[發(fā)明專利]一種基于平面陣掃描的聲場重建方法

有效

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• 申請日: 2022-01-17
• 公開（公告）號: CN114485917B
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發(fā)明（設計）人: 陳志敏;張旭昕;樓京俊;盧錦芳
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍工程大學
• 主分類號: G01H17/00
• 分類號: G01H17/00;G06F17/14
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 張曉博

1.一種聲場重建方法，其特征在于，所述聲場重建方法包括：根據聲源面和平面陣的大小，確定合成測量面大小和掃描路徑；利用平面陣在空間二維方向上步進掃描，獲得不同位置掃描面陣的時域聲壓數據，通過周期圖法計算掃描面陣上測點的復聲壓值，并以掃描面陣中心位置的測點為參考，通過互譜法計算掃描面陣上測點的復聲壓相位；

實施交疊測量，計算相鄰掃描面陣聲壓值之間由于非同時測量造成的相位偏移，并將交疊測量和掃描測量的重合點聲壓值進行幅值平均；將所有掃描面陣上的復聲壓數據組合到合成測量面上，利用合成測量面的復聲壓值，結合基于傅里葉變換的近場聲全息方法，實現空間聲場的重建；

所述聲場重建方法包括以下步驟：

步驟一，根據聲源面大小，設計合成測量面不小于4倍聲源面的面積，根據掃描面陣大小，設計合適的掃描路徑和平面陣測量位置，根據目標聲源頻率，確定采樣率和采樣時間；

步驟二，利用平面陣在空間二維方向上按照設計路徑步進掃描，在不同時刻獲得不同位置掃描面陣的時域聲壓數據；

步驟三，通過周期圖法計算單個掃描面陣上測點的復聲壓值，并以掃描面陣中心位置的測點為參考，通過互譜法計算掃描面陣上測點的復聲壓相位；

步驟四，實施交疊測量，計算相鄰掃描面陣聲壓值之間由于非同時測量造成的相位偏移，并將交疊測量和掃描測量的重合點聲壓值進行幅值平均；

步驟五，將所有掃描面陣上的復聲壓數據組合到合成測量面上，利用合成測量面的復聲壓值，結合基于傅里葉變換的近場聲全息方法實現空間聲場重建。

2.如權利要求1所述的聲場重建方法，其特征在于，所述步驟一中的所設計的合成測量面由掃描面陣的二維無重疊排列形成，且不小于四倍聲源的面積，掃描路徑也據此制定；采樣率不低于目標聲源頻率的10倍，采樣時間為不小于1s。

3.如權利要求1所述的聲場重建方法，其特征在于，所述步驟三中的通過周期圖法計算單個掃描面陣上測點的復聲壓值包括：

式中，表示第i個掃描面陣上第m個測點時域聲壓數據的傅里葉變換，“*”表示復共軛，表示復聲壓值，N_t為時域離散數據長度，ω為聲波圓頻率；

選擇掃描面陣中心位置的測點為參考點，通過互譜法計算掃描面陣上測點的復聲壓相位為：

式中，表示掃描面陣參考點時域聲壓數據的傅里葉變換，arg(·)表示求復數輻角；

利用平面陣在掃描面陣的相鄰區(qū)域實施交疊測量，重復周期圖法和互譜法得到交疊面陣測點的復聲壓值和相位式中j表示交疊面陣的編號；

根據掃描測量和交疊測量重合點的相位值，得到掃描面陣和交疊面陣重合點復聲壓值之間的平均相位差：

式中，表示多個重合點相位差的平均值，i和j'對應的掃描面陣和交疊面陣存在重合，m'表示重合點的下標，M'表示重合點的數量；

借助掃描面陣和交疊面陣之間的相位差，計算得到相鄰掃描面陣之間的相位差：

式中，上標(i₁,i₂)表示相鄰的兩個掃描面陣，且j'對應的交疊面陣同時和兩個相鄰掃描面陣存在重合；

選擇第i₀個掃描面陣做相位基準，計算第i個掃描面陣和基準掃描面陣之間的復聲壓值相位偏移量為：

式中，(i,i₁,i₂,...,i_n,i₀)表示從第i個掃描面陣到基準掃描面陣相位偏移量計算的最短路徑。

4.如權利要求1所述的聲場重建方法，其特征在于，所述步驟四中的將交疊測量和掃描測量的重合點復聲壓值進行平均包括：

對每個掃描面陣復聲壓值的相位附加一個相位修正同時交疊測量和掃描測量的重合點聲壓幅值取平均值則經過修正的掃描面陣重合點復聲壓值為：

非重合點復聲壓值為：

5.如權利要求1所述的聲場重建方法，其特征在于，所述步驟五中的將所有掃描面陣上測點的復聲壓值拼接到合成測量面上，形成復聲壓向量p_syn(ω)；利用合成測量面的復聲壓值，結合基于傅里葉變換的近場聲全息方法，實現空間聲場的重建。

6.如權利要求5所述的聲場重建方法，其特征在于，所述基于傅里葉變換的近場聲全息方法包括：

穩(wěn)態(tài)聲場在自由場空間滿足亥姆霍茲方程，所述方程的解表示為無數個單元平面波的疊加：

式中，p(x,y,z,ω)為空間任意點的復聲壓，P(k_x,k_y,z)為復聲壓角譜，表示波數，表示單元平面波，k_x,k_y,k_z∈(-∞,∞)；

在直角坐標系下，通過二維傅里葉變換計算合成測量面上的復聲壓角譜：

式中，z_syn表示合成測量面z方向坐標；

通過合成測量面上的復聲壓角譜計算得到重建面上的復聲壓角譜：

式中，為角譜之間的指數傳遞關系；z_rec表示重建面z方向坐標；W(k_x,k_y,z_rec-z_syn)為二維指數窗，用于防止噪聲干擾在聲場重建過程中被指數放大，表達式為：

式中，表示截止波數，SNR表示信噪比，α為指數窗陡度因子，取值0.1；

根據重建面角譜計算值，通過二維逆傅里葉變換得到重建面上復聲壓值：

將合成測量面復聲壓向量p_syn(ω)作為基于傅里葉變換近場聲全息方法的輸入值，計算獲得重建面位置的復聲壓向量p_rec(ω)。