[發明專利]基于共振加強奇異值分解的聲場模態分析方法

有效

• 申請號: 201710561944.X
• 申請日: 2017-07-11
• 公開（公告）號: CN107727228B
• 公開（公告）日: 2019-12-31
• 發明（設計）人: 程禮;姚東野;梁濤;文璧;馬彩東
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍空軍工程大學
• 主分類號: G01H17/00
• 分類號: G01H17/00
• 代理公司: 11350 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 湯東鳳

本發明公開了一種基于共振加強奇異值分解的聲場模態分析技術。該技術基于聲場模態疊加原理，將聲場輻射問題分解為若干聲場模態的提取和顯示問題。首先在聲場某些截面上采用傳聲器陣列同步測得時域聲學信息，通過頻譜分析初步確定聲場的模態構成，根據需要確定待提取的若干個聲場模態；然后采用共振加強奇異值分解方法從時域聲學信息中提取出指定模態在各測點上的同步聲學信息；最后在聲場空間尺度、時間尺度和幅值尺度三維空間中，采用等高線法繪制出該聲場模態的全息圖像。該技術較現有技術具有以下優勢：一是可以適應任意復雜的聲源和輻射幾何環境；二是構建的聲場模態要素完整、形象直觀。

技術領域：

本發明屬于聲場模態分析領域，特別是涉及一種基于共振加強奇異值分解的聲場模態分析方法。

背景技術：

聲輻射問題的研究一直是具有挑戰性的課題。類似于結構振動模態分析，聲場模態分析近年來受到人們的廣泛關注。結構振動模態分析已經具有完善的方法理論體系，推動了振動研究的發展。然而，聲場模態分析方法還不夠完善，阻礙了聲輻射問題研究的發展。

20世紀中葉，Tyler和Sofrin最早系統研究了航空發動機氣路聲場模態產生的機理和影響因素，為風扇和壓氣機噪聲采用聲場模態研究奠定了理論基礎。Joppa等人通過研究發現聲場模態測量是識別旋轉機械噪聲源物理機制、分辨主要噪聲源位置以及分析噪聲傳播方式的一個重要方法。王良鋒等利用軸流風扇管道內部周向均勻分布的麥克風陣列，對風扇在高背景噪聲和較大硬壁反射條件下的管道周向聲場模態進行了試驗測量，利用CC和RMS模態分解方法得到了主要的周向聲場模態振幅。梁東等發展了模態測量的數據分析方法，并提出了非均布模態測量結果的分析方法，解決了測點非均布及測點數目非2的整數次倍的問題。上述分析方法均是以傅里葉變換為基礎，在處理過程中不但丟失了相位信息，而且幅值信息也被平均化。

奇異值分解作為一種理論完備的數學方法被引入信號處理，用于數據壓縮、降噪、特征提取、弱信號分離和濾波器設計等，并與小波分析、EMD等其他處理方法相結合在工程實踐中進一步提高信號處理效果。傳統奇異值分解具有線性分解、重構分量頻域無序和帶通濾波等三個基本特性。在工程復雜噪音背景下，當特征頻率信號與其他頻率信號不存在明顯的幅值優勢時，傳統奇異值分解可能將特征頻率信號分解到若干個奇異值上，使得采用單一奇異值重構來提取特征分量的方法存在很大的不確定性。

發明內容：

本發明基于聲場模態疊加原理，提供一種基于共振加強奇異值分解的聲場模態分析方法，從復雜實測聲場信息中提取完整地聲場模態的幅值和相位特征，并在在聲場空間尺度、時間尺度和幅值尺度三維空間中，采用等高線法繪制出該聲模態的全息圖像，將聲場輻射問題分解為若干聲場模態的提取和顯示問題。

本發明較現有方法具有以下優勢：一是可以適應任意復雜的聲源和輻射幾何環境；二是構建的聲場模態要素完整、形象直觀。

本發明的目的是通過以下方法方案來解決的：

本發明所采用的方法方案是：一種基于共振加強奇異值分解的聲場模態分析方法。

該方法的具體步驟如下：

步驟(1)：在聲場某些截面上按模態分析先驗知識布置傳聲器陣列，傳聲器陣列的空間尺度應小于待提取聲場模態在該尺度上的半波長。

步驟(2)：采用傳聲器陣列同步測得聲場對應位置的時域聲學信息，通過頻譜分析初步確定聲場的模態構成，根據需要確定待提取的若干個聲場模態。

步驟(3)：根據數據采樣頻率fs、聲場模態頻率fm要求確定Hankel矩陣的列數q和行數p，進而確定分析信號長度N，從實測的時域聲學信息截取若干長度為N的分析信號段。

步驟(4)：在分析信號中加入頻率f等于聲場模態頻率fm、幅值A顯著大于信號中的其他分量的正弦激勵信號。

步驟(5)：構建一定列數q和行數p的Hankel矩陣。