一种基于近场声全息的气动噪声源定位方法及系统与流程

本发明属于声源定位领域，具体涉及一种基于近场声全息的气动噪声源定位方法及系统。

背景技术：

飞机、汽车、动车等设备在高速运动过程中，与周围空气介质作用产生了大量气动噪声，逐渐成为这类设备的主要噪声源。研究气动噪声最为简单有效的方法是利用平面传声器阵列来定位和识别噪声分布。通过平面传声器阵列测得声信号后，对测量数据的后处理成为准确定位和识别气动噪声源的关键。根据声场重构过程的不同，目前数据后处理方法主要包括波束形成技术(参见文献：r.p.dougherty.beamforminginacoustictesting[m].berlin:springer,2002.)和近场声全息(nearfieldacousticholography，nah)技术(参见文献：e.g.williams.fourieracoustics[m].newyork:academicpress,1999.)。

波束形成技术由于其适用频率范围宽、定位精度高以及适用于静止和运动声源的特点，已经在气动噪声研究方面得到了大量应用。尽管如此，由于工作原理的局限，波束形成技术得到的声源识别结果中容易在真实声源附近出现旁瓣干扰，较强的旁瓣甚至会掩盖幅值较小的真实声源，造成误判，并且该技术对于较低频声源的分辨能力较弱。

与波束形成技术相比，nah具备一些特殊的优势。首先，nah既可以重建声源的表面声压和法向振速，还可以重建和预测整个三维声场中任意位置处的声压、质点振速、声强和声功率等声学参量；其次，nah的重建图像分辨率较高，甚至可以达到分析波长的几十分之一；最后，nah对于中低频声源的识别和定位效果较好。

然而，由于传统的nah技术是建立在对静止流体介质中声传播的分析基础上，因而不能直接应用于运动流体介质中气动噪声源的识别和定位。kwon等提出了一种改进nah技术，可以适用于任意速度的亚声速流体介质，因而能够满足大多数场景下气动噪声源定位的要求(参见文献：h.s.kwon,y.y.niu,y.j.kim.planarnearfieldacousticalholographyinmovingfluidmediumatsubsonicanduniformvelocity[j]journaloftheacousticalsocietyofamerica,2010,128(4):1823-1832.)。

值得注意的是，kwon等提出的nah技术考虑的是声源和传声器阵列都固定在匀速射流内部的情况。而在实际工作中，一方面为了降低窗效应和卷绕误差对nah重建结果的不利影响，需要尽可能地扩大传声器阵列的尺寸(一般要求传声器阵列面，即全息面尺寸为声源的2倍)，容易导致部分全息面超出射流区域，而对于射流外部的全息面接收到的声信号，就不能简单地直接利用kwon等提出的nah技术来处理；另一方面，即使传声器阵列的尺寸足够小，它的存在还是会影响到射流内部的流动状态，造成一定的扰动，使得匀速射流的条件难以实现。综合两方面因素，将整个全息面安置在射流区域外部成为更加合理的选择。

当声源和全息面分别位于射流的内部和外部时，射流与周围的静止空气间形成剪切层，声波穿过剪切层到达全息面时会发生折射现象。折射会改变声波传播方向和振幅，因此有必要结合剪切层效应对kwon等提出的nah技术进行修正。经典的剪切层修正理论由amiet提出，将剪切层看作无穷薄的涡流层，假设边界两侧的流体介质是均匀分布的，而剪切层对声的折射效应取决于声波辐射角度和气流马赫数(参见文献：r.k.amiet.correctionofopenjetwindtunnelmeasurementsforshearlayerrefraction[c]aiaa,1975:24-26.)。

技术实现要素：

针对波束形成技术、传统nah技术以及kwon等提出的nah技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于改进nah技术的声源定位方法，即声源位于射流内部，传声器阵列置于射流外部，声源面与阵列面平行，将剪切层设为无穷薄的涡流层，并且假设剪切层两侧的流体介质均匀分布。通过分析运动流体介质和剪切层对全息数据的作用，从传播路径和幅值两方面消除剪切层的作用，得到修正后的全息数据，继而利用声源和传声器阵列均位于运动流体介质内部条件下的nah技术来处理修正后的全息数据，最终得到高分辨率的声场重建图像，从而实现了运动流体介质和剪切层共同作用下气动噪声源的快速准确定位。具体技术方案如下：

一种基于近场声全息的气动噪声源定位方法，将传声器阵列设置在射流区域外，包括以下步骤：

(s1)通过传声器阵列采集得到全息面声压数据p；

(s2)从传播路径和幅值两方面消除剪切层的作用，修正全息面声压数据p得到修正后的全息数据

(s3)采用近场声全息方法处理全息数据重建声场数据；

(s4)将重建的声场数据输入显示器，显示声源位置。

优选地，所述步骤(s2)的具体为：

利用amiet提出的剪切层修正方法修正全息面声压的位置，采用dobrzynski提出的声压振幅变化比例式修正声压幅值。

本发明还提供了一种基于近场声全息的气动噪声源定位系统，包括前端分系统、后端分系统和光纤数据传输模块，

所述前端分系统包括传声器阵列、fpga数据采集模块；所述传声器阵列与所述fpga数据采集模块相连，所述fpga数据采集模块与光纤数据传输模块相连；

所述后端分系统包括fpga管理模块、dsp实时数据处理模块、显控模块和实时数据存储模块；所述fpga管理模块分别与dsp实时数据处理模块、显控模块、实时数据存储模块、光纤数据传输模块相连接；

所述光纤数据传输模块用于前端分系统与后端分系统之间传递数据。

为了更好理解本发明技术方案，下面结合原理对本发明的技术方案进行阐述。

基于全息数据的nah计算需要综合考虑运动流体介质和剪切层的共同作用，具体来说，如图2所示，区域i表示开口风洞的射流区域，区域ii表示射流外部的静止气流区域。建立空间直角坐标系，χ,ψ,ζ表示坐标系的三个坐标轴，声源s位于射流内部，风洞喷出的射流在χ方向保持匀速u运动。实线sab表示声线在射流影响下和经过剪切层折射后的实际传播路径，其中sa表示声线在射流作用下的传播路径，在声线和剪切层的交点a处由于折射作用，传播路径进一步偏转至ab方向，最后到达全息面上的传声器b位置。虚线ac表示忽略剪切层的作用时，声线sa保持区域i中的传播方向，在区域ii中传播至与全息面的交点c。虚线sd表示在同时忽略运动气流和剪切层的作用时声线的传播路径。

根据几何关系，可以推导得到：

(h1-h2)cotθ3＝h1cotθ1-h2cotθ2(1)

其中，h1是声源面和剪切层之间的距离，h2是声源面和全息面之间的距离，θ1为声线sa与射流方向的夹角，θ2为sb与射流方向的夹角，θ3为ab与剪切层的夹角。

接着根据对流snell定律，有

其中，θ为声线sb与sd的夹角，u是流体介质运动速度，ci和cii分别是区域i和ii中的声速。在相同介质低马赫数情况下，可以认为运动流体介质中的声速与静止流体介质中的声速c0相等，即ci＝cii＝c0。进一步，由正弦定理得到：

整理公式(2)和(3)得到：

其中，马赫数

通过迭代求解法求解得到θ1和θ3。在声波在传播过程中，还存在两种特殊情况，一方面，当声波沿着χ方向传播并与剪切层平行时，即θ1＝0，声波不会穿过剪切层。略微增大θ1，使声波能够穿过剪切层，则满足下式

θ3min表示ab与剪切层的最小夹角，上式表明折射后的声线分布在一定的范围，理论上在该范围之外传声器接收不到声波。

另一方面，当声波沿着负χ方向传播时，没有声波可以穿过剪切层，则满足下式

θ1max表示声线sa与射流方向的最大夹角。

除了对声波传播路径的影响，剪切层还对声波的幅值产生影响。以声压为例，当声波穿过剪切层时，会产生透射损失，而折射作用使得声线通过剪切层后发生扩散，根据能量守恒定律，单位面积内的声能量降低，导致声场中的声压振幅发生变化。dobrzynski推导出剪切层修正后的声压振幅pc与测量点b处声压振幅pb之比为：

采用nah重建计算过程的相关理论概括为：

其中，全息面位于ζ＝ζh平面，p(χ,ψ,ζr,f)表示重建面ζ＝ζr上频率为f的重建声压，表示空间逆fourier变换，kχ、kψ和kζ分别为波数域内χ方向、ψ方向和ζ方向的波数分量，声压传播算子是的波数域声压谱，即

其中是时间fourier变换，是空间fourier变换，j表示虚数单位，f表示声波频率，t表示时间。

与现有最好技术相比，本发明的优点在于：1.避免了全息面在射流内部时测量面积的不足和对气流的扰动。2.可以得到空间分辨率较高的声场图像，实现气动噪声源的快速准确定位。

附图说明

图1为本发明气动噪声源定位方法流程图；

图2为剪切层折射示意图；

图3为气动噪声源定位系统整体结构示意框图；

图4为不同条件下单点声源辐射的全息面声压和重建结果图；

图5为风洞试验系统整体结构示意图；

图6为不同风速条件下单声源试验重建结果图。

具体实施方式

下面，结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明提供了一种基于近场声全息的气动噪声源定位方法，将传声器阵列设置在射流区域外，包括以下步骤：

(s1)通过传声器阵列采集得到全息面声压数据p；

(s2)在分析运动流体介质和剪切层对p的作用基础上，从传播路径和幅值两方面消除剪切层的作用，修正全息面声压数据p得到修正后的全息数据

(s3)采用声源和传声器阵列均位于运动流体介质内部条件下的近场声全息方法处理全息数据重建声场得到声源的位置。

(s4)通过显示器输出高分辨率的重建结果，实现运动流体介质和剪切层共同作用下气动噪声源的快速准确识别。

如图3为气动噪声源定位系统整体示意框图；首先由前端分系统中的传声器阵列测量声源发出的信号，利用fpga(field－programmablegatearray，fpga)数据采集模块采集声信号后，经过光纤数据传输模块传至后端分系统中的fpga管理模块，交给dsp(digitalsignalprocessing，dsp)实时数据处理模块进行计算，之后将nah计算得到的重建声场数据传送至显控模块进行显示，同时通过实时数据存储模块进行存储；

实验过程中，可以在前端分系统中安装一个摄像头，用于记录声源目标的实时图像，与声场重建结果叠加，便于结果对比。

图4给出了不同条件下，位于中心位置处的单点声源辐射的全息面声压和重建结果。图4(a)中给出了不考虑剪切层作用，即声源和全息面都位于向χ方向运动的流体介质中，单点声源辐射到全息面ζ＝ζh上的声波仅仅发生χ方向的偏移。而图4(b)中考虑了剪切层的作用，即声源位于运动流体介质内部，全息面位于流体外部，因此辐射到全息面上的声波发生了χ方向和负χ方向的偏移，声压振幅也发生了变化，并且部分声波无法穿过剪切层，出现了零声压的“阴影区”。

参考图2，根据传声器b和点c的对应关系，将图4(b)中的全息面声压进一步修正，也就是说，将运动流体介质和剪切层共同作用下的全息面声压p(χ,ψ,ζh,t)，转化为只考虑运动流体介质影响而忽略剪切层作用条件下的结果如图4(c)中所示。值得注意的是，与图4(a)中完全不考虑剪切层作用得到的全息面声压相比，由于部分声波无法穿过剪切层，图4(c)中存在一定的阴影区，修正后的声压仅是图4(a)的局部。

利用修正后的全息面声压，按照kwon等提出的改进nah算法，即声源和传声器阵列均位于运动流体介质内部条件下的nah算法，得到重建面ζ＝ζr上频率为f的声压p(χ,ψ,ζr,f)，如图4(d)所示。可以看出，重建点源的位置与实际位置一致。

如图5所示，风洞试验系统整体结构示意图。实际过程中，前端分系统和后端分系统分别集成为传声器阵列、信号采集装置和数据处理平台。声源中心位置对应全息面的右上角(0.1m,0.1m)位置。图6显示了在不同风速u条件下的声场重建结果，图6(a)为u＝10m/s的声场重建结果图，图6(b)为u＝20m/s的声场重建结果图，图6(c)为u＝30m/s的声场重建结果图。可以看出，不同工况下重建声源中心位置都与实际位置基本吻合。

本发明解决了运动流体介质和剪切层共同作用下气动噪声源的定位问题，且整体操作简便，实时性好，抗干扰能力强，实现了复杂工况下气动噪声源的快速准确定位，能够得到空间分辨率较高的重建声场图像，可以广泛应用于仪器设备的无损检测、工业上噪声与振动控制、军事上探测低空和地面运动目标等领域。