小 於2.5%。
從圖10a和圖10b的對比可以看出，雖然隨著移動速度的增加，重建誤差略有增大，但 是如圖11所示，可以看出在聲源移動速度小於聲速的絕大部分區域內，重建誤差不超過4%， 所以移動速度對本發明方法的穩定性影響不大。
權利要求
1、一種採用移動等效源法重建移動聲源的方法，其特徵是按如下步驟進行a、在移動聲源輻射聲場中，位於聲源近場有測量面H；在測量面H上呈網格式分布有測量點，相鄰兩測量點之間的距離小於移動聲源輻射聲波的半個波長；測量所述測量面H上各測量點處的聲壓幅值和相位信息獲得測量面H上含有都卜勒效應的聲壓；b、在移動聲源內部設定虛源面S*，並在虛源面S*上分布有移動等效源，移動等效源的個數不大於對應測量面上的測量點數；所述移動等效源為移動單極子聲源，其頻域輻射聲壓表達式為<![CDATA[ g ( r , roj )= exp[ikR Mcos+ 1 - M2 sin2 1- M 2 ] 4R 1 - M2 sin2 ]]> top= "86" left = "34"/>其中r為測量點的坐標、roj為第j個等效源的坐標、k為波數、M＝v/c是馬赫數、v為聲源的移動速度、c為聲速、R為從移動等效源指向測量點的矢量、R為R的長度，即從移動等效源位置到測量點的距離、θ為R與移動聲源移動方向之間的夾角；c、建立移動等效源與所述測量面H上聲壓之間的傳遞關係Ph＝GhQ其中Ph為移動聲源在測量面H上所輻射的聲壓、Q為虛源面S*上移動等效源權重矢量、Gh為虛源而S*上等效源與測量面H上聲壓之間的傳遞矩陣，所述傳遞矩陣中的元素對應步驟b中的移動等效源產生的聲壓；d、建立移動等效源與移動聲源表面S上聲壓與法向振速之間的傳遞關係Ps＝GspQ<![CDATA[ V s= 1 ick G svQ ]]> top= "216" left = "44"/>其中Ps為移動聲源表面S上的聲壓、Vs為移動聲源表面S上的法向振速、ρ為聲傳播介質密度、Gsp為虛源面S*上移動等效源與移動聲源表面S上聲壓之間的傳遞矩陣，對應穩態輻射聲場中的單極子聲源產生的聲壓、Gsv為虛源面S*上移動等效源與移動聲源表面S上質點振速之間的傳遞矩陣，對應穩態輻射聲場中的單極子聲源產生的質點振速；e、重建聲源表面S上的聲壓與法向振速根據步驟c和d所建立的傳遞關係，聯合求解獲得聲源表面S上的聲壓和法向振速<![CDATA[ P s= G sp G h + P h ]]><![CDATA[ V s= 1 ick G h + P h. ]]>
2、 根據權利要求1所述的採用移動等效源法重建移動聲源的方法，其特徵是所述各測 量點上的聲壓幅值和相位信息的測量是採用傳聲器陣列在測量面/f上通過快照法同時採樣 獲得。
3、 根據權利要求1所述的採用移動等效源法重建移動聲源的方法，其特徵是所述移動 聲源表面S為任意形狀，包括平面、柱面或球面。
4、 根據權利要求1所述的採用移動等效源法重建移動聲源的方法，其特徵是所述測量 面/f為平面或曲面。
全文摘要
採用移動等效源法重建移動聲源的方法，其特徵是測量移動聲源輻射聲場中含有都卜勒效應的聲壓數據；通過移動等效源建立含有都卜勒效應的測量聲壓和聲源靜態情況下的振速和輻射聲壓的傳遞關係；根據該傳遞關係去除都卜勒效應的影響，實現移動聲源定位識別及聲場重建。本發明所適用的移動聲源可以是任意形狀，包括包括平面、柱面或球面；本發明是在基於等效源的近場聲全息重建算法的基礎上發展而來，計算穩定性好，計算精度高、實施簡單。
文檔編號G01H17/00GK101539455SQ20091011661
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月22日 優先權日2009年4月22日
發明者張永斌, 亮 徐, 畢傳興, 陳心昭 申請人:合肥工業大學