一種用于檢測(cè)多頻多源復(fù)雜穩(wěn)定聲場(chǎng)聲壓的新方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種檢測(cè)穩(wěn)定聲場(chǎng)聲壓的新方法，特別是一種用于檢測(cè)多頻多源復(fù)雜 穩(wěn)定聲場(chǎng)聲壓的新方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近場(chǎng)聲全息技術(shù)是近年來聲學(xué)研究的前沿，通過近場(chǎng)聲全息技術(shù)(NAH)，可以較精 確地進(jìn)行聲源識(shí)別和定位，運(yùn)用這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)聲場(chǎng)重建與可視化，因此，NAH技術(shù) 的研究對(duì)于抑制噪聲污染具有非常重大的意義，NAH技術(shù)是根據(jù)亥姆霍茲方程
，推導(dǎo)出重構(gòu)平面上的復(fù)聲壓信號(hào)分布與全息面上的聲壓關(guān) m 系，E
其中p(XH，yH，zH)為全息面上復(fù)聲壓信號(hào)，p(x，y，z)為重構(gòu)平面上的復(fù)聲壓信號(hào)， 為離散的格林函數(shù)，所以只要知道全息面上的復(fù)聲壓信號(hào)，就可以求出重構(gòu) 平面上的復(fù)聲壓信號(hào)，所以NAH技術(shù)的一個(gè)主要關(guān)鍵點(diǎn)是如何獲得全息面上的復(fù)聲壓信號(hào)
?為該點(diǎn)的幅值，為該點(diǎn)的相位，但是準(zhǔn)確檢測(cè)出這個(gè)復(fù)聲壓信 號(hào)是比較難的，特別是在多頻多源聲場(chǎng)，同時(shí)信噪比比較低的情況下，更難，現(xiàn)有的檢測(cè)方 法沒有辦法解決，如快速傅里葉法，如信號(hào)中混有較大的背景隨機(jī)噪聲時(shí)，快速傅里葉法求 出的誤差比較大，即使經(jīng)過濾波后再用快速傅里葉法，求得的復(fù)聲壓信號(hào)仍然有很大的誤 差，特別是復(fù)聲壓信號(hào)中的相位，信號(hào)經(jīng)過多次變換，最后所求得的相位，根本不能代表測(cè) 點(diǎn)的真實(shí)相位，自譜加互譜法只能對(duì)單頻信號(hào)適用，對(duì)于多頻信號(hào)，這個(gè)方法在理論上是不 能實(shí)現(xiàn)的，為了克服以上檢測(cè)方法缺點(diǎn)，需要發(fā)明一種新的復(fù)聲壓信號(hào)檢測(cè)方法，特別是一 種用于檢測(cè)多頻多源復(fù)雜穩(wěn)定聲場(chǎng)聲壓的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種用于檢測(cè)多頻多源復(fù)雜穩(wěn)定聲場(chǎng)聲壓的方法，即使聲場(chǎng) 為多頻多源且信噪比較低的情況下，該方法仍然能精確檢測(cè)出聲場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的復(fù)聲壓信號(hào)。
[0004] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)以上目的采用了以下方案:一種用于檢測(cè)多頻多源復(fù)雜穩(wěn)定聲場(chǎng)聲 壓的新方法，所述的多頻多源復(fù)雜穩(wěn)定聲場(chǎng)是指該聲場(chǎng)環(huán)境下同時(shí)有Ν個(gè)聲源在做聲輻 射，每一個(gè)聲源的輻射頻率不一樣，或者是指單一聲源在做聲輻射，但是該聲源的激勵(lì)信號(hào) 不是單頻簡(jiǎn)諧信號(hào)，而是一個(gè)含有Ν個(gè)頻率分量的復(fù)合信號(hào)，同時(shí)該測(cè)試環(huán)境中有較強(qiáng)背景 隨機(jī)噪聲，信噪比較低，從而傳感器接收到的信號(hào)應(yīng)為
其中
為聲源輻射信號(hào)，式中k為波數(shù)即波傳播方向，r為傳播的距離，9 mSs中 每個(gè)頻率分量福射聲波的原始初相位，i9m =-Ar +見為每個(gè)頻率分量福射聲波在測(cè)點(diǎn)的 相位，noise為背景隨機(jī)噪聲信號(hào)，該聲場(chǎng)環(huán)境下聲壓檢測(cè)方法包括以下步驟：
[0005] (1)利用自適應(yīng)算法求出背景隨機(jī)噪聲noise的估計(jì)值；
[0006] (2)以noise作為參考輸入，再次利用自適應(yīng)算法求出聲源輻射信號(hào)
[0007]
m-\
[0008] (3)對(duì)聲源輻射信-
1進(jìn)行頻譜分析，同時(shí)對(duì)頻譜進(jìn)行校正，得出 聲源輻射信*
的N個(gè)頻率分量信號(hào)的頻率與幅值，然后利用信號(hào)互譜、信 號(hào)正交，以及信號(hào)能量不變?cè)瓌t，得出
中各個(gè)頻率分量聲波的相位，這樣 就得到聲源輻射信號(hào)的幅值A(chǔ)m、頻率^與相位久，從而得出聲場(chǎng)中檢測(cè)點(diǎn)的聲壓。
[0009] 本發(fā)明進(jìn)一步技術(shù)案為:所述的利用自適應(yīng)算法求出背景隨機(jī)噪聲noise的估計(jì) 值方法為:在測(cè)試聲源福射信號(hào)s之前，首先在聲場(chǎng)中利用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)聲波產(chǎn)生器產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)
準(zhǔn)聲波，該聲波為點(diǎn)聲源，聲源的激勵(lì)信號(hào)為簡(jiǎn)諧單頻信號(hào)M =這個(gè)信號(hào)是人為 給定的，其中的幅值為Ab，頻率為wb，原始初相位為0，在μ ==為與noise共同作用下， 從傳感器（圖中沒有畫出）輸出的信號(hào)為y，即y = u+noise，然后把y做為源信號(hào)輸入， μ = Λ 乂~_?Γ)作為參考輸入信號(hào)，y，u信號(hào)離散化后的信號(hào)分別為y(n)，u(n)，其中η為1到 2k，2k為采樣點(diǎn)數(shù)，然根據(jù)自適應(yīng)算法公式：
[0010]
[0011]
[0012] 得出的誤差信號(hào)e(n)就是背景隨機(jī)噪聲信號(hào)離散化信號(hào)n〇iSe(n)的大致估計(jì)值， 由于背景及檢測(cè)工具完全相同，這個(gè)背景隨機(jī)噪聲信號(hào)離散值noise(n)就可以作為下一步 聲源輻射信號(hào)s實(shí)測(cè)時(shí)的背景隨機(jī)噪聲模型，公式中的Βτ(η)，λ(η)為自適應(yīng)算法的權(quán)值信號(hào) 與步長信號(hào)。
[0013] 本發(fā)明更進(jìn)一步技術(shù)案為：以noise作為參考輸入，再次利用自適應(yīng)算法求出聲源 輻射信號(hào)
去為:再一次利用自適應(yīng)算法，這一次自適算法中源輸入信 msl 號(hào)即傳感器輸出信號(hào)為
玄個(gè)信號(hào)的離散化值為X (η )，參考輸入 信號(hào)為前面求出的背景隨機(jī)噪聲離散值noise(n)，其中η為1到2k，2k為采樣點(diǎn)數(shù)，根據(jù)自適 算法公式即
[0014]
[0015]
[0016] 最后得出的誤差信號(hào)即為聲源輻射信，1的離散值S(n)，S(n) m=*i
變成一個(gè)較為干凈的信號(hào)，公式中的〃 (《)，λ(η)為自適應(yīng)算法的權(quán)值信號(hào)與步長信號(hào)。
[0017] 本發(fā)明進(jìn)更一步技術(shù)案為:對(duì)聲源輻射信，
?行頻譜分析，同 時(shí)對(duì)頻譜進(jìn)行校正，得出聲源輻射信號(hào)
的N個(gè)頻率分量信號(hào)的頻率與幅 值，然后利用信號(hào)互譜、信號(hào)正交，信號(hào)能量不變?cè)瓌t，得出
；中各個(gè)頻率 分量聲波的相位，這樣就得到聲源輻射信號(hào)的幅值A(chǔ)m、頻率^與相位久，從而得出聲場(chǎng)中檢 測(cè)點(diǎn)的聲壓步驟為：
[0018] (1)：
[0019]對(duì)聲場(chǎng)中的測(cè)點(diǎn)采樣p次，每次采樣2k個(gè)點(diǎn)，利用前面講述方法求出p組中每一組 數(shù)據(jù)中S信號(hào)的離散值，即求出81(11). . . .sP(n)，每一組都是2k個(gè)數(shù)據(jù)值，即η為1到2k;
[0020] (2)：
[0021] 對(duì)上面的81(1〇進(jìn)行快速傅里葉變換，即hl = fft(S1(n))，然后找出頻域數(shù)據(jù)中波 峰所對(duì)應(yīng)的頻率與幅值大致估計(jì)值，然后利用能量重心法對(duì)頻譜進(jìn)行校正，即找到聲源輻 射信號(hào)
中每一個(gè)頻率分量輻射聲波所對(duì)應(yīng)的頻率與幅值：
[0022] (3)：
[0023]求每一個(gè)分量的相位= -/^ +義方法為：
[0024] 利用求得N個(gè)頻率(m從1到N)和N個(gè)幅值A(chǔ)m(m從到1到N)，得出N個(gè)單頻信號(hào)，即 心=4^^^，其中m取值為1到N，然后把這N個(gè)信號(hào)分別與
互譜，根據(jù)信 號(hào)互譜、信號(hào)正交、以及能量不變的原理就可以求ti
(m取值為1到N)，其 4
(口果這P組是在相同環(huán)境下測(cè)量P次，則P次平均相位為
，如果一次測(cè)量中采集P組數(shù)據(jù)，則P次平均相位為
^ 其中At為p組數(shù)據(jù)中相鄰組數(shù)據(jù)采集間隔，就可以得到
和每個(gè)頻率分 /M=l 量輻射聲波在檢測(cè)點(diǎn)相位凡，通過上述提供方案就可以精確求tt
中每 一個(gè)頻率分量輻射聲波的幅值六"、頻率wm、相位久。從而就可以精確得出測(cè)點(diǎn)的復(fù)聲壓信 號(hào)。
[0025] 由于采用上述方法，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0026] (1)可以檢測(cè)出多頻多源復(fù)雜穩(wěn)定聲場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的聲壓
[0027] 本發(fā)明一種用于檢測(cè)多頻多源復(fù)雜穩(wěn)定聲場(chǎng)聲壓的新方法，由于檢測(cè)方法采用自 適應(yīng)及信號(hào)互譜、信號(hào)正交和能量不變的原則，所以對(duì)信號(hào)的模型沒有太多要求，不管是單 頻、單源，還是多頻、多源，都能很好地檢測(cè)出測(cè)點(diǎn)的復(fù)聲壓，很好克服了過去一些檢測(cè)方 法的不足，而且有很好的精度。
[0028] (2)可以克服與排除大噪聲對(duì)聲壓輻射信號(hào)的干擾
[0029] 本發(fā)明一種適用于檢測(cè)多頻多源復(fù)雜穩(wěn)定聲場(chǎng)聲壓的新方法，由于事先得出了背 景隨機(jī)噪聲模型，同時(shí)在信號(hào)實(shí)測(cè)中采用了自適應(yīng)算法，可以很好地把背景隨機(jī)噪聲從信 號(hào)中剝離，最后得到一個(gè)較為干凈的信號(hào)，同時(shí)利用了信號(hào)互譜、信號(hào)正交，及能量不變的 原則，可以更好地可以把信號(hào)進(jìn)行分解，能求出信號(hào)中每一個(gè)分量的頻率、幅值、相位，同時(shí) 采用能量不變的原則，克服了在信號(hào)變換過程中對(duì)相位的影響，從而使測(cè)量結(jié)果有很高的 精度，另外，信號(hào)互譜處理還可以進(jìn)一步抑制背景噪聲的影響，從而在信噪比很低的情況下 也能使用，克服了以住檢測(cè)方法，在大背景隨機(jī)噪聲情況下，誤差非常大的不足，這對(duì)大噪 聲環(huán)境下聲場(chǎng)聲壓的測(cè)試有很大的意義。
[0030] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明一種用于檢測(cè)多頻多源復(fù)雜穩(wěn)定聲場(chǎng)聲壓的新 方法作進(jìn)一步說明。
【附圖說明】
[0031 ]圖1是多源多頻復(fù)雜穩(wěn)定聲場(chǎng)聲壓檢測(cè)方法的總體步驟流程圖；
[0032]圖2求背景噪聲noise方法流程圖；
[0033]圖3求聲源輻射信號(hào)s方法流程圖；
[0034]圖4求聲源輻射信號(hào)s各個(gè)頻率分量的幅值，頻率，相位方法流程圖；
[0035]圖5自適應(yīng)算法的示意圖；
[0036] 圖6具體算例聲源輻射信號(hào)s波形圖；
[0037] 圖7具體算例聲源輻射信號(hào)s加背景隨機(jī)噪聲noise的波形圖；
[0038] 圖8具體算例聲源輻射信號(hào)s的頻譜圖；
[0039]圖9利用本發(fā)明求得的具體算例背景隨機(jī)噪聲noise波形圖；
[0040]圖10利用本發(fā)明求得的具體算例聲源輻射信號(hào)s波形圖；
[0041]圖11利用本發(fā)明求得的具體算例聲源輻射信號(hào)s頻譜圖；
[0042] 圖12利用本發(fā)明求得的具體算例聲源輻射信號(hào)s相位與實(shí)際本來相位比較表。
【具體實(shí)施方式】
[0043] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和相應(yīng)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)更加清晰明白，下面結(jié)合具體實(shí)例， 并根據(jù)參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更一步的詳細(xì)說明。
[0044] 結(jié)合圖1-圖5說明一種用于檢測(cè)多頻多源復(fù)雜穩(wěn)定聲場(chǎng)聲壓的新方法的具體實(shí)施 方式，該檢測(cè)方法適用的范圍較廣，所述的多頻多源復(fù)雜穩(wěn)定聲場(chǎng)是指該聲場(chǎng)環(huán)境下同時(shí) 有N個(gè)聲源在做聲福射，每一個(gè)聲源的福射頻率不一樣，或者是指單一聲源在做聲福射，但 是該聲源的激勵(lì)信號(hào)不是單頻簡(jiǎn)諧信號(hào)，而是一個(gè)含有N個(gè)頻率分量的復(fù)合信號(hào)，同時(shí)該測(cè) 試環(huán)境中有較強(qiáng)背景隨機(jī)噪聲，信噪比較低，信噪比達(dá)到（1:1)甚至達(dá)到（1:2)(其中信噪比 的定義為
從而傳感器（圖中沒有畫出）輸出的信號(hào)為
為聲源輻射信號(hào)，式中k為波數(shù)即波傳 播方向，r為傳播的距離，0m*s中每個(gè)頻率分量輻射聲波的原始初相位，
為 每個(gè)頻率分量輻射聲波在測(cè)點(diǎn)的相位，noise為背景隨機(jī)噪聲信號(hào)，圖1是本發(fā)明一種用于 檢測(cè)多頻多源復(fù)雜穩(wěn)定聲場(chǎng)聲壓的新方法主流程圖，該方法包括以下步驟：
[0045] 101:利用自適應(yīng)算法求出背景隨機(jī)噪聲noise的估計(jì)值；
[0046] 102:以noise作為參考輸入，再次利用自適應(yīng)算法求出聲源輻射信號(hào)
[0047]
；
[0048] 103:對(duì)聲源輻射信，_
U進(jìn)行頻譜分析，同時(shí)對(duì)頻譜進(jìn)行校正，得 出聲源輻射信-