[發明專利]一種采用聲壓和質點加速度測量的非穩態平面聲源的自由場實時還原方法

有效

• 申請號: 201910186905.5
• 申請日: 2019-03-13
• 公開（公告）號: CN109798975B
• 公開（公告）日: 2021-10-01
• 發明（設計）人: 耿林;木孟林;李超;賀春東;陶邦升;張磊
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: G01H17/00
• 分類號: G01H17/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

1.一種采用聲壓和質點加速度測量的非穩態平面聲源的自由場實時還原方法，其特征在于，按如下步驟進行：

步驟1、在目標聲源S_o和干擾聲源S_d之間布置相互平行的測量平面H和輔助測量平面H₁；所述的目標聲源S_o和干擾聲源S_d均可輻射任意線性非穩態聲場信號；在所述測量平面H和輔助測量平面H₁上分別均勻布置M個測量網格點，測量平面H和輔助測量平面H₁的測量網格大小和網格點位置相同；以目標聲源S_o為研究對象，將聲場分為非穩態向內聲場和向外聲場，其中非穩態向內聲場來源于測量平面另一側的干擾聲源S_d，非穩態向外聲場包含目標聲源S_o自由場條件下輻射的非穩態聲場和干擾聲在目標聲源表面產生的非穩態散射聲場；建立笛卡爾坐標系o(x,y,z)，所述笛卡爾坐標系中的xoy坐標平面平行于測量平面H，z軸方向垂直于測量平面H；測量平面H上的測量網格點坐標為(x,y,z_H)，輔助測量平面H₁的測量網格坐標為(x,y,z_H1)；同步采集t時刻測量平面H上各測量網格點(x,y,z_H)處的時域聲壓信號p(x,y,z_H,t)和輔助測量平面H₁上各測量網格點(x,y,z_H1)處的時域聲壓信號p(x,y,z_H1,t)；

步驟2、按照式(1)進行有限差分獲得測量平面H上各測量網格點(x,y,z_H)處的質點加速度時域信號a(x,y,z_H,t)：

式(1)中，ρ₀為介質密度；

步驟3、對于測量平面H上的聲壓時域信號p(x,y,z_H,t)按照式(2)進行二維空間傅里葉變換獲得聲壓時域波數譜P(k_x,k_y,z_H,t)，對測量平面H上的質點加速度時域信號a(x,y,z_H,t)按照式(3)進行二維空間傅里葉變換獲得質點加速度時域波數譜A(k_x,k_y,z_H,t)，

式(2)和式(3)中，j表示虛數單位；k_x、k_y分別為x、y方向的波數；

步驟4、構建測量平面H上聲壓時域波數譜P(k_x,k_y,z_H,t)與質點加速度時域波數譜A(k_x,k_y,z_H,t)、已知的時域響應函數T₁(k_x,k_y,t)與T₂(k_x,k_y,t)和目標聲源S_o自由場條件下在測量平面H上的聲壓時域波數譜P_f(k_x,k_y,z_H,t)之間的關系如式(4)所示：

式(4)中，

T₁(k_x,k_y,t)＝δ(t)-G_pp(k_x,k_y,Δz_H0,t)*R(k_x,k_y,t)*G_pp(k_x,k_y,Δz_H0,t) (5)

T₂(k_x,k_y,t)＝G_pa(k_x,k_y,0,t)*[δ(t)+G_pp(k_x,k_y,Δz_H0,t)*R(k_x,k_y,t)*G_pp(k_x,k_y,Δz_H0,t)] (6)

G_pp(k_x,k_y,Δz_H0,t)和G_pa(k_x,k_y,0,t)表示已知的時域脈沖響應函數，R(k_x,k_y,t)表示已知的目標聲源表面材料的復平面波反射系數時域波數譜，z₀表示目標聲源S_o表面所在位置，“*”表示兩個時間函數的卷積運算，Δz_H0＝z_H-z₀，δ(t)為Dirac函數；

將式(4)中的時間t離散為t_i＝(i-1)Δt，其中Δt為采樣時間間隔，i＝1,2,...,I，I為采樣點總數，則式(4)的離散形式如式(7)所示：

步驟5、對于所述聲壓時域波數譜P_f(k_x,k_y,z_H1,t)按照式(8)進行二維空間傅里葉反變換，還原出每個時刻目標聲源S_o自由場條件下在測量平面H上輻射的時域聲壓信號p_f(x,y,z_H,t)；

所述測量平面H和輔助測量平面H₁上各測量網格點的聲壓時域信號p(x,y,z_H,t)和p(x,y,z_H1,t)是采用聲壓傳感器陣列一次快照測量獲得；

為了量化評價該方法的還原效果，相位評價因子E_p和幅值評價因子E_a被引入，其分別定義為：

式(39)和(40)中，p_m(x,y,z,t)表示目標聲源S_o自由場條件下在測量平面H上輻射的理論時域聲壓信號，p_D(x,y,z,t)表示利用實時聲場分離方法分離的時域聲壓信號或采用該方法還原的時域聲壓信號，＜＞表示求平均值；評價因子E_p是用來衡量目標聲源自由場條件下輻射的理論聲壓值和分離聲壓值或還原聲壓值之間的相位誤差，當E_p的值越靠近1時，相位誤差越?。辉u價因子E_a是用來衡量目標聲源自由場條件下輻射的理論聲壓值和分離聲壓值或還原聲壓值之間的幅值誤差，當E_a的值越靠近0時，幅值誤差越小，運用式(39)和(40)分別計算了實時聲場分離方法和該方法在測量平面H上各測量點處的E_p和E_a值，該方法可以有效地消除非穩態散射聲的影響；

所述的目標聲源的尺寸相對于聲波波長要大，非穩態散射聲場影響顯著；

所述目標聲源和干擾聲源輻射的聲場為非穩態，在時域內進行實時還原；

該方法直接在時域上消除干擾聲在目標聲源表面產生的非穩態散射聲場，還原過程是一個簡單的正向卷積疊加過程，無需任何求逆和正則化運算處理，因而計算時間少，具有較高的穩定性；

該方法具有實時還原非穩態聲場的能力，因而更適用于實際聲場環境下現場分析目標聲源的時變輻射特性和振動特性。