一种分离静止声源辐射声场与旋转声源辐射声场的方法与流程

本发明涉及物理专业中噪声类领域声场分离方法，更具体地说是一种用于当不同辐射特性的声源存在时，解决如何从混合声场中分离出目标声源辐射声场问题的方法。
背景技术：
：在实际工程中，静止声源和旋转声源常常会同时存在，例如航空发动机涵道内的定子(静止声源)和转子(旋转声源)、风力涡轮机的发电机(静止声源)和旋转叶片(旋转声源)等，这使得测量的声场中既包含了静止声源辐射的声场，也包含了旋转声源辐射的声场。为了独立地研究静止声源的辐射特性和旋转声源的辐射特性，需要采用一定的声场分离方法将静止声源辐射的声场和旋转声源辐射的声场分离开来。到目前为止，国内外学者已提出多种声场分离方法，这些方法包括基于空间傅里叶变换法(SFT)的声场分离方法、基于统计最优近场声全息(SONAH)的声场分离方法、基于球面波叠加法(SWSM)的声场分离方法、基于边界元法(BEM)的声场分离方法和基于等效源法(ESM)的声场分离方法。但这些声场分离方法只能用于多个静止声源辐射声场的分离。为实现静止声源辐射声场与旋转声源辐射声场的分离，2006年，C.R.Lowis和P.Joseph提出了聚焦波束形成方法分离航空发动机涵道内定子和转子各自辐射的声场；2015年，P.X.Mo和W.K.Jiang提出了复合解卷方法分离单频静止声源和旋转声源各自辐射的声场。但是，上述两种静止声源辐射声场与旋转声源辐射声场分离方法都是在频域内对单一谐波稳态声场进行分离，若要实现时变非稳态声场的分离，上述两种声场分离方法将不再适用。技术实现要素：本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种分离静止声源辐射声场与旋转声源辐射声场的时域方法，以期能够实现任意线性声场：包括稳态声场和非稳态声场的分离。本发明为解决技术问题采用的技术方案是：本发明分离静止声源辐射声场和旋转声源辐射声场的方法的特点是按如下步骤进行：步骤1、在由静止声源Ss和旋转声源Sr共同辐射的混合声场中设置测量面H，在测量面H上均匀分布M个测量点Cm，将M个传声器一一对应地放置在所述M个测量点处进行测量，获得接收时刻ti各测量点处的全息声压一一对应为将接收时刻ti所有M个测量点处的全息声压Pi表征为：i为正整数，T表示矩阵的转置；步骤2、在包络静止声源Ss和旋转声源Sr的声源面S内分布Ns个静止等效源Esns和Nr个旋转等效源Ernr，且使Nr个旋转等效源的旋转频率与旋转声源Sr的旋转频率保持一致；所述静止等效源的个数Ns与所述旋转等效源的个数Nr之和不小于2、且不大于测量点个数M；所述Ns个静止等效源在发射时刻τj的静止等效源强度一一对应为将所有Ns个静止等效源在发射时刻τj的静止等效源强度Qsj表征为：j为正整数；所述Nr个旋转等效源在发射时刻τj的旋转等效源强度一一对应为将所有Nr个旋转等效源在发射时刻τj的旋转等效源强度Qrj表征为：Qrj=qr1jqr2j...qrNrjT,]]>由静止等效源强度Qsj与旋转等效源强度Qrj组成的混合等效源强度Qj为：Qj=qs1jqs2j...qsNsjqr1jqr2j...qrNrjT;]]>步骤3、根据静止等效源和旋转等效源的声辐射规律，建立发射时刻τj的混合等效源强度Qj与接收时刻ti的全息声压Pi之间的传递关系；步骤4、已知接收时刻ti的全息声压Pi，根据混合等效源强度Qj与全息声压Pi之间的传递关系获得发射时刻τj的混合等效源强度Qj；步骤5、根据静止等效源强度Qsj与旋转等效源强度Qrj互不相干的特性，将静止等效源强度Qsj和旋转等效源强度Qrj从步骤4中获得的混合等效源强度Qj中分离开来；步骤6、利用步骤5中分离出的静止等效源强度Qsj计算获得静止声源Ss辐射的声场Psi，利用步骤5中分离出的旋转等效源强度Qrj计算获得旋转声源Sr辐射的声场Pri，实现静止声源Ss辐射声场Psi和旋转声源Sr辐射声场Pri的分离。本发明分离静止声源辐射声场和旋转声源辐射声场的方法的特点也在于：所述发射时刻τj的混合等效源强度Qj与接收时刻ti的全息声压Pi之间的传递关系如式(1)：Pi=Σj=1iΨijQj,---(1)]]>式(1)中：Ψij=ψs11ij...ψs1nsij...ψs1Nsijψr11ij...ψr1nrij...ψr1Nrij·······...·...··...·...·······ψsm1ij...ψsmnsij...ψsmNsijψrm1ij...ψrmnrij...ψrmNrij·······...·...··...·...·······ψsM1ij...ψsMnsij...ψsMNsijψrM1ij...ψrMnrij...ψrMNrij,---(2)]]>式(2)中：ns为不大于Ns的正整数，nr为不大于Nr的正整数，表示ti时刻第m个测量点处的声压与τj时刻第ns个静止等效源强度之间的传递函数，其表达式为：ψsmnsij=φj(τmnsi)gsmns,---(3)]]>表示ti时刻第m个测量点处的声压与τj时刻第nr个旋转等效源强度之间的传递函数，其表达式为：ψrmnrij=φj(τmnri)grmnr(τmnri),---(4)]]>式(3)中：其中Rsmns为第m个测量点与第ns个静止等效源之间的距离，c为声音传播速度，ti＝t1+(i-1)Δt，且t1为初始接收时间，Δt为接收时间步长，φj(τ)为Lagrange线性插值函数，φj(τ)的表达式为其中τj＝τ1+(j-1)Δτ，Δτ为发射时间步长，τ1为初始发射时间，τ1＝t1-Rmin/c，Rmin为所有Rmns和中的最小值，gsmns表示第m个测量点与第ns个静止等效源之间的传递函数，gsmns的表达式为gsmns=14πRsmns,]]>式(4)中：为时刻第m个测量点第nr个旋转等效源之间的距离，表示时刻第m个测量点与第nr个旋转等效源之间的传递函数，的表达式为：grmnr(τmnri)=14πRrmnr(τmnri);]]>本发明分离静止声源辐射声场和旋转声源辐射声场的方法的特点也在于：所述根据混合等效源强度Qj与全息声压Pi之间的传递关系获得的发射时刻τj的混合等效源强度Qj如式(5)：Qj=(Ψjj)+(Pj-Σk=1j-1ΨjkQk),---(5)]]>在式(5)中，+表示矩阵的广义逆，k为不大于j-1的正整数。本发明分离静止声源辐射声场和旋转声源辐射声场的方法的特点也在于：所述利用步骤5中分离出的静止等效源强度Qsj计算获得静止声源Ss辐射的声场如式(6)：Psi=Σj=1iΨsijQsj,---(6)]]>式(6)中：Psi=ps1i...psmi...psMiT,]]>Ψsij=ψs11ij...ψs1nsij...ψs1Nsij····...·...····ψsm1ij...ψsmnsij...ψsmNsij····...·...····ψsM1ij...ψsMnsij...ψsMNsij,]]>为静止声源在ti时刻第m个测量点处辐射的声压；所述利用步骤5中分离出的旋转等效源强度Qrj计算获得旋转声源Sr辐射的声场Pri如式(7)：Pri=Σj=1iΨrijQrj,---(7)]]>式(7)中，Pri=pr1i...prmi...prMiT,]]>Ψrij=ψr11ij...ψr1nrij...ψr1Nrij····...·...····ψrm1ij...ψrmnrij...ψrmNrij····...·...····ψrM1ij...ψrMnrij...ψrMNrij,]]>为旋转声源在ti时刻第m个测量点处辐射的声压。本发明静止声源辐射声场和旋转声源辐射声场分离方法的特点也在于：所述旋转声源的最大切向速度大于零且小于声速。本发明静止声源辐射声场和旋转声源辐射声场分离方法的特点也在于：所述静止等效源采用静止单极子，所述旋转等效源采用旋转单极子。本发明静止声源辐射声场和旋转声源辐射声场分离方法的特点也在于：所述静止声源辐射声场和旋转声源辐射声场为任意线性声场：包括稳态声场和非稳态声场。与已有技术相比，本发明有益效果体现在：1、本发明方法直接在时域内实施声场分离，可实现由静止声源和旋转声源所辐射的任意线性声场的分离。2、本发明方法每测得一个接受时刻的全息声压，即可实现一个发射时刻的声场分离，因此具有实时分离声场的特点。附图说明图1为本发明方法实施例中测量面H、声源面S、等效源之间的位置关系示意图；图2(a)、图2(b)、图2(c)和图2(d)为本发明方法分离出的静止单极子Ss所辐射的声压与其理论声压比较图：图中实线表示静止单极子Ss所辐射的理论声压，图中点线表示采用本发明方法分离出的静止单极子Ss辐射声压；图2(a)是针对测量点A，本发明方法分离出的静止单极子Ss所辐射的声压与理论声压比较示意图，图2(b)是针对测量点B，本发明方法分离出的静止单极子Ss所辐射的声压与理论声压比较示意图，图2(c)为针对测量点C，本发明方法分离出的静止单极子Ss所辐射的声压与其理论声压比较示意图，图2(d)为针对测量点D，本发明方法离出的静止单极子Ss所辐射的声压与其理论声压比较示意图。图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)为本发明方法分离出的旋转单极子Sr所辐射的声压与其理论声压比较图：图中实线表示旋转单极子Sr所辐射的理论声压，图中点线表示采用本发明方法分离出的旋转单极子Sr辐射声压；图3(a)为针对测量点A，本发明方法分离出的旋转单极子Sr所辐射的声压与其理论声压比较示意图，图3(b)为针对测量点B，本发明方法分离出的旋转单极子Sr所辐射的声压与其理论声压比较示意图，图3(c)为针对测量点C，本发明方法分离出的旋转单极子Sr所辐射的声压与其理论声压比较示意图，图3(d)为针对测量点D，本发明方法分离出的旋转单极子Sr所辐射的声压与其理论声压比较示意图。图4(a)为本发明方法在t＝0.0014s时刻静止单极子Ss在测量面H上所辐射的理论声压场pt；图4(b)为本发明方法在t＝0.0034s时刻静止单极子Ss在测量面H上所辐射的理论声压场pt；图4(c)为在t＝0.0014s时刻，采用本发明方法分离出的静止单极子Ss在测量面H上所辐射的声压场pc；图4(d)为在t＝0.0034s时刻，采用本发明方法分离出的静止单极子Ss在测量面H上所辐射的声压场pc；图5(a)为本发明方法在t＝0.0048s时刻，旋转单极子Sr在测量面H上所辐射的理论声压场pt；图5(b)为本发明方法在t＝0.0080s时刻，旋转单极子Sr在测量面H上所辐射的理论声压场pt；图5(c)为t＝0.0048s时刻，采用本发明方法分离出的旋转单极子Sr在测量面H上所辐射的声压场pc；图5(d)为在t＝0.0080s时刻，采用本发明方法分离出的旋转单极子Sr在测量面H上所辐射的声压场pc；图6(a)为本发明方法评价静止单极子Ss的相位分离误差T1的数值分布图，图中等高线值为0.9；图6(b)为本发明方法评价静止单极子Ss的幅值分离误差T2的数值分布图，图中等高线值为0.2；图7(a)为本发明方法评价旋转单极子Sr的相位分离误差T1的数值分布图，图中等高线值为0.9；图7(b)为本发明方法评价旋转单极子Sr的幅值分离误差T2的数值分布图，图中等高线值为0.2。具体实施方式本实施例中分离静止声源辐射声场和旋转声源辐射声场的方法是按如下步骤进行：步骤1、参见图1，在由静止声源Ss和旋转声源Sr共同辐射的混合声场中设置测量面H，在测量面H上均匀分布M个测量点Cm，将M个传声器一一对应地放置在M个测量点处进行测量，获得接收时刻ti各测量点处的全息声压一一对应为将接收时刻ti所有M个测量点处的全息声压Pi表征为：i为正整数，T表示矩阵的转置；步骤2、在包络静止声源Ss和旋转声源Sr的声源面S内分布Ns个静止等效源Esns和Nr个旋转等效源Ernr，且使Nr个旋转等效源的旋转频率与旋转声源Sr的旋转频率保持一致；静止等效源的个数Ns与旋转等效源的个数Nr之和不小于2、且不大于测量点个数M；Ns个静止等效源在发射时刻τj的静止等效源强度一一对应为将所有Ns个静止等效源在发射时刻τj的静止等效源强度Qsj表征为：j为正整数；Nr个旋转等效源在发射时刻τj的旋转等效源强度一一对应为将所有Nr个旋转等效源在发射时刻τj的旋转等效源强度Qrj表征为：Qrj=qr1jqr2j...qrNrjT,]]>由静止等效源强度Qsj与旋转等效源强度Qrj组成的混合等效源强度Qj为：Qj=qs1jqs2j...qsNsjqr1jqr2j...qrNrjT;]]>步骤3、根据静止等效源和旋转等效源的声辐射规律，建立发射时刻τj的混合等效源强度Qj与接收时刻ti的全息声压Pi之间的传递关系；步骤4、已知接收时刻ti的全息声压Pi，根据混合等效源强度Qj与全息声压Pi之间的传递关系获得发射时刻τj的混合等效源强度Qj；步骤5、根据静止等效源强度Qsj与旋转等效源强度Qrj互不相干的特性，将静止等效源强度Qsj和旋转等效源强度Qrj从步骤4中获得的混合等效源强度Qj中分离开来；步骤6、利用步骤5中分离出的静止等效源强度Qsj计算获得静止声源Ss辐射的声场Psi，利用步骤5中分离出的旋转等效源强度Qrj计算获得旋转声源Sr辐射的声场Pri，实现静止声源Ss辐射声场Psi和旋转声源Sr辐射声场Pri的分离。具体实施中，发射时刻τj的混合等效源强度Qj与接收时刻ti的全息声压Pi之间的传递关系如式(1)：Pi=Σj=1iΨijQj,---(1)]]>式(1)中：Ψij=ψs11ij...ψs1nsij...ψs1Nsijψr11ij...ψr1nrij...ψr1Nrij·······...·...··...·...·······ψsm1ij...ψsmnsij...ψsmNsijψrm1ij...ψrmnrij...ψrmNrij·······...·...··...·...·······ψsM1ij...ψsMnsij...ψsMNsijψrM1ij...ψrMnrij...ψrMNrij,---(2)]]>式(2)中：ns为不大于Ns的正整数，nr为不大于Nr的正整数，表示ti时刻第m个测量点处的声压与τj时刻第ns个静止等效源强度之间的传递函数，其表达式为：ψsmnsij=φj(τmnsi)gsmns,---(3)]]>表示ti时刻第m个测量点处的声压与τj时刻第nr个旋转等效源强度之间的传递函数，其表达式为：ψrmnrij=φj(τmnri)grmnr(τmnri),---(4)]]>式(3)中：其中Rsmns为第m个测量点与第ns个静止等效源之间的距离，c为声音传播速度，ti＝t1+(i-1)Δt，且t1为初始接收时间，Δt为接收时间步长，φj(τ)为Lagrange线性插值函数，φj(τ)的表达式为其中τj＝τ1+(j-1)Δτ，Δτ为发射时间步长，τ1为初始发射时间，τ1＝t1-Rmin/c，Rmin为所有Rmns和Rmnr(τimnr)中的最小值，gsmns表示第m个测量点与第ns个静止等效源之间的传递函数，gsmns的表达式为gsmns=14πRsmns,]]>式(4)中：为时刻第m个测量点第nr个旋转等效源之间的距离，表示时刻第m个测量点与第nr个旋转等效源之间的传递函数，的表达式为：grmnr(τmnri)=14πRrmnr(τmnri);]]>在建立传递关系式(1)的过程中，需要给定Δt＝Δτ，τ1＝t1-Rmin/c，其中Rmin表示取所有Rmns和中的最小值。本实施例中，根据混合等效源强度Qj与全息声压Pi之间的传递关系获得的发射时刻τj的混合等效源强度Qj如式(5)：Qj=(Ψjj)+(Pj-Σk=1j-1ΨjkQk),---(5)]]>在式(5)中，+表示矩阵的广义逆，k为不大于j-1的正整数。在求解混合等效源强度Qj的过程中为保证解的唯一性，须满足M≥Ns+Nr，同时求解混合等效源强度Qj的过程也属于逆问题，因此可采用Tikhonov正则化方法稳定求解过程，正则化参数用GCV法来进行选取。具体实施中，利用步骤5中分离出的静止等效源强度Qsj计算获得静止声源Ss辐射的声场如式(6)：Psi=Σj=1iΨsijQsj,---(6)]]>式(6)中：Psi=ps1i...psmi...psMiT,Ψsij=ψs11ij...ψs1nsij...ψs1Nsij····...·...····ψsm1ij...ψsmnsij...ψsmNsij····...·...····ψsM1ij...ψsMnsij...ψsMNsij,]]>为静止声源在ti时刻第m个测量点处辐射的声压；利用步骤5中分离出的旋转等效源强度Qrj计算获得旋转声源Sr辐射的声场Pri如式(7)：Pri=Σj=1iΨrijQrj,---(7)]]>式(7)中，Pri=pr1i...prmi...prMiT,Ψrij=ψr11ij...ψr1nrij...ψr1Nrij····...·...····ψrm1ij...ψrmnrij...ψrmNrij····...·...····ψrM1ij...ψrMnrij...ψrMNrij,]]>为旋转声源在ti时刻第m个测量点处辐射的声压。具体实施中，静止声源Ss采用一个静止单极子，旋转声源Sr采用一个旋转单极子，均位于声源面S内。静止单极子Ss辐射Gauss调制正弦信号s(t)，其表达式为:s(t)=sin(2πf0t)e-[5.26(115t-0.2)]2---(8)]]>在式(8)中，中心频率f0＝1000Hz。旋转单极子Sr辐射线性频率调制(频率调制范围300-1200Hz)、Gauss幅值调制信号；在直角坐标系o(x,y,z)中，测量面H位于z＝0.05m的平面上，测量面H的面积大小为0.6m×0.6m，其上均匀地分布13×13个测量点Cm；声源面S位于z＝0m的平面上，其上分布有一个静止单极子Ss和一个旋转单极子Sr，静止单极子Ss位于(-0.05m,0m,0m)处，旋转单极子Sr位于(0.2m,0m,0m)处，其旋转频率fr＝50Hz；24个静止等效源Esns均匀分布在声源面S内的3个环上(环的半径分别为0.05m、0.15m和0.25m)，24个旋转等效源Ernr也均匀分布在声源面S内的3个环上(环的半径分别为0.1m、0.2m和0.3m)，它们的旋转频率与旋转单极子Sr的旋转频率保持一致。时域信号采样频率为12.8kHz，采样点数为128。采用本发明的声场分离方法将测量面H上静止单极子Ss所辐射的声压和旋转单极子Sr所辐射的声压分离开来，并与其理论声压进行比较。为检验本发明方法在时域内的声场分离效果，在测量面H上选取了四个测量点，即测量点A、测量点B、测量点C和测量点D，其位置分别为A(-0.05m,0m,0.05m)、B(0m,0m,0.05m)、C(0.1m,0m,0.05m)、D(0.2m,0m,0.05m)。参见图2，其图2(a)、图2(b)、图2(c)和图2(d)分别对应测量点A、测量点B、测量点C和测量点D，图中实线表示静止单极子Ss所辐射的理论声压，图中点线表示采用本发明方法分离出的静止单极子Ss辐射声压，比较图中的实线和点线可以看出，采用本发明方法可以较好地分离出静止单极子Ss单独在测量面H上所辐射的声压。参见图3，其图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)分别对应测量点A、测量点B、测量点C和测量点D，图中实线表示旋转单极子Sr所辐射的理论声压，图中点线表示采用本发明方法分离出的旋转单极子Sr辐射声压，比较图中的实线和点线可以看出，采用本发明方法可以较好地分离出旋转单极子Sr单独在测量面H上所辐射的声压。为检验本发明方法在空间域的声场分离效果，选取了两个时刻t＝0.0014s和t＝0.0034s。参见图4，其图4(a)和图4(b)分别为0.0014s和0.0034s时刻静止单极子Ss在测量面H上所辐射的理论声压场pt，图4(c)和图4(d)分别为0.0014s和0.0034s时刻采用本发明方法分离出的静止单极子Ss在测量面H上所辐射声压场pc。比较图4(a)和图4(c)、图4(b)和图4(d)可以看出，采用本发明方法可以较好地分离出静止单极子Ss单独在测量面H上所辐射的声压场。参见图5，其图5(a)和图5(b)分别为t＝0.0048s和t＝0.0080s时刻旋转单极子Sr在测量面H上所辐射的理论声压场pt，图5(c)和5(d)分别为0.0048s和0.0080s时刻采用本发明方法分离出的旋转单极子Sr在测量面H上所辐射声压场pc。比较图5(a)和图5(c)、图5(b)和图5(d)可以看出，采用本发明方法也可以较好地分离出旋转单极子Sr单独在测量面H上所辐射的声压场。为了更加客观地评价本发明方法分离效果，在此定义了两个评价因子，它们的表达式分别为T1(xi,yj)=<pt(xi,yj,t)pc(xi,yj,t)><pt2(xi,yj,t)><pc2(xi,yj,t)>---(9)]]>T2(xi,yj)=|ptrms(xi,yj)-pcrms(xi,yj)|ptrms(xi,yj)---(10)]]>在式(9)和式(10)中，＜＞表示求平均值，下标t表示理论声压值，下标c表示分离声压值，上标rms表示求均方根值。评价因子T1是用来衡量理论声压值和分离声压值之间的相位误差，当T1的值越靠近1时，相位误差越小。评价因子T2是用来衡量理论声压值和分离声压值之间的幅值误差，当T2的值越靠近0时，幅值误差越小。利用式(9)和式(10)分别计算测量面H上各个测量点处静止单极子Ss的相位分离误差T1和幅值分离误差T2。参见图6(a)和图6(b)，在较多的测量点处，不论是相位还是幅值，静止单极子Ss所辐射的理论声压值和分离声压值都吻合地较好。运用式(9)和式(10)分别计算测量面H上各个测量点处旋转单极子Sr的相位分离误差T1和幅值分离误差T2。参见图7(a)和图7(b)，在较多的测量点处，不论是相位还是幅值，旋转单极子Sr所辐射的理论声压值和分离声压值都吻合地较好。上述例子表明采用本发明方法都可以较好地将静止声源辐射声场和旋转声源辐射声场在时域和空间域内分离开来。当前第1页1 2 3