运动声源识别的动态波叠加方法研究

为更好地识别运动声源并解决声源识别中的虚假声源问题,基于运动声源短时信号的Doppler频移特性, 建立运动声场的短时波叠加关系, 利用波束形成方法对声源点进行预估, 基于预估建立起多运动声源的动态叠加方程, 进一步通过波叠加方程的求解进行声源的计算, 从而创建一种可以用于运动声源识别的动态波叠加方法. 该方法可以有效识别运动声源, 将波叠加方法扩展到了运动声源测量领域, 并在不增加传声器数量以及改变阵列形式的条件下有效抑制运动声源重建中的旁瓣效应, 解决运动声源识别中的虚假声源问题. 仿真及实际运动声源的测量试验结果证明了该方法的有效性.     

基于时域多普勒修正的运动声全息识别方法

由于运动声源测量信号中多普勒效应的存在,一般声全息方法无法直接使用,而阵列信号波束成形处理方法无法进行定量分析.本方法建立了基于测量面、辐射面和全息面的运动学几何关系,提出了声源与测量信号之间的非线性时间映射方法,基于运动声源的声源特征函数,构造了消除多普勒效应的全息面时域声压分布.全息重建得到运动声源表面有效声压分布,实现了对主要声源处声压幅值的定量估计.实际运动声源的测量实验结果证明了该方法的有效性.     

基于波束形成和波叠加法的复合声全息技术

近场声全息是一种准确的噪声源识别技术.然而,由于存在测量要求严格、测点数多等缺点,一定程度上限制了它在工业现场的广泛应用.基于此,提出一种基于波束形成和波叠加法的复合声全息技术.首先利用传声器阵列获取声压场信息;再通过波束形成对声源进行定位;然后在这些声源位置附近配置等效源;最后应用波叠加法进行声场重构.该技术的优点是只需要少量传声器,在中、远距离测量,可以方便快速地实现声场重构.采用两个脉动球的声源模型进行了数值仿真,并在半消声室内采用音箱模拟噪声源进行了实验,都准确地重构了模型的外部声场.这表明,该技术可以准确地对辐射体进行声场重构,为其在工业现场中的应用奠定了基础.     

利用水平阵模态域波束形成判别声源深度*

针对近水面声源和水下声源的深度判别问题,根据近水面声源难以激发低阶模态的物理现象,研究利用声源波数谱结构和波数位置的不同来分辨近水面声源和水下声源。通过采用MVDR的谱估计方法进行模态域波束形成,补偿水平阵各阵元之间各号简正波的相位差,获得主瓣窄、旁瓣低的声源信号波数谱。波数谱的波数位置与频率呈近似线性关系,水中声速剖面、海底参数、海深都会影响波数谱的具体结构和位置。此外,声源信号的到达角估计误差同样也会影响波数谱主瓣的位置估计。数值仿真结果表明,在浅海负跃层声速剖面条件下,可利用水平阵模态域波束形成判别声源深度,区分近水面声源和水下声源。     

基于联合波叠加法的相干声场全息重建与预测理论

在相干声场中,很难将各个声源产生的声压分离开来,所以常规波叠加法不能用于相干声场的全息重建与预测。根据相干声场的叠加性,通过构造全息面与多个声源之间的联合声压匹配矩阵,建立了基于联合波叠加法的相干声场全息重建与预测理论。该理论可以精确地重构出各个声源的表面声学信息,也可以分别预测每个声源的空间声场分布,叠加后即可获得相干声场的空间分布,从而实现了相干声场的重建与预测。实验和数值仿真的结果表明:该相干声场重建与预测理论不仅能有效地解决相干声场的重建与预测问题,并且可以作为一种相干声场分离技术,拓宽了全息技术的应用范围。     

旋转运动声源的频率波动修正波束形成方法

针对前飞状态的旋翼气动噪声信号频率存在周期性波动,且频域波束形成方法只能应用于稳态声源的问题,提出一种频率波动声源的波束形成方法。该方法利用已知的声源频率变化规律进行频率修正,在时域将频率波动信号等效为单频信号,基于该单频信号进行波束形成声源定位,实现了旋转运动的频率波动声源准确定位。数值仿真结果表明,提出的方法能够在频率波动幅值为127 Hz的情况下准确呈现出声源分布情况。在旋翼模型的风洞试验中,利用提出的频域波束形成方法其声成像结果中声源最大能量位置均在旋转轨迹上,而未进行频率修正的波束形成方法结果无法准确呈现出声源的位置。该方法扩展了频域波束形成方法中的单频声源假设,实现了旋转运动声源在频率波动状态下的波束形成,适用于前飞状态下旋翼气动噪声源的声源定位。      

双面声阵列波束形成的正则化改进算法

双面声阵列波束形成能够区分识别位于不同扫描平面的相干声源,然而该算法在低信噪比条件下识别精度较低。针对此问题提出一种迭代正则化改进算法,通过迭代方法更新正则化矩阵与波束形成输出,在不断提升正则化稳定性、抑制干扰旁瓣的基础上使声学云图主瓣向实际相干声源点处聚焦。数值仿真与实验算例结果显示,改进算法在中高频代表频率下能够正确区分相干声源前后方位,并具有相对原算法更高的识别精度。从而表明:从反问题正则化角度对原算法进行优化改进是理论可行的;正则化矩阵的具体形式与广义逆波束形成输出的空间分辨率紧密相关,且可通过迭代方法将二者整合以提高声源识别精度。      

基于波束形成缩放声强的声源局部声功率计算

基于波束形成法识别噪声源时,为计算主要噪声源的辐射声功率,给出了基于平面波模型的声强缩放方法,模拟计算了单极子点声源局部声功率的计算误差,结果显示:当阵列平面与声源计算平面间距离等于阵列直径时,基于波束形成缩放声强计算的声功率误差仅略高于0.1 dB。为克服旁瓣干扰,给出了具有一定动态范围的声源计算平面积分法,模拟计算了单极子点声源的局部声功率,结果表明:该积分法的计算值与主瓣区域积分法的计算值近似相等,均约等于理论声功率。进一步,波束形成法与声强法的对比算例试验验证了基于波束形成缩放声强计算声源局部声功率方法的有效性。      

适用于循环平稳声场的基于波叠加法的近场声全息技术

在原有的平面循环平稳近场声全息基础上,提出一种基于波叠加法的循环平稳近场声全息技术,可以对具有复杂表面的声源进行全息重建,重建的声源表面声压谱相关密度函数能反映出调制信号的信息.声源表面声压谱相关密度函数全息图形象地反映了调制信号在表面的强弱分布情况,可由此确定调制信号源的产生位置.仿真分析和实验验证表明,基于波叠加法的循环平稳近场声全息技术可以更准确地反映循环平稳声场的调制特性.该方法继承了波叠加法的优点,无需计算边界奇异积分,计算效率高、精度好. 关键词： 近场声全息 循环平稳信号 波叠加     

适用于循环平稳声场的基于波叠加法的近场声全息技术

在原有的平面循环平稳近场声全息基础上，提出一种基于波叠加法的循环平稳近场声全息技术，可以对具有复杂表面的声源进行全息重建，重建的声源表面声压谱相关密度函数能反映出调制信号的信息.声源表面声压谱相关密度函数全息图形象地反映了调制信号在表面的强弱分布情况，可由此确定调制信号源的产生位置.仿真分析和实验验证表明，基于波叠加法的循环平稳近场声全息技术可以更准确地反映循环平稳声场的调制特性.该方法继承了波叠加法的优点，无需计算边界奇异积分，计算效率高、精度好.     

基于统计最优和波叠加的联合局部近场声全息

提出了一种基于统计最优近场声全息和波叠加法的联合局部近场声全息技术。首先利用两次统计最优近场声全息的声源定位结果来指导配置等效源,其后利用波叠加法进行局部声场重构。该技术适合于中低频声场的局部重建,计算快速,重建精度高;可以在测量数据有缺失的情况下重建声场。进行了脉动球声源模型的数值仿真,并在半消声室内对电机噪声源进行了实验,仿真实验都准确地重构了声源所辐射的外部声场。该技术可以重建任意类球形声源辐射的声场。      

基于波叠加法的近场声全息空间分辨率增强方法

提出一种基于波叠加法的近场声全息空间分辨率增强方法. 该方法在波叠加法的基础上,利用全息面声压信号求得布置在全息面附近的虚源面上的简单源源强,再根据求得的简单源源强实现对全息面声压的插值,进而利用插值后的全息面声压数据进行重建. 该方法可以提高近场声全息重建图像的空间分辨率,减少测量工作量,简化测量过程. 通过仿真对影响插值结果的参数进行了分析,给出了合理的选取范围;通过仿真和实验研究验证了该方法的有效性. 关键词： 波叠加法 近场声全息 空间分辨率     

单层传声器阵列重建相干声场的近场声全息方法研究

针对传声器阵列两侧存在相干声源的非自由声场重建问题,提出基于球面谐波函数扩展近场声全息理论的相干声场重建方法。该方法在已知测量面两侧声源几何位置时,使用单层传声器阵列获取测量面处的声压分布,通过最小二乘法获得与目标声源和干扰噪声源响应对应的最优球波函数扩展项数和最优系数向量,结合测点位置的空间坐标进行声波分解,并分别重建出各声源在测量面上的声压分布。为了验证方法的有效性,分别给出了相干噪声源为球形声源和非球形声源的仿真验证,并在全消声室内对双扬声器产生的相干声场的重建进行了实验验证。结果表明:该方法对球形声源和非球形声源干扰下的声场重建都具有较好的效果,球形声源干扰下的重建精度更高。      

联合波叠加法的全息理论与实验研究

当空间声场中同时存在多个相干声源时，运用常规近场声全息方法无法重建每个相干声源表面的声学信息，当然也无法预测每个声源单独产生的空间声场，相干声场的全息重建与预测已成为全息技术推广应用过程中亟待解决的问题.在提出联合波叠加法并将其应用于空间声场变换的基础上，对其进行了实验研究.通过对实际相干声场的全息重建与预测，验证了常规波叠加法在相干声场重建中的局限性、联合波叠加法在相干声场全息重建与预测过程的可行性和准确性，还研究了Tikhonov正则化方法在抑制声学逆问题的非适定性中的有效性和滤波系数的选择原则的可行性，以提高全息重建与预测的精度. 关键词： 近场声全息 联合波叠加 相干声场 Tikhonov正则化     

空间声场全息重建的波叠加方法研究

提出了基于波叠加法的近场声场全息技术，并将其用于任意形状物体的声辐射分析.在声辐射计算问题中，边界元法是通过离散边界面上的声学和位置变量来实现，而波叠加方法则通过叠加辐射体内部若干个简单源产生的声场来完成.因而，基于波叠加法的声全息就不存在边界面上的参数插值和奇异积分等问题，而这些问题是基于边界元法的声全息所固有的.与基于边界元法的声全息相比较，基于波叠加法的声全息在原理上更易于理解，在计算机上更容易实现.实验结果表明：该种全息技术在重建声场时，具有令人满意的重建精度. 关键词： 声全息 逆问题 波叠加方法 正则化方法     

Extension of planar nearfield acoustic holography for sound source identification in a noisy environment

Planar nearfield acoustic holography (NAH) is extended to identify the sound source in a noisy environment. The extended method requires the knowledge of the pressures on two closely spaced parallel hologram planes and the plane wave reflection coefficient on the target source surface. First, the incoming field coming from the back side of the microphone array and the scattered field due to the incoming wave falling on the target source are correlated through the plane wave reflection coefficient on the target source surface. Then, the mixed field on the hologram plane can be represented by the field that would be radiated by the target source into free space and the incoming field. Finally, the field that would be radiated by the target source into free space can be extracted by using the pressures measured on two hologram planes, which will be further used to accurately identify the sound source via planar NAH. The validity of the proposed method is demonstrated by simulations and experiment, and the influence of the relative strength of the disturbing source to the target source is also investigated.     

Real-time near-field acoustic holography for continuously visualizing nonstationary acoustic fields

Near-field acoustic holography (NAH) is an effective tool for visualizing acoustic sources from pressure measurements made in the near-field of sources using a microphone array. The method involving the Fourier transform and some processing in the frequency-wavenumber domain is suitable for the study of stationary acoustic sources, providing an image of the spatial acoustic field for one frequency. When the behavior of acoustic sources fluctuates in time, NAH may not be used. Unlike time domain holography or transient method, the method proposed in the paper needs no transformation in the frequency domain or any assumption about local stationary properties. It is based on a time formulation of forward sound prediction or backward sound radiation in the time-wavenumber domain. The propagation is described by an analytic impulse response used to define a digital filter. The implementation of one filter in forward propagation and its inverse to recover the acoustic field on the source plane implies by simulations that real-time NAH is viable. Since a numerical filter is used rather than a Fourier transform of the time-signal, the emission on a point of the source may be rebuilt continuously and used for other post-processing applications.     

Direct analysis of dispersive wave fields from near-field pressure measurements

Flexural waves play a significant role for the radiation of sound from plates. The analysis of flexural wave fields enables the detection of sources and transmission paths in plate-like structures. The measurement of these wave fields can be carried out indirectly by means of near-field acoustic holography, which determines the vibrational wave field from pressure information measured in a plane close to the plate under investigation. The reconstruction of the plate vibration is usually obtained by inverting the forward radiation problem, i.e., by inversion of an integral operator. In this article, it is shown that a pressure measurement taken in the extreme near-field of a vibrating plate can directly be used for the approximate analysis of the dispersive flexural wave field. The inversion step of near-field acoustic holography is not necessarily required if such an approximate solution is sufficient. The proposed method enables fast and simple analysis of dispersion characteristics. Application of dispersion compensation to the measured field allows for visualizations of propagating wavefronts, such that sources and scatterers in the plate can be detected. The capabilities of the described approach are demonstrated on several measurements.