聲場重建方法
【專利摘要】本發(fā)明旨在提供一種聲場重建方法，包括以下步驟A、測量測量聲場中測量面上的聲壓值；B、根據(jù)聲源的實際位置和聲強(qiáng)的大小，利用重心法對于不同的聲源賦以一定的權(quán)重，計算出多球虛擬源強(qiáng)的位置、個數(shù)以及每個虛擬球的位置坐標(biāo)；C、對測量面上測定的聲壓值進(jìn)行補零擴(kuò)展，得到測量面擴(kuò)展面上的聲壓值；D、計算測量面擴(kuò)展面聲壓值與虛擬球聲壓之間的傳遞矩陣；E、建立重建面上的聲壓值與多虛擬球等效源強(qiáng)聲壓值之間的傳遞矩陣；F、聯(lián)立步驟D和E獲得的傳遞矩陣，求解重建面上的聲壓值。本發(fā)明聲場重建方法通過引入多球面域二維快速Fourier變換算法，不需虛擬源強(qiáng)配置域與測量面共形，具有很高計算效率和計算精度。
【專利說明】聲場重建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及噪聲源識別方法領(lǐng)域，具體涉及一種采用聲壓測量和基于多虛擬球的patch NAH聲場重建方法。
【背景技術(shù)】
[0002]Patch 近場聲全息(Patch near-field acoustic holography, PNAH)是在近場聲全息理論基礎(chǔ)上發(fā)展形成的一種新型近場聲全息技術(shù)。PNAH允許測量面小于實際源面，重建區(qū)域可以是局部源面，突破了常規(guī)NAH對全息孔徑尺寸的限制，更便于NAH的實際應(yīng)用。
[0003]現(xiàn)有局部近場聲全息技術(shù)包括:(I)數(shù)據(jù)外推方法。Yoshikawa在《美國聲學(xué)學(xué)會》(2001年110卷4期)的文章中對數(shù)據(jù)外推技術(shù)進(jìn)行了研究，提出時域和波數(shù)域的兩種數(shù)據(jù)外推方法，該方法的缺點是需要進(jìn)行迭代計算，計算過程復(fù)雜計算量大；(2) Patch近場聲全息技術(shù)。Williams在《美國聲學(xué)學(xué)會》(2003年113卷3期)的文章中通過對近場概念的進(jìn)一步研究，提出了一種Patch NAH的概念，這種方法允許測量的傳感器陣列比聲源小，克服了測量孔徑的有限大小引起的重建誤差，降低了測量時間，但在計算時間方面該技術(shù)仍然受到迭代計算的限制，計算過程復(fù)雜計算，效率低；(3) 2005年，Lee等將PNAH推廣應(yīng)用到柱面坐標(biāo)系。SAIJY0U等采用邊界元法對Patch原理的重建思想進(jìn)行推廣，提出了基于 BEM 的 PNAH。SARKISSIAN 等利用波疊加法(Wave superposition approach, WSA)實現(xiàn)了全息聲壓的近場外推，建立了基于WSA的PNAH。
[0004]等效源法是由Koopmann等最先提出，該方法又被稱為波疊加方法、源模擬法等。它的基本原理是用一系列定位的基本源(即等效源)，來代替實際聲源。通過測量聲壓、聲速等參數(shù)，在一系列等效源產(chǎn)生的合成值之間聯(lián)系的相容性條件上，得到聲源的理論分布情況。該方法避免了邊界元法存在的復(fù)雜插值運算、奇異積分處理和特征波數(shù)處解的非唯一性等問題，具有運算速度快、計算精度高、求解穩(wěn)定性好等優(yōu)點。
[0005]然而，現(xiàn)有波疊加聲全息技術(shù)仍然存在2個缺點:(I)虛擬源強(qiáng)的分布域(面)需與測量面(全息面)共形；(2)采用離散源強(qiáng)或基于邊界元的分布源強(qiáng)，計算效率和精度低，適應(yīng)性不強(qiáng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明旨在提供一種聲場重建方法，該聲場重建方法克服現(xiàn)有技術(shù)虛擬源強(qiáng)的分布域需與測量面共形、計算效率與精度低的缺陷，通過引入多球面域二維快速Fourier變換算法，不需要虛擬源強(qiáng)配置域與測量面共形，具有很高計算效率和計算精度。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種聲場重建方法，包括以下步驟:
[0008]A、在測量聲場中設(shè)置測量面，測量面上呈網(wǎng)格設(shè)置聲壓振速傳感器，相鄰網(wǎng)格點之間的距離小于半個波長，聲壓振速傳感器測量測量面上的聲壓值；
[0009]B、對振動體形狀進(jìn)行有限元仿真，根據(jù)聲源的實際位置和聲強(qiáng)的大小，利用重心法對于不同的聲源賦以一定的權(quán)重，計算出多球虛擬源強(qiáng)的位置和個數(shù)，并生成每個虛擬球的位置坐標(biāo)；
[0010]C、對測量面上測定的聲壓值進(jìn)行補零擴(kuò)展，得到測量面擴(kuò)展面上的聲壓值；
[0011]為了減少小全息孔徑造成的誤差，對在較小孔徑內(nèi)測得的聲壓數(shù)據(jù)進(jìn)行外推，獲得較大測量孔徑內(nèi)的聲壓數(shù)據(jù)的近似值。依照式(I)對測量面上的聲壓測量數(shù)據(jù)進(jìn)行補零擴(kuò)展，得到測量面擴(kuò)展面上的聲壓值。
[0012]D、計算測量面擴(kuò)展面聲壓值與虛擬球聲壓之間的傳遞矩陣；
[0013]E、建立重建面上的聲壓值與多虛擬球等效源強(qiáng)產(chǎn)生的聲壓值之間的傳遞矩陣；
[0014]F、聯(lián)立步驟D和E獲得的傳遞矩陣，同時對步驟D獲得的傳遞矩陣進(jìn)行正則化方法處理，獲得重建面上的聲壓求解方程，求解重建面上的聲壓值。
[0015]所述步驟B中，將虛擬球區(qū)分為質(zhì)心位置的虛擬球和非質(zhì)心位置的虛擬球，其中對于質(zhì)心位置的虛擬球的半徑為4=0.2 ;非質(zhì)心位置的各虛擬球的半徑為4=0.1。
[0016]所述步驟C具體步驟如下:
[0017]依照式(I)對測量面上的聲壓值進(jìn)行補零擴(kuò)展得到測量面擴(kuò)展面上的聲壓值:
[0018]pE (H+) =D.pE ⑶(I);[0019]其中，pE(H)為測量面H上的聲壓測量值；Pe(H+)為測量面的擴(kuò)展面上的聲壓值；
D=diag[Dn, D22,…，Dnn]，^, = {0; D為采樣算子，Dii為矩陣D上對角線上的值；N
為測量面擴(kuò)展面上網(wǎng)格的點數(shù)；測量面H (X=Xh)與(y，z)坐標(biāo)面平行，測量面的法向為χ方向。
[0020]所述步驟D具體步驟如下:
[0021]測量面擴(kuò)展面聲壓值與虛擬球等效源聲壓值之間的傳遞矩陣如式(2):
[0022]pE(H+) = [TH]Q (2)；
[0023]其中Pe(H+)為測量面擴(kuò)展面上的聲壓值，Q為虛擬球等效源強(qiáng)雙向傅里葉分解后的系數(shù)矩陣；[TH]為虛擬球等效源強(qiáng)與測量面擴(kuò)展面上聲壓之間的傳遞矩陣；
[0024]其中[TH]由以下步驟得到:
[0025]根據(jù)等效源強(qiáng)理論，假設(shè)S'是振動體內(nèi)某一虛擬源強(qiáng)分布表面，則可將外場中某點r處的聲壓表不為
[0026]Ρ{ι? - Σ J,.^(r()) K (i\rQ)dS' (3)

t=l
[0027]式中，1^是虛源面上的某一點，t為多虛擬球的個數(shù)，σ (rQ)為待求的源強(qiáng)密度函數(shù)，K (r, rQ)為積分核函數(shù)，K(r，rQ)=g(r，rQ) = (14 3iR)eikK將未知源強(qiáng)密度函數(shù)進(jìn)行雙向Fourier級數(shù)展開，并利用二維快速FFT計算積分，采用梯形公式離散格林函數(shù)，將與距離有關(guān)的矩陣規(guī)整成一個矩陣，即為[TH]。
[0028]所述步驟E中重建面聲壓值與虛擬球等效源聲壓值之間的傳遞矩陣如下:
[0029]{pE} = [TE]Q (4)；
[0030]其中，{Ρκ}為重建面R上的聲壓值，[TJ為虛擬球等效源強(qiáng)與重建面上聲壓之間的傳遞矩陣，[Τκ]的計算參照[TH]的計算進(jìn)行；Q為虛擬球等效源強(qiáng)雙向傅里葉分解后的系數(shù)矩陣。
[0031]所述步驟F中重建面聲壓值的求解具體步驟如下:[0032]聯(lián)立式(2)、(4)，求解重建面上的聲壓:
[0033]{pK} = [TK] [TH]-1Pe(H+) (5)；
[0034]對Th進(jìn)行正則化處理，得到:
[0035][Pr) = TR{al+TTh Y1T{ρΗ,} (6)
[0036]其中，α為正則化參數(shù)，I為單位對角矩陣，thh為Th的共軛轉(zhuǎn)置矩陣，(α\+Τ^ΤΗ)Λ
為(al+CT；,)的逆矩陣。
[0037]本發(fā)明聲場重建方法的優(yōu)點如下:
[0038]1.采用多球形虛擬源強(qiáng)，通過合理配置多虛擬球的位置和個數(shù)，克服了虛擬源強(qiáng)的分布域需與測量面共形問題，同時對測量面進(jìn)行了補零擴(kuò)展，對在較小孔徑內(nèi)測得的聲壓數(shù)據(jù)進(jìn)行外推，獲得較大測量孔徑內(nèi)的聲壓數(shù)據(jù)的近似值，減少小全息孔徑造成的誤差;
[0039]2.通過建立多虛擬球波疊加法，并采用多虛擬域的二維快速Fourier變換算法，兩者相結(jié)合，極大地改善了計算精度、計算速度和適應(yīng)性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]圖1為本發(fā)明聲場重建方法的步驟流程圖
[0041]圖2為多球形虛擬源強(qiáng)配置面與測量面的布置示意圖
[0042]圖3為測量面補零擴(kuò)展后的聲壓幅值圖
[0043]圖4為測量面補零擴(kuò)展后的初相位圖
[0044]圖5為本實施例方法重建聲壓幅值圖
[0045]圖6為本實施例方法重建初相位圖
[0046]圖7為聲壓幅值的理論值圖
[0047]圖8為初相位理論值圖
[0048]圖9為幅值誤差圖
[0049]圖10為初相位誤差圖
[0050]圖2中各部分名稱及標(biāo)號如下:
[0051]I為測量平面，2為傳聲器，3為虛擬球等效源。
【具體實施方式】
[0052]下面結(jié)合【具體實施方式】說明本發(fā)明。
[0053]實施例1
[0054]如圖1所示，本實施例聲場重建方法的步驟如下:
[0055]A、在測量聲場中設(shè)置測量面，測量面上呈網(wǎng)格設(shè)置聲壓振速傳感器，相鄰網(wǎng)格點之間的距離小于半個波長，聲壓振速傳感器測量測量面上的聲壓值；
[0056]B、對振動體形狀進(jìn)行有限元仿真，根據(jù)聲源的實際位置和聲強(qiáng)的大小，利用重心法對于不同的聲源賦以一定的權(quán)重，計算出多球虛擬源強(qiáng)的位置和個數(shù)，并生成每個虛擬球的位置坐標(biāo)；
[0057]其中，將虛擬球區(qū)分為質(zhì)心位置的虛擬球和非質(zhì)心位置的虛擬球，其中對于質(zhì)心位置的虛擬球的半徑為A=0.2 ;非質(zhì)心位置的各虛擬球的半徑為4=0.1 ；
[0058]C、對測量面上測定的聲壓值進(jìn)行補零擴(kuò)展，得到測量面擴(kuò)展面上的聲壓值；具體如下:
[0059]依照式(I)對測量面上的聲壓值進(jìn)行補零擴(kuò)展得到測量面擴(kuò)展面上的聲壓值:
[0060]pE (H+) =D.pE ⑶(I);
[0061]其中，pE(H)為測量面H上的聲壓測量值；Pe(H+)為測量面的擴(kuò)展面上的聲壓值；
【權(quán)利要求】
1.一種聲場重建方法，其特征在于包括以下步驟: A、在測量聲場中設(shè)置測量面，測量面上呈網(wǎng)格設(shè)置聲壓振速傳感器，相鄰網(wǎng)格點之間的距離小于半個波長，聲壓振速傳感器測量測量面上的聲壓值； B、對振動體形狀進(jìn)行有限元仿真，根據(jù)聲源的實際位置和聲強(qiáng)的大小，利用重心法對于不同的聲源賦以一定的權(quán)重，計算出多球虛擬源強(qiáng)的位置和個數(shù)，并生成每個虛擬球的位置坐標(biāo)； C、對測量面上測定的聲壓值進(jìn)行補零擴(kuò)展，得到測量面擴(kuò)展面上的聲壓值； D、計算測量面擴(kuò)展面聲壓值與虛擬球聲壓之間的傳遞矩陣； E、建立重建面上的聲壓值與多虛擬球等效源強(qiáng)產(chǎn)生的聲壓值之間的傳遞矩陣； F、聯(lián)立步驟D和E獲得的傳遞矩陣，同時對步驟D獲得的傳遞矩陣進(jìn)行正則化方法處理，獲得重建面上的聲壓求解方程，求解重建面上的聲壓值。
2.如權(quán)利要求1所述的聲場重建方法，其特征在于: 所述步驟B中，將虛擬球區(qū)分為質(zhì)心位置的虛擬球和非質(zhì)心位置的虛擬球，其中對于質(zhì)心位置的虛擬球的半徑為A=0.2 ;非質(zhì)心位置的各虛擬球的半徑為4=0.1。
3.如權(quán)利要求1所述的聲場重建方法，其特征在于: 所述步驟C具體步驟如下: 依照式(I)對測量面上的聲壓值進(jìn)行補零擴(kuò)展得到測量面擴(kuò)展面上的聲壓值:
Pe(H+) =D.Pe(H) (I)；` 其中，PeW為測量面H上的聲壓測量值；Pe(H+)為測量面的擴(kuò)展面上的聲壓值；D=diag[Dn, D22,…，Dnn]，Α = --; D為采樣算子，Dii為矩陣D上對角線上的值；N為測量面擴(kuò)展面上網(wǎng)格的點數(shù)；測量面H (X=Xh)與(y，z)坐標(biāo)面平行，測量面的法向為χ方向。
4.如權(quán)利要求1所述的聲場重建方法，其特征在于: 所述步驟D具體步驟如下: 測量面擴(kuò)展面聲壓值與虛擬球等效源聲壓值之間的傳遞矩陣如式(2):
Pe(H+) = [TH]Q (2)； 其中Pe(H+)為測量面擴(kuò)展面上的聲壓值，Q為虛擬球等效源強(qiáng)雙向傅里葉分解后的系數(shù)矩陣；[TH]為虛擬球等效源強(qiáng)與測量面擴(kuò)展面上聲壓之間的傳遞矩陣； 其中[TH]由以下步驟得到: 根據(jù)等效源強(qiáng)理論，假設(shè)S'是振動體內(nèi)某一虛擬源強(qiáng)分布表面，則可將外場中某點r處的聲壓表不為 Μ^)=Σ?,C3) 式中，1^是虛源面上的某一點，t為多虛擬球的個數(shù)，σ (rQ)為待求的源強(qiáng)密度函數(shù)，K(r, rQ)為積分核函數(shù)，K(r, rQ)=g(r, rQ) = (14 π R)eikK將未知源強(qiáng)密度函數(shù)進(jìn)行雙向Fourier級數(shù)展開，并利用二維快速FFT計算積分，采用梯形公式離散格林函數(shù)，將與距離有關(guān)的矩陣規(guī)整成一個矩陣，即為[TH]。
5.如權(quán)利要求1所述的聲場重建方法，其特征在于:所述步驟E中重建面聲壓值與虛擬球等效源聲壓值之間的傳遞矩陣如下:
{pE} = [TE]Q (4)； 其中，{ρκ}為重建面R上的聲壓值，[TJ為虛擬球等效源強(qiáng)與重建面上聲壓之間的傳遞矩陣，[TK]的計算參照[ΤΗ]的計算進(jìn)行；Q為虛擬球等效源強(qiáng)雙向傅里葉分解后的系數(shù)矩陣。
6.如權(quán)利要求1所述的聲場重建方法，其特征在于:所述步驟F中重建面聲壓值的求解具體步驟如下: 聯(lián)立式(2)、(4)，求解重建面上的聲壓:
{pE} = [TE] [ThJ-1Pe(H+) (5)； 對Th進(jìn)行正則化處理，得到: {Pr} = Tr(?Ι+7?Τη?Τη {ΡηΛ (6); 其中，α為正則化參數(shù)，I為單位對角矩陣，: T/*ΤΗ的共軛轉(zhuǎn)置矩陣，(?1+7^7〃)的逆矩陣。
【文檔編號】G01H17/00GK103712684SQ201310733451
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月25日
【發(fā)明者】王玉江, 向宇, 李曉妮 申請人:廣西科技大學(xué)