一种用于检测多频多源复杂稳定声场声压的新方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种检测稳定声场声压的新方法，特别是一种用于检测多频多源复杂 稳定声场声压的新方法。
【背景技术】
[0002] 近场声全息技术是近年来声学研究的前沿，通过近场声全息技术(NAH)，可以较精 确地进行声源识别和定位，运用这种技术可以实现近场声场重建与可视化，因此，NAH技术 的研究对于抑制噪声污染具有非常重大的意义，NAH技术是根据亥姆霍兹方程
，推导出重构平面上的复声压信号分布与全息面上的声压关 m 系，E
其中p(XH，yH，zH)为全息面上复声压信号，p(x，y，z)为重构平面上的复声压信号， 为离散的格林函数，所以只要知道全息面上的复声压信号，就可以求出重构 平面上的复声压信号，所以NAH技术的一个主要关键点是如何获得全息面上的复声压信号
?为该点的幅值，为该点的相位，但是准确检测出这个复声压信 号是比较难的，特别是在多频多源声场，同时信噪比比较低的情况下，更难，现有的检测方 法没有办法解决，如快速傅里叶法，如信号中混有较大的背景随机噪声时，快速傅里叶法求 出的误差比较大，即使经过滤波后再用快速傅里叶法，求得的复声压信号仍然有很大的误 差，特别是复声压信号中的相位，信号经过多次变换，最后所求得的相位，根本不能代表测 点的真实相位，自谱加互谱法只能对单频信号适用，对于多频信号，这个方法在理论上是不 能实现的，为了克服以上检测方法缺点，需要发明一种新的复声压信号检测方法，特别是一 种用于检测多频多源复杂稳定声场声压的方法。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种用于检测多频多源复杂稳定声场声压的方法，即使声场 为多频多源且信噪比较低的情况下，该方法仍然能精确检测出声场测点的复声压信号。
[0004] 本发明为实现以上目的采用了以下方案:一种用于检测多频多源复杂稳定声场声 压的新方法，所述的多频多源复杂稳定声场是指该声场环境下同时有Ν个声源在做声辐 射，每一个声源的辐射频率不一样，或者是指单一声源在做声辐射，但是该声源的激励信号 不是单频简谐信号，而是一个含有Ν个频率分量的复合信号，同时该测试环境中有较强背景 随机噪声，信噪比较低，从而传感器接收到的信号应为
其中
为声源辐射信号，式中k为波数即波传播方向，r为传播的距离，9 mSs中 每个频率分量福射声波的原始初相位，i9m =-Ar +見为每个频率分量福射声波在测点的 相位，noise为背景随机噪声信号，该声场环境下声压检测方法包括以下步骤：
[0005] (1)利用自适应算法求出背景随机噪声noise的估计值；
[0006] (2)以noise作为参考输入，再次利用自适应算法求出声源辐射信号
[0007]
m-\
[0008] (3)对声源辐射信-
1进行频谱分析，同时对频谱进行校正，得出 声源辐射信*
的N个频率分量信号的频率与幅值，然后利用信号互谱、信 号正交，以及信号能量不变原则，得出
中各个频率分量声波的相位，这样 就得到声源辐射信号的幅值Am、频率^与相位久，从而得出声场中检测点的声压。
[0009] 本发明进一步技术案为:所述的利用自适应算法求出背景随机噪声noise的估计 值方法为:在测试声源福射信号s之前，首先在声场中利用一个标准声波产生器产生一个标
准声波，该声波为点声源，声源的激励信号为简谐单频信号M =这个信号是人为 给定的，其中的幅值为Ab，频率为wb，原始初相位为0，在μ ==為与noise共同作用下， 从传感器（图中没有画出）输出的信号为y，即y = u+noise，然后把y做为源信号输入， μ = Λ 乂~_?Γ)作为参考输入信号，y，u信号离散化后的信号分别为y(n)，u(n)，其中η为1到 2k，2k为采样点数，然根据自适应算法公式：
[0010]
[0011]
[0012] 得出的误差信号e(n)就是背景随机噪声信号离散化信号n〇iSe(n)的大致估计值， 由于背景及检测工具完全相同，这个背景随机噪声信号离散值noise(n)就可以作为下一步 声源辐射信号s实测时的背景随机噪声模型，公式中的Βτ(η)，λ(η)为自适应算法的权值信号 与步长信号。
[0013] 本发明更进一步技术案为：以noise作为参考输入，再次利用自适应算法求出声源 辐射信号
去为:再一次利用自适应算法，这一次自适算法中源输入信 msl 号即传感器输出信号为
玄个信号的离散化值为X (η )，参考输入 信号为前面求出的背景随机噪声离散值noise(n)，其中η为1到2k，2k为采样点数，根据自适 算法公式即
[0014]
[0015]
[0016] 最后得出的误差信号即为声源辐射信，1的离散值S(n)，S(n) m=*i
变成一个较为干净的信号，公式中的〃 (《)，λ(η)为自适应算法的权值信号与步长信号。
[0017] 本发明进更一步技术案为:对声源辐射信，
?行频谱分析，同 时对频谱进行校正，得出声源辐射信号
的N个频率分量信号的频率与幅 值，然后利用信号互谱、信号正交，信号能量不变原则，得出
；中各个频率 分量声波的相位，这样就得到声源辐射信号的幅值Am、频率^与相位久，从而得出声场中检 测点的声压步骤为：
[0018] (1)：
[0019]对声场中的测点采样p次，每次采样2k个点，利用前面讲述方法求出p组中每一组 数据中S信号的离散值，即求出81(11). . . .sP(n)，每一组都是2k个数据值，即η为1到2k;
[0020] (2)：
[0021] 对上面的81(1〇进行快速傅里叶变换，即hl = fft(S1(n))，然后找出频域数据中波 峰所对应的频率与幅值大致估计值，然后利用能量重心法对频谱进行校正，即找到声源辐 射信号
中每一个频率分量辐射声波所对应的频率与幅值：
[0022] (3)：
[0023]求每一个分量的相位= -/^ +义方法为：
[0024] 利用求得N个频率(m从1到N)和N个幅值Am(m从到1到N)，得出N个单频信号，即 心=4^^^，其中m取值为1到N，然后把这N个信号分别与
互谱，根据信 号互谱、信号正交、以及能量不变的原理就可以求ti
(m取值为1到N)，其 4
(口果这P组是在相同环境下测量P次，则P次平均相位为
，如果一次测量中采集P组数据，则P次平均相位为
^ 其中At为p组数据中相邻组数据采集间隔，就可以得到
和每个频率分 /M=l 量辐射声波在检测点相位凡，通过上述提供方案就可以精确求tt
中每 一个频率分量辐射声波的幅值六"、频率wm、相位久。从而就可以精确得出测点的复声压信 号。
[0025] 由于采用上述方法，本发明具有以下有益效果：
[0026] (1)可以检测出多频多源复杂稳定声场测点的声压
[0027] 本发明一种用于检测多频多源复杂稳定声场声压的新方法，由于检测方法采用自 适应及信号互谱、信号正交和能量不变的原则，所以对信号的模型没有太多要求，不管是单 频、单源，还是多频、多源，都能很好地检测出测点的复声压，很好克服了过去一些检测方 法的不足，而且有很好的精度。
[0028] (2)可以克服与排除大噪声对声压辐射信号的干扰
[0029] 本发明一种适用于检测多频多源复杂稳定声场声压的新方法，由于事先得出了背 景随机噪声模型，同时在信号实测中采用了自适应算法，可以很好地把背景随机噪声从信 号中剥离，最后得到一个较为干净的信号，同时利用了信号互谱、信号正交，及能量不变的 原则，可以更好地可以把信号进行分解，能求出信号中每一个分量的频率、幅值、相位，同时 采用能量不变的原则，克服了在信号变换过程中对相位的影响，从而使测量结果有很高的 精度，另外，信号互谱处理还可以进一步抑制背景噪声的影响，从而在信噪比很低的情况下 也能使用，克服了以住检测方法，在大背景随机噪声情况下，误差非常大的不足，这对大噪 声环境下声场声压的测试有很大的意义。
[0030] 下面结合附图和实施例对本发明一种用于检测多频多源复杂稳定声场声压的新 方法作进一步说明。
【附图说明】
[0031 ]图1是多源多频复杂稳定声场声压检测方法的总体步骤流程图；
[0032]图2求背景噪声noise方法流程图；
[0033]图3求声源辐射信号s方法流程图；
[0034]图4求声源辐射信号s各个频率分量的幅值，频率，相位方法流程图；
[0035]图5自适应算法的示意图；
[0036] 图6具体算例声源辐射信号s波形图；
[0037] 图7具体算例声源辐射信号s加背景随机噪声noise的波形图；
[0038] 图8具体算例声源辐射信号s的频谱图；
[0039]图9利用本发明求得的具体算例背景随机噪声noise波形图；
[0040]图10利用本发明求得的具体算例声源辐射信号s波形图；
[0041]图11利用本发明求得的具体算例声源辐射信号s频谱图；
[0042] 图12利用本发明求得的具体算例声源辐射信号s相位与实际本来相位比较表。
【具体实施方式】
[0043] 为使本发明的目的、技术方案和相应技术优点更加清晰明白，下面结合具体实例， 并根据参照附图，对本发明进行更一步的详细说明。
[0044] 结合图1-图5说明一种用于检测多频多源复杂稳定声场声压的新方法的具体实施 方式，该检测方法适用的范围较广，所述的多频多源复杂稳定声场是指该声场环境下同时 有N个声源在做声福射，每一个声源的福射频率不一样，或者是指单一声源在做声福射，但 是该声源的激励信号不是单频简谐信号，而是一个含有N个频率分量的复合信号，同时该测 试环境中有较强背景随机噪声，信噪比较低，信噪比达到（1:1)甚至达到（1:2)(其中信噪比 的定义为
从而传感器（图中没有画出）输出的信号为
为声源辐射信号，式中k为波数即波传 播方向，r为传播的距离，0m*s中每个频率分量辐射声波的原始初相位，
为 每个频率分量辐射声波在测点的相位，noise为背景随机噪声信号，图1是本发明一种用于 检测多频多源复杂稳定声场声压的新方法主流程图，该方法包括以下步骤：
[0045] 101:利用自适应算法求出背景随机噪声noise的估计值；
[0046] 102:以noise作为参考输入，再次利用自适应算法求出声源辐射信号
[0047]
；
[0048] 103:对声源辐射信，_
U进行频谱分析，同时对频谱进行校正，得 出声源辐射信-