專利名稱：一種聲場分離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及物理專業(yè)中噪聲類領(lǐng)域聲場分離方法。
背景技術(shù)：
在實際測量時，通常會遇到測量面兩側(cè)都有聲源，或是測量面的一側(cè)存在反射或散射。而實際工程中，為了更加準確地研究實際聲源的聲輻射特性或反射面的反射特性，需要將來自測量面兩側(cè)的輻射聲分離開來。G.V.Frisk等在1980年首次提出采用空間FFT方法來實現(xiàn)分離，間接測量海洋底面的反射系數(shù)，該方法的優(yōu)點是不需要預知聲源的強度和位置信息。G.Weinreich等在1980年提出采用兩個靠得很近測量面測量的方法來實現(xiàn)入射波和輻射波的分離。G.V.Frisk在E.G.Williams等提出的近場聲全息技術(shù)和G.Weinreich等提出的雙面測量方法的基礎上，建立了基于空間FFT法的雙測量面聲場分離技術(shù)。該方法在隨后的一段時間里得到進一步應用和發(fā)展。Masayuki Tamura詳細建立了通過雙面測量，再采用二維空間FFT法實現(xiàn)的聲場分離公式，并通過數(shù)值仿真和實驗成功求得反射界面的反射系數(shù)。Z.Hu和J.S.Bolton也對采用該方法測量平面波反射系數(shù)進行了進一步驗證。M.T.Cheng等建立了迪卡爾坐標和柱面坐標下的雙測量面聲場分離公式，并用于實現(xiàn)散射聲場的分離，分析了該方法分離散射場的敏感性。F.Yu等成功采用該方法分離近場聲全息測量過程中全息面上來自背向的噪聲。但是該方法有其固有的缺陷一方面對測量面的形狀有限制，即只能是平面、柱面或球面等規(guī)則形狀；另一方面受到FFT算法的影響，分離誤差較大，尤其是在來自測量面兩側(cè)聲壓相差較大時，其誤差尤為明顯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種實現(xiàn)方便、適用于任意形狀測量面、計算穩(wěn)定性好、計算精度高的采用等效源法實現(xiàn)、雙測量面上測量的聲場分離方法。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明方法的特點按如下步驟進行a、測量兩個面上的聲壓信息在由聲源1和聲源2構(gòu)成的被測聲場中，位于聲源1與聲源2之間有測量面S1，在測量面S1與聲源2之間設置一與測量面S1平行、且相隔距離為δh的輔助測量面S2；在兩測量面上分別分布有測量網(wǎng)格點，相鄰網(wǎng)格點之間的距離小于半個波長；測量兩個測量面上各網(wǎng)格點處的聲壓幅值和相位信息獲得兩測量面上的聲壓；所述被測聲場為穩(wěn)態(tài)聲場；b、在測量面S1與聲源1之間設定虛源面S1*，在輔助測量面S2與聲源2之間設定虛源面S2*，并在兩虛源面上分別分布有等效源，等效源的個數(shù)不大于對應測量面網(wǎng)絡點數(shù)；所述等效源為標準點源、面源或體源；c、建立等效源與所述兩測量面之間的傳遞關(guān)系pS11=(pS11)*W1]]>pS21=(pS21)*W1]]>pS22=(pS22)*W2]]>pS12=(pS12)*W2,]]>其中pS11為聲源1在測量面S1上所輻射的聲壓、pS12為聲源2在測量面S1上所輻射的聲壓、pS21為聲源1在輔助測量面s2上所輻射的聲壓、PS22為聲源2在輔助測量面S2上輻射的聲壓、W1為虛源面S1*上等效源權(quán)重矢量、W2為虛源面S2*上等效源權(quán)重矢量、(pS11)*為虛源面S1*上等效源與測量面S1上聲壓之間的傳遞矩陣、(pS21)*為虛源面S1*上等效源與測量面S2上聲壓之間的傳遞矩陣、(pS22)*為虛源面S2*上等效源與測量面S2上聲壓之間的傳遞矩陣、(pS12)*為虛源面S2*上等效源與測量面S1上聲壓之間的傳遞矩陣；d、分離兩測量面上由兩側(cè)聲源輻射的聲壓根據(jù)步驟c所建立的傳遞關(guān)系，聯(lián)合求解獲得兩測量面上由聲源1和聲源2分別輻射的聲壓pS11=(I-G1G2)+(pS1-G1pS2)]]>pS22=(I-G2G1)+(pS2-G2pS1)]]>pS12=pS1-pS11]]>pS21=pS1-pS22]]>其中pS1為測量面S1上測得的聲壓、pS2測量面S2上測得的聲壓，G1=(pS12)*[(pS22)*]+.]]>G2=(pS21)*[(pS11)*]+.]]>本發(fā)明方法的特點也在于
各網(wǎng)格點上的聲壓幅值和相位信息的測量是采用單個或多個傳聲器分別在兩測量面上掃描、采用傳聲器陣列分別在兩測量面上快照、或采用雙傳聲器陣列在兩測量面上一次快照獲得。
測量面S1和輔助測量面S2為平面或曲面。
聲源1為主聲源，聲源2為噪聲源、反射源或散射源。
本發(fā)明方法是測量兩個相隔距離為δh的測量面上的聲壓，采用等效源法來實現(xiàn)測量面上由兩側(cè)聲源輻射聲壓的分離。
理論模型等效源法的基本思想是采用分布在聲源內(nèi)部的一系列等效源加權(quán)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。在實際求解過程中，等效源的源強可以通過測量的聲源的邊界條件(聲壓或法向振速)來確定。對于聲場中任一個測量面，也可以通過在該面的背離分析域內(nèi)虛源面上分布等效源來近似在該面前方區(qū)域的輻射聲場。
參見圖1，測量面S的右側(cè)區(qū)域場點r處聲學量可以由分布在該面左側(cè)虛源面S*的一系列等效源近似獲得。設測量面S和虛源面S*上分別分布了M個測量點和N個等效源，第i個等效源在場點r處的輻射聲壓為pi*(r)和粒子速度為vi*(r)，則場點r處的實際輻射聲壓和質(zhì)點振速可表示為p(r)=Σi=1NWipi*(r)---(1)]]>v(r)=Σi=1Nwivi*(r)---(2)]]>式中wi為i個等效源所對應的源強。各等效源的源強由測量面的邊界條件確定，由等式(1)可得測量面S上M個測量點的聲壓可以表示為ps(rj)=Σi=1NwipSi*(rj)j=1,2,...,M---(3)]]>式(3)寫成矩陣形式為pS=pS*W---(4)]]>式中，pS*=pS1*(r1)pS2*(r1)···pSN*(r1)pS1(r2)*pS2*(r1)···pSN*(r2)············pS1*(rM)pS2*(rM)···pSN*(rM)---(5)]]>W＝[w1w2…wN](6)
式中，pS為聲場中M個測點處的聲壓列向量；W為對應N個等效源所占的權(quán)重系數(shù)列向量；pS*為N個等效源與M個測點處聲壓之間的M×N階傳遞矩陣。
由式(4)可知，當傳遞矩陣pS*的階數(shù)滿足M≥N，即測量點數(shù)大于等于等效源個數(shù)時，則可通過奇異值分解唯一確定權(quán)重系數(shù)矩陣W，即W=(pS*)+pS---(7)]]>式中，“+”表示廣義逆。
求得權(quán)重系數(shù)矩陣W后，由式(1)和式(2)就可以計算聲場中任意一點的聲壓與振速，實現(xiàn)聲場的預測。
由上可知，聲場中測量面一側(cè)的輻射聲場可以通過在該測量面的另一側(cè)分布一系列等效源來近似。如果測量面的兩側(cè)都有聲源，則測量面上的聲壓為兩側(cè)聲源輻射聲壓的組合。
參見圖2，測量面S1上的聲壓為pS1=pS11+pS12---(8)]]>式中pS11為聲源1在測量面S1上所輻射的聲壓，pS12為聲源2在測量面S1上所輻射的聲壓。與測量面S1相同，測量面S2上的聲壓可以表示為pS2=pS21+pS22---(9)]]>式中pS21為聲源1在測量面S2上所輻射的聲壓，pS22為聲源2在測量面S2上所輻射的聲壓。
由于聲壓是標量，因而很難直接將測量面上兩側(cè)聲源輻射的聲壓分開。本發(fā)明的方法是在兩個面上進行測量，然后再通過等效源法來實現(xiàn)分離。
由上可知，測量面S1和S2上聲源1所輻射聲壓pS11和pS21可以通過在測量面S1與聲源1之間設置的虛源面S1*上分布一系列等效源來近似。由式(7)可知，等效源的源強可以采用測量面S1上聲源1所輻射聲壓pS11來確定，即W1=[(pS11)*]+pS11--(10)]]>式中上標“+”表示矩陣廣義逆，(pS11)*為虛源面S1*上等效源與測量面S1上聲壓之間的傳遞矩陣。
求得權(quán)重系數(shù)矩陣W1后，由式(1)可以預測測量面S2上聲源1所輻射聲壓pS21為pS21=(pS21)*W1=(pS21)*[(pS11)*]+pS11---(11)]]>式中(pS21)*為虛源面S1*上等效源與測量面S2上聲壓之間的傳遞矩陣。
同理可以求得測量面S2靠近聲源2一側(cè)的虛源面S2*上分布的一系列等效源的源強W2為W2=[(pS22)*]+pS22---(12)]]>式中(pS22)*為虛源面S2*上等效源與測量面S2上聲壓之間的傳遞矩陣。
進而可以預測測量面S1上聲源2所輻射聲壓pS12為pS12=(pS12)*W2=(pS12)*[(pS22)*]+pS22---(13)]]>式中(pS12)*為虛源面S2*上等效源與測量面S1上聲壓之間的傳遞矩陣。
將式(11)和(13)分別代入式(9)和(8)，可得pS1=pS11+(pS12)*[(pS22)*]+pS22---(14)]]>pS2=(pS21)*[(pS11)*]+pS11+pS22---(15)]]>聯(lián)合式(14)和(15)，可得pS11=(I-G1G2)+(pS1-G1pS2)---(16)]]>pS22=(I-G2G1)+(pS2-G2pS1)---(17)]]>pS12=pS1-pS11---(18)]]>pS21=pS1-pS22--(19)]]>式中G1=(pS12)*[(pS22)*]+---(20)]]>G2=(pS21)*[(pS11)*]+---(21)]]>通過上述方法，實現(xiàn)了測量面上聲壓的分離，可以獲得來自測量面兩側(cè)聲源的輻射聲壓。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果1、本發(fā)明所采用的測量面，可以是任意形狀測量面，解決了傳統(tǒng)方法只能適用于平面、柱面或球面等規(guī)則形狀的缺陷。
2、本發(fā)明采用等效源法來作為聲場分離算法，與傳統(tǒng)的方法相比，本發(fā)明方法具有計算穩(wěn)定性好、計算精度高等優(yōu)點。
3、本發(fā)明方法實施簡單，可以廣泛用于內(nèi)部聲場或噪聲環(huán)境下的近場聲全息測量、材料反射系數(shù)的測量，散射聲場的分離等。


圖1為平面聲源等效源位置分布圖；
圖2為雙測量面等效源法聲場分離示意圖；圖3(a)為信噪比為0dB時，測量面S1上實際測量的聲壓幅值分布；圖3(b)為信噪比為0dB時，測量面S1上聲源1輻射聲壓理論幅值分布；圖3(c)為信噪比為0dB時，采用本發(fā)明方法分離出來的聲源1輻射聲壓幅值分布；圖3(d)為信噪比為0dB時，采用傳統(tǒng)空間FFT方法分離出來的聲源1輻射聲壓幅值分布；圖3(e)為信噪比為0dB時，測量面S1上實際測量的聲壓相位分布；圖3(f)為信噪比為0dB時，測量面S1上聲源1輻射聲壓理論相位分布；圖3(g)為信噪比為0dB時，采用本發(fā)明方法分離出來的聲源1輻射聲壓相位分布；圖3(h)為信噪比為0dB時，采用傳統(tǒng)空間FFT方法分離出來的聲源1輻射聲壓幅值分布；圖4(a)為信噪比為0dB時，測量面S1中間一行聲壓實部理論值和分離值比較；圖4(b)為信噪比為0dB時，測量面S1中間一行聲壓實部理論值和分離值比較；圖5(a)為信噪比為-10dB時，測量面S1上實際測量的聲壓幅值分布；圖5(b)為信噪比為-10dB時，測量面S1上聲源1輻射聲壓理論幅值分布；圖5(c)為信噪比為-10dB時，采用本發(fā)明方法分離出來的聲源1輻射聲壓幅值分布；圖5(d)為信噪比為-10dB時，采用傳統(tǒng)空間FFT方法分離出來的聲源1輻射聲壓幅值分布；圖5(e)為信噪比為-10dB時，測量面S1上實際測量的聲壓相位分布；圖5(f)為信噪比為-10dB時，測量面S1上聲源1輻射聲壓理論相位分布；圖5(g)為信噪比為-10dB時，采用本發(fā)明方法分離出來的聲源1輻射聲壓相位分布；圖5(h)為信噪比為-10dB時，采用傳統(tǒng)空間FFT方法分離出來的聲源1輻射聲壓幅值分布；以下通過具體實施方式
，并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
具體實施例方式參見圖2，本實施例中，測量面兩側(cè)均分布有聲源，其中聲源1為主聲源，聲源2為噪聲源或反射、散射源，在由聲源1和聲源2構(gòu)成的被測聲場中，位于聲源1與聲源2之間有測量面S1，在測量面S1與聲源2之間設置一與測量面S1平行、且相隔距離為δh的輔助測量面S2；在兩測量面上分別分布有測量網(wǎng)格點，相鄰網(wǎng)格點之間的距離小于半個波長；δh值不為零，且不大于測量網(wǎng)格點的最小間隔。
具體實施步驟為
a、采用單個或多個傳聲器分別在兩測量面上掃描、采用傳聲器陣列分別在兩測量面上快照、或采用雙傳聲器陣列在兩測量面上一次快照測量兩個面S1和S2上的聲壓信息；b、在測量面S1與聲源1之間設定虛源面S1*，在輔助測量面S2與聲源2之間設定虛源面S2*，并在兩虛源面上分別分布有等效源，等效源的個數(shù)不大于對應測量面網(wǎng)絡點數(shù)；所述等效源為標準點源、面源或體源；c、建立等效源與所述兩測量面之間的傳遞關(guān)系pS11=(pS11)*W1]]>pS21=(pS21)*W1]]>pS22=(pS22)*W2]]>pS12=(pS12)*W2,]]>其中pS11為聲源1在測量面S1上所輻射的聲壓、pS12為聲源2在測量面S1上所輻射的聲壓、pS21為聲源1在輔助測量面S2上所輻射的聲壓、pS22為聲源2在輔助測量面S2上輻射的聲壓、W1為虛源面S1*上等效源權(quán)重矢量、W2為虛源面S2*上等效源權(quán)重矢量；(pS11)*為虛源面S1*上等效源與測量面S1上聲壓之間的傳遞矩陣、(pS21)*為虛源面S1*上等效源與測量面S2上聲壓之間的傳遞矩陣、(pS22)*為虛源面S2*上等效源與測量面S2上聲壓之間的傳遞矩陣、(pS12)*為虛源面S2*上等效源與測量面S1上聲壓之間的傳遞矩陣；d、分離兩測量面上由兩側(cè)聲源輻射的聲壓根據(jù)步驟c所建立的傳遞關(guān)系，聯(lián)合求解獲得兩測量面上由聲源1和聲源2分別輻射的聲壓pS11=(I-G1G2)+(pS1-G1pS2)]]>pS22=(I-G2G1)+(pS2-G2pS1)]]>pS12=pS1-pS11]]>pS21=p1-pS22]]>其中pS1為測量面S1上測得的聲壓、pS2測量面S2上測得的聲壓、
G1=(pS12)*[(pS22)*]+]]>G2=(pS21)*[(pS11)*]+.]]>方法的檢驗在測量面兩側(cè)分布多個脈動球，分別采用本發(fā)明的聲場分離方法和傳統(tǒng)的空間FFT方法實現(xiàn)測量面上聲壓的分離，并與其解析解比較。
對于單個半徑為a的脈動球，其在場點r處聲壓的解析解為p(r,θ)=-v·i2πfpa2r(1-ika)·exp[ik(r-a)],--(22)]]>式中，均勻徑向速度v=1m/s,空氣密度為p=1.2kg/m3，聲源振動頻率為400Hz.
兩測量面的位置關(guān)系參見圖2。測量面均為1m×1m的平面，測量面之間的間距6h為0.01m，測量面上均勻地分布21×21個測量點。聲源1為位于(-0.6，0，0)m處的脈動球，聲源2為位于(O.6，-0.5，0.4)m和位于(0.6，0.5，0.4)m處的脈動球組成。兩測量面所對應的虛源面與測量面之間的距離σ1和σ2均為0.225m。此處聲源1為主聲源，聲源2為噪聲源，需要將測量面S1上聲源1輻射聲壓分離出來。
參見圖3(其中，圖3(a)和圖3(e)為測量面S1上實際測量的聲壓幅值和相位分布，圖3(b)和圖3(f)為聲源1在測量面S1上輻射的聲壓幅值和相位分布，圖3(c)和圖3(g)為采用本發(fā)明方法分離出來的聲源1在測量面S1上輻射的聲壓幅值和相位分布，圖3(d)和圖3(h)為采用傳統(tǒng)的空間FFT法分離出來的聲源1在測量面S1上輻射的聲壓幅值和相位分布)，測量面S1上實際測量的聲壓與聲源1輻射聲產(chǎn)生的聲壓之間差異較大，由實際測量的聲壓無法獲得聲源1在測量面S1上輻射信息；采用本發(fā)明方法實施分離后，可以準確得到聲源1在測量面S1上輻射信息，分離出的聲壓幅值和相位分布與其理論值非常吻合；采用傳統(tǒng)的空間FFT法實施分離后，所得到聲源1在測量面S1上輻射聲壓幅值和相位分布與其理論值存在比較明顯的差異。
參見圖4(a)和圖4(b)，測量面中間一行理論值和分離值的比較更清晰地說明了兩者分離的精度。
為了更加定量地區(qū)分兩種方法的分離精度，下面分別求取兩種方法的分離誤差。定義分離誤差百分比為η=Σi=1M(|pi|-|pi-|)2/Σi=1N|pi-|2×100(%),---(23)]]>式中，N為所有聲源的表面結(jié)點總數(shù)，pi和 分別為對應第i個測量點處分離的和理論的聲壓。由式(23)計算可得，兩種方法分離誤差百分比分別為0.053％和12.0397％，顯然采用本發(fā)明方法能獲得更加精確的結(jié)果。
上述對于方法的檢驗中所表達的算例，聲源1和聲源2的強度相同，即信噪比為0dB。如果聲源1和聲源2的信噪比繼續(xù)變小，甚至是聲源2強于聲源1時，傳統(tǒng)的空間FFT法分離的結(jié)果將變得毫無意義，而采用本發(fā)明方法同樣能夠較好的分離結(jié)果；如果聲源1和聲源2的信噪比較變大，雖然采用傳統(tǒng)的空間FFT法分離的結(jié)果誤差也較小，但是采用本發(fā)明方法能獲得更高精度的結(jié)果。
上述對于方法的檢驗中所表達的算例，將聲源2增強至信噪比為-10dB，采用兩種方法分離所得的分離誤差百分比分別為0.520％和90.768％，其分離結(jié)果參見圖5(其中，圖5(a)和圖5(e)為測量面S1上實際測量的聲壓幅值和相位分布，圖5(b)和圖5(f)為聲源1在測量面S1上輻射的聲壓幅值和相位分布，圖5(c)和圖5(g)為采用本發(fā)明方法分離出來的聲源1在測量面S1上輻射的聲壓幅值和相位分布，圖5(d)和圖5(h)為采用傳統(tǒng)的空間FFT法分離出來的聲源1在測量面S1上輻射的聲壓幅值和相位分布)，顯然采用空間FFT法分離的結(jié)果將變得毫無意義，而采用本發(fā)明方法同樣能夠較好的分離結(jié)果；如果將聲源2減弱至信噪比為10dB，采用兩種方法分離所得的分離誤差百分比分別為0.021％和7.195％，同樣采用本發(fā)明方法能獲得更加精確的結(jié)果。實際上甚至在聲源2為零時，亦是如此，此時采用兩種方法分離所得的分離誤差百分比分別為0.021％和7.032％。由此可知，無論聲場的信噪比如何，采用本發(fā)明方法都能獲得較為精確的結(jié)果，而采用傳統(tǒng)的空間FFT法則不能。
權(quán)利要求
1.一種聲場分離方法，其特征是按如下步驟進行a、測量兩個面上的聲壓信息在由聲源1和聲源2構(gòu)成的被測聲場中，位于聲源1與聲源2之間有測量面S1，在測量面S1與聲源2之間設置一與測量面S1平行、且相隔距離為δh的輔助測量面S2；在兩測量面上分別分布有測量網(wǎng)格點，相鄰網(wǎng)格點之間的距離小于半個波長；測量兩個測量面上各網(wǎng)格點處的聲壓幅值和相位信息獲得兩測量面上的聲壓；所述被測聲場為穩(wěn)態(tài)聲場；b、在測量面S1與聲源1之間設定虛源面S1*，在輔助測量面S2與聲源2之間設定虛源面S2*，并在兩虛源面上分別分布有等效源，等效源的個數(shù)不大于對應測量面網(wǎng)絡點數(shù)；所述等效源為標準點源、面源或體源；c、建立等效源與所述兩測量面上聲壓之間的傳遞關(guān)系PS11=(PS11)*W1]]>PS21=(PS21)*W1]]>PS22=(PS22)*W2]]>PS12=(PS12)*W2,]]>其中pS11為聲源1在測量面S1上所輻射的聲壓、pS12為聲源2在測量面S1上所輻射的聲壓、pS21為聲源1在輔助測量面S2上所輻射的聲壓、pS22為聲源2在輔助測量面S2上輻射的聲壓、W1為虛源面S1*上等效源權(quán)重矢量、W2為虛源面S2*上等效源權(quán)重矢量、(pS11)*為虛源面S1*上等效源與測量面S1上聲壓之間的傳遞矩陣、(pS21)*為虛源面S1*上等效源與測量面S2上聲壓之間的傳遞矩陣、(pS22)*為虛源面S2*上等效源與測量面S2上聲壓之間的傳遞矩陣、(pS12)*為虛源面S2*上等效源與測量面S1上聲壓之間的傳遞矩陣；d、分離兩測量面上由兩側(cè)聲源輻射的聲壓根據(jù)步驟c所建立的傳遞關(guān)系，聯(lián)合求解獲得兩測量面上由聲源1和聲源2分別輻射的聲壓PS11=(I-G1G2)+(PS1-G1PS2)]]>PS22=(I-G1G2)+(PS2-G2PS1)]]>PS12=PS1-PS11]]>PS21=PS1-PS22]]>其中PS1為測量面S1上測得的聲壓、pS2測量面S2上測得的聲壓，G1=(PS12)*[(PS22)*]+,]]>G2=(PS21)*[(PS11)*]+.]]>
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲場分離方法，其特征是所述各網(wǎng)格點上的聲壓幅值和相位信息的測量是采用單個或多個傳聲器分別在兩測量面上掃描、采用傳聲器陣列分別在兩測量面上快照、或采用雙傳聲器陣列在兩測量面上一次快照獲得。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲場分離方法，其特征是所述測量面S1和輔助測量面S2為平面或曲面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲場分離方法，其特征是所述聲源1為主聲源，聲源2為噪聲源、反射源或散射源。
全文摘要
一種聲場分離方法，其特征是在被測聲場中設置測量面S
文檔編號G01N29/00GK1952627SQ20061009701
公開日2007年4月25日 申請日期2006年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月27日
發(fā)明者畢傳興, 陳心昭, 陳劍 申請人:合肥工業(yè)大學