专利名称：采用波叠加法重建循环平稳声源的方法
技术领域：
本发明涉及的是一种信号重建技术领域的方法，特别是一种采用波叠加法重建循环平稳声源的方法。
背景技术：
为了有效地控制噪声，在降噪措施实施以前，必须首先进行噪声源诊断，确定各主要噪声源地位置及其特性。随着现代信号处理技术地发展，谱分析技术，相干和偏相干分析技术、声强分析技术以及声近场全息技术等得到了迅速地发展。
循环平稳信号是一类特殊的非平稳信号，由于自身独特的周期平稳性，使得单次采集到的记录具有周期遍历特性，增加了分析这类非平稳信号方法。循环平稳信号在工程应用中有着十分重要的现实意义，例如旋转机械设备由于对称或近似对称的物理结构和周期性的工作运动模式，其声场有明显的周期时变特征，声信号具有循环平稳特性。
经文献检索发现，Fahnline J.B.和Koopmann Gary H.在《The Journalof the Acoustical Society of America》(90(1991)2808-2819)上撰文“Anumerical solution for the general radiation problem based on the combinedmethods of superposition and singular-value decomposition”(《美国声学学会杂志》基于波叠加和奇异值分解法的广义辐射问题数值解)，该文提出利用波叠加法和奇异值分解技术实现对任意外形声源的辐射声场预测，该方法可以有效地分析噪声源的辐射特性，预测外部声辐射。后来，围绕着该项技术，展开了许多研究，包括应用环境，算法改进，精度提高，测量系统等。类似的文献如毕传兴，陈心昭等撰写的《基于等效源法的近场声全息技术》(中国科学E辑，2005，35(5)535-548)，实现了用全息测量面的声压信号重建声源表面的声场，并可预测外部声场。但是，所有工作都是基于平稳声场进行的，因此，有必要提出新的技术，用于非平稳声场的分析。然而，对于一般的非平稳声场，声信号的统计特性参量是时变的，因而也就无法再用时间平均来代替集合平均，使得数据采集十分困难，很难分析声场的特性。
现有技术文献中的中国专利公开号1487500，名称为“采用近场声全息技术辨识非平稳声源的方法”，该技术对于平面的循环平稳声源进行过分析，但是不能应用于任意外形。在进一步检索中，尚未发现与本发明主题相同或者相类似的文献报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种采用波叠加法重建循环平稳声源的方法，本发明通过循环平稳声源的近场全息重建，由全息测量面上测量到的声压信号辨识出噪声源的特性和三维声场分布，适用于任意外形的循环平稳声源。
本发明通过以下技术方案实现，本发明在复杂循环平稳声源的场合，采用循环平稳理论替代传统的傅立叶变换技术，选择谱相关密度函数作为声源重建的物理量，提出了用于分析循环平稳声源的近场全息技术，首先布置参考传声器，提取参考信号；再布置传声器阵列对全息测量面进行扫描测量，采集全息测量面数据；然后，利用基于波叠加法的循环平稳近场全息技术，重建得到声源的三维分布。
本发明具体包括以下步骤 第一步、设置一个待测声源，待测声源表面为Ss，该待测声源表面可以是任意形状，待测声源的体积为V，全息测量面Sh与待测声源表面Ss为共形，但为测量方便也可以是Ss附近的一个任意面。
第二步、布置传声器阵列，在全息测量面Sh上采用线形均布方式设置传声器阵列，以便采集待测声源的高频信息；另外在声源附近布置一个相对于声源位置固定不变的参考源传声器用以采集参考信号；传声器阵列所含传声器总数为L。
第三步、同步记录参考源传声器和传声器列阵采集到的参考信号和全息测点声压，并用空间定位仪确定传声器列阵中每个传声器的空间位置，一并存储在存储设备中。
第四步、从参考信号中获取参考相位，利用参考信号与全息测点声压之间的相位关系，可以得到传声器阵列所采集到的全息测点声压的相对相位关系。具体如下 首先分析全息测点声压和参考信号，计算参考信号的谱相关密度函数Srrα(f)， 其中f为声源特性的频率，α为循环频率，下标r代表参考信号，rr代表参考信号的谱相关密度函数，即自谱相关密度函数； 然后计算出参考信号和全息测点声压的互谱相关密度向量 (Srpα(rh，f))L×1及(Sprα(rh，f))L×1， 其中rh表示传声器阵列上各个传声器的空间位置，L为传声器阵列所含传声器总数，下标r代表参考信号，下标p代表全息测量信号，rp代表参考信号谱分量(f+α/2)与全息测点声压谱分量(f-α/2)的互谱相关密度函数，pr代表全息测点声压谱分量(f+α/2)与参考信号谱分量(f-α/2)的互谱相关密度函数； 结合参考信号的谱相关密度函数Srrα(f)，获得全息测点声压的自谱相关密度向量 (Sppα(rh，f))L×1， 其中下标pp代表全息测点声压的谱相关密度函数； (Sppα(rh，f))L×1通过以下式(1)得到 其中“·”表示向量的点乘，该公式反映了参考信号和全息测点声压的时域相位关系，用于进行相位同步。
第五步、由波叠加法重建计算获得待测声源信号的自谱相关密度向量。
设定待测声源表面离散成N个节点，这些节点在待测声源的内部对应分布N个虚源，待测声源信号和全息测点声压均由这N个虚源叠加产生，叠加后的待测声源信号的自谱相关密度向量为(Sppα(rs，f))N×1， 其中N为待测声源内部所含有的虚源个数，rs表示待测声源表面的N个节点各自的空间位置； 设定参考信号和待测声源信号的互谱相关密度向量为 (Srpα(rs，f))N×1及(Sprα(rs，f))N×1， 由于传声器列阵上各个全息测点声压的空间相位关系的损失，Sppα(rs，f)无法直接由Sppα(rh，f)重建，但是，Srpα(rh，f)和Sprα(rh，f)仍然保留着与Srpα(rs，f)和Sprα(rs，f)之间的空间相位关系，可以通过以下步骤用于重建 设定r(f)是参考信号的频谱分量，p(f)为全息测点声压的频谱分量，q(f)是虚源强度的频谱分量，则 Srpα(rh，f)为r(f+α/2)和p*(f-α/2)的函数； Sprα(rh，f)为p(f+α/2)和r*(f-α/2)的函数； 其中Srpα(rh，f)及Sprα(rh，f)为参考信号和全息测点声压的互谱相关密度向量； Qrqα(r0，f)为r(f+α/2)和q*(f-α/2)的函数； Qqrα(r0，f)为q(f+α/2)和r*(f-α/2)的函数； 其中上标*为共轭转置，Qrqα(r0，f)及Qqrα(r0，f)为虚源强度谱分量和参考信号谱分量的互谱相关密度，r0是虚源的坐标，下标q代表虚源强度谱分量，Srpα(rs，f)应该由Srpα(rh，f)在频率(α/2-f)上重建得到，而Sprα(rs，f)应该由Sprα(rh，f)在频率(f+α/2)上重建得到。
因此，可以得到以互谱相关密度作为变量的波叠加积分公式(2)-(3) 其中G(rh，r0，f-α/2)和G(rh，r0，f+α/2)表示Green函数，ρ表示介质密度，Qrqα(r0，f)及Qqrα(r0，f)为虚源强度谱分量和参考信号谱分量的互谱相关密度，V(r0)表示虚源所占的体积微元。
利用波叠加法，假设声场可用分布在声源内部的N个离散的虚源产生的声场叠加得到，这样就可以将方程(2)和(3)离散为矩阵形式 式中Mprα和Mrpα是全息测量面Sh到待测声源表面Ss的传递矩阵。
根据测量得到的互谱相关密度向量Sprα(rh，f)和Srpα(rh，f)对方程(4)和(5)求逆，得到Qqrα(r0，f)和Qrqα(r0，f)，然后就可以用(4)和(5)重建待测声源表面Ss的互谱相关密度分布Sprα(rs，f)和Srpα(rs，f)。计算得到参考信号和全息测点声压的互谱相关密度向量Srpα(rs，f)及Sprα(rs，f)之后，利用式(1)，就可以得到待测声源表面Ss上的谱相关密度分布。
本发明利用循环平稳声源的独特的周期性，在循环平稳理论和平稳声源的近场全息技术的基础上，提出了循环平稳近场声全息技术，通过对用传声器阵列采集得到的全息测量面上声源信号的重建，可以分析任意外形的声源，得到声源的三维谱相关密度分布。与传统的采用近场声全息技术辨识声源的方法相比较，本发明能够适用于循环平稳声源，同时突破了对声源外形的要求。
具体实施例方式 以下对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例 1、采用一个扬声器发声形成一个循环平稳声源，在扬声器附近布置一个传声器，用于提取参考信号，所述扬声器的激励源为 V＝Acos(2πf1t)*noise(t)， 其中A＝1，f1＝300，noise为带通有色噪声。
2、首先将20个传声器布置成线形传声器列阵，依次在全息测量面上进行扫描采集全息测点声压，最终形成20×20的全息测量面阵列；同时利用参考源传声器采集参考信号；每次同步采集全部20个传声器通道的声源信号以及参考信号并记录传声器的空间位置，同时存储在计算机中。
3、通过回放采集到的全息测点声压和参考信号，选取能够反映声源特性的频率f＝120Hz和循环频率α＝600Hz。
4、计算出所选择的频率f与循环频率α上的参考信号自谱相关密度向量Srrα(f)，参考信号和全息测点声压的互谱相关密度向量Srpα(rh，f)及Sprα(rh，f)，并利用公式(1)获得全息测点声压的自谱相关密度向量Sppα(rh，f)。
5、利用循环平稳声场的近场声全息重建公式(4)和(5)对待测声源信号进行声场重建，进而得到待测声源表面Ss上待测声源信号的谱相关密度分布Sppα(rs，f)。
经过分析可以发现，利用本实施例所述步骤分析循环平稳声场，不仅可以如平稳近场声全息技术那样由全息面上声信号经过重建得到整个三维声场的平稳分量信息，而且，还可以由全息面上声信号经过重建得到整个三维声场的非平稳分量信息，从而全面地分析整个循环平稳声场的特征。
权利要求
1、一种采用波叠加法重建平稳声源的方法，其特征在于，包括以下步骤
第一步、设置一个待测声源，该待测声源的体积为V，待测声源表面为Ss，全息测量面为Sh，全息测量面Sh是待测声源表面Ss附近的一个任意面；
第二步、布置传声器阵列，在声源附近布置一个相对于声源位置固定不变的参考源传声器用以采集参考信号；
第三步、同步记录参考源传声器和传声器列阵采集到的参考信号和全息测点声压，并用空间定位仪确定传声器列阵中每个传声器的空间位置，一并存储在存储设备中；
第四步、从参考信号中获取参考相位，利用参考信号与全息测点声压之间的相位关系，得到传声器阵列所采集到的全息测点声压的相对相位关系；
第五步、由波叠加法重建计算获得待测声源信号的自谱相关密度向量。
2、根据权利要求1所述的采用波叠加法重建平稳声源的方法，其特征是，第二步中所述的布置传声器阵列，是在全息测量面Sh上采用线形均布方式设置传声器阵列。
3、根据权利要求1所述的采用波叠加法重建平稳声源的方法，其特征是，第四步中所述的全息测点声压的相对相位关系，具体包括
首先分析全息测点声压和参考信号，计算参考信号的谱相关密度函数
Srrα(f)，
其中f为声源特性的频率，α为循环频率，下标r代表参考信号，rr代表参考信号的谱相关密度函数，即自谱相关密度函数；
然后计算出参考信号和全息测点声压的互谱相关密度向量
(Srpα(rh，f))L×1及(Sprα(rh，f))L×1，
其中rh表示传声器阵列上各个传声器的空间位置，L为传声器阵列所含传声器总数，下标r代表参考信号，下标p代表全息测量信号，rp代表参考信号谱分量(f+α/2)与全息测点声压谱分量(f-α/2)的互谱相关密度函数，pr代表全息测点声压谱分量(f+α/2)与参考信号谱分量(f-α/2)的互谱相关密度函数；
结合参考信号的谱相关密度函数Srrα(f)，获得全息测点声压的自谱相关密度向量
(Sppα(rh，f))L×1，
其中下标pp代表全息测点声压的谱相关密度函数；
最后得到
其中“·”表示表示向量的点乘。
4、根据权利要求1所述的采用波叠加法重建平稳声源的方法，其特征是，第五步中所述的重建计算，具体包括
①设定待测声源所产生的待测声源信号为N个位于待测声源内部的虚源叠加产生，叠加后的待测声源信号的自谱相关密度向量为
(Sppα(rs，f))N×1，
其中N为待测声源内部所含有的虚源个数，rs表示虚源的空间位置；
②设定参考信号和待测声源信号的互谱相关密度向量为
(Srpα(rs，f))N×1及(Sprα(rs，f))N×1，
③设定r(f)是参考信号的频谱分量，p(f)为全息测点声压的频谱分量，q(f)是虚源强度的频谱分量，则
Srpα(rh，f)为r(f+α/2)和p*(f-α/2)的函数；
Sprα(rh，f)为p(f+α/2)和r*(f-α/2)的函数；
其中Srpα(rh，f)及Sprα(rh，f)为参考信号和全息测点声压的互谱相关密度向量；
Qrqα(r0，f)为r(f+α/2)和q*(f-α/2)的函数；
Qqrα(r0，f)为q(f+α/2)和r*(f-α/2)的函数；
其中上标*为共轭转置，Qrqα(r0，f)及Qqrα(r0，f)为虚源强度谱分量和参考信号谱分量的互谱相关密度，r0是虚源的坐标，Srpα(rs，f)应该由Srpα(rh，f)在频率(α/2-f)上重建得到，而Sprα(rs，f)应该由Sprα(rh，f)在频率(f+α/2)上重建得到；
④得到以互谱相关密度作为变量的波叠加积分公式(2)-(3)
其中G(rh，r0，f-α/2)和G(rh，r0，f+α/2)表示Green函数，ρ表示介质密度，Qrqα(r0，f)及Qqrα(r0，f)为虚源强度谱分量和参考信号谱分量的互谱相关密度，V(r0)表示虚源所占的体积微元；
⑤利用波叠加法，假设声场可用分布在声源内部的N个离散的虚源产生的声场叠加得到，这样就可以将方程(2)和(3)离散为矩阵形式
式中Mprα和Mrpα是全息测量面Sh到待测声源表面Ss的传递矩阵；
根据测量得到的互谱相关密度向量Sprα(rh，f)和Srpα(rh，f)对方程(4)和(5)求逆，得到Qqrα(r0，f)和Qrqα(r0，f)，然后就可以用(4)和(5)重建待测声源表面Ss的互谱相关密度分布Sprα(rs，f)和Srpα(rs，f)；在得到互谱相关密度向量Srpα(rs，f)及Sprα(rs，f)之后，利用全息测点声压的相对相位关系，就可以得到待测声源表面Ss上的谱相关密度分布。
全文摘要
本发明涉及的是一种信号重建技术领域的采用波叠加法重建循环平稳声源的方法。本发明通过设置待测声源、传声器阵列和参考源传声器，同步记录采集到的参考信号和全息测点声压，通过从参考信号中获取参考相位，利用参考信号与全息测点声压之间的相位关系，得到传声器阵列所采集到的全息测点声压的相对相位关系最终由波叠加法重建计算获得待测声源信号的自谱相关密度向量。本发明通过对用传声器阵列采集得到的全息测量面上声源信号的重建，可以分析任意外形的声源，得到声源的三维谱相关密度分布，与现有技术相比本发明能够适用于循环平稳声源，同时突破了对声源外形的要求。
文档编号G01H17/00GK101251414SQ20081003614
公开日2008年8月27日 申请日期2008年4月17日 优先权日2008年4月17日
发明者蒋伟康, 张海滨, 泉 万 申请人:上海交通大学