專利名稱：高速運(yùn)動(dòng)物體表面聲場(chǎng)分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高速運(yùn)動(dòng)物體表面聲場(chǎng)分析方法，屬噪聲檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
高速運(yùn)載工具給人們出行和運(yùn)輸帶來(lái)很大好處，但同時(shí)也伴隨著會(huì)產(chǎn)生許多問(wèn)題，噪聲問(wèn)題便是其中之一。隨著運(yùn)載工具速度的提高，其噪聲量級(jí)也將急劇增加，形成噪聲污染，在一定的速度條件下，這種噪聲污染甚至可能會(huì)達(dá)到人無(wú)法忍受的地步，導(dǎo)致這種高速運(yùn)載工具無(wú)法投入實(shí)際運(yùn)營(yíng)。高速運(yùn)載工具噪聲擾民的問(wèn)題已經(jīng)引起了越來(lái)越多國(guó)家的關(guān)注?，F(xiàn)在有許多國(guó)家在積極開(kāi)展對(duì)高速運(yùn)載工具噪聲的研究，如一些國(guó)家針對(duì)高速汽車(chē)的噪聲特點(diǎn)，改造交通線路，改良路面形狀、材料，增加聲音屏障等，以減輕噪聲污染，緩解噪聲擾民問(wèn)題。
減小高速運(yùn)載工具的噪聲，首先要解決的關(guān)鍵問(wèn)題就是要分析、認(rèn)識(shí)和掌握其噪聲特點(diǎn)及輻射規(guī)律。高速運(yùn)載工具的噪聲是一種運(yùn)動(dòng)型噪聲。除了它在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中自身的機(jī)械噪聲以外，還有它與承載線路和空氣之間相互作用而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)噪聲，當(dāng)運(yùn)動(dòng)存在時(shí)，這種噪聲就存在，當(dāng)運(yùn)動(dòng)停止時(shí)，它就消失，隨運(yùn)動(dòng)速度的提高，其大小將呈現(xiàn)量級(jí)劇變。由于這種噪聲伴隨運(yùn)動(dòng)存在，因而存在多普勒效應(yīng)，而多普勒效應(yīng)的存在給噪聲的測(cè)試、分析都帶來(lái)了很大的困難。使得以往各種研究靜止聲源噪聲的研究方法在研究這種噪聲時(shí)難以得到正確的結(jié)論。
本發(fā)明的目的是提出一種高速運(yùn)動(dòng)物體表面聲場(chǎng)分析方法，在高速運(yùn)動(dòng)物體經(jīng)過(guò)的很短的時(shí)間內(nèi)將運(yùn)動(dòng)物體表面的噪聲場(chǎng)計(jì)算出來(lái)，并將結(jié)果以圖形的方式直觀顯示。
本發(fā)明的高速動(dòng)物體表面聲場(chǎng)分析方法，包括以下各步驟1．用一個(gè)直列式傳聲器陣列接收運(yùn)動(dòng)物體發(fā)射出來(lái)的聲音信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成多路電壓信號(hào)p(t)，激光測(cè)速定位設(shè)備將物體運(yùn)動(dòng)的速度信息及位置信息轉(zhuǎn)換成一路電壓信號(hào)v(t)；2．電壓信號(hào)p(t)，v(t)經(jīng)過(guò)放大濾波后，用多通道高速采樣板對(duì)電壓信號(hào)p(t)及v(t)同時(shí)進(jìn)行采樣，進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，多路電壓信號(hào)p(t)的轉(zhuǎn)換結(jié)果存放到一個(gè)二維數(shù)組A[m][n]中，m代表用來(lái)接收聲音信號(hào)的傳聲器的個(gè)數(shù)，n代表采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，數(shù)組A[i]表示傳聲器陣列中第i個(gè)傳聲器的采樣信號(hào)1≤i≤m，其對(duì)應(yīng)的的電壓信號(hào)為pi(t)。電壓信號(hào)vt的轉(zhuǎn)換結(jié)果存放到一個(gè)一維數(shù)組B[n]中，n代表采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，與數(shù)組A中的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)相同；在數(shù)組B[n]中，設(shè)數(shù)組元素?cái)?shù)值出現(xiàn)下降沿變化時(shí)，運(yùn)動(dòng)物體處于位置(1)，對(duì)應(yīng)的數(shù)組元素為B[j]，1≤j≤n，數(shù)組元素出現(xiàn)上升沿變化時(shí)，運(yùn)動(dòng)物體處于位置(2)，對(duì)應(yīng)的數(shù)組元素為B[k]，1≤k≤n。因?yàn)殡妷盒盘?hào)p(t)及v(t)同時(shí)進(jìn)行采樣，所以數(shù)組A中元素A[m][j]同數(shù)組元素B[j]同樣對(duì)應(yīng)著采該點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)運(yùn)動(dòng)物體處于位置(1)；數(shù)組元素A[m][k]同數(shù)組元素B[k]同樣對(duì)應(yīng)著采該點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)運(yùn)動(dòng)物體處于位置(2)；3．根據(jù)2中確定的數(shù)組A與運(yùn)動(dòng)物體的空間位置關(guān)系，從數(shù)組A中截取一段當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體距傳聲器較遠(yuǎn)時(shí)傳聲器所接收到的數(shù)據(jù)存放到一個(gè)新的數(shù)組C[m][n1]中，n1表示所截取的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，1≤n1≤n。從C[m][n1]中取一行數(shù)據(jù)C[i][n1]進(jìn)行計(jì)算，C[i][n1]對(duì)應(yīng)傳聲器陣列中第i個(gè)傳聲器的采樣信號(hào)。首先對(duì)C[i][n1]進(jìn)行頻譜分析，從頻譜中選取突出的峰值頻率fd，設(shè)在數(shù)組C[i][n1]的起點(diǎn)C[i][1]，聲源在x，y空間中的坐標(biāo)為(x1，y1)，聲音從聲源傳播到第i個(gè)傳聲器的距離為R1；設(shè)在數(shù)組C[i][n1]的終點(diǎn)C[i][n1]，聲源在x，y空間中的坐標(biāo)為(x2，y2)，聲音從聲源傳播到第i個(gè)傳聲器的距離為R2?？梢缘玫絝0=fd/[1-(R2-R1x2-x1)M],]]>式中M為物體運(yùn)動(dòng)的馬赫數(shù)，M=V／C，V為物體運(yùn)動(dòng)速度，C=340米／秒，頻率f0就是一個(gè)聲音能量比較大的一個(gè)頻率，是我們需要分析的頻率，以下的所有處理都是針對(duì)該頻率進(jìn)行的，在這里我們把f0稱作分析頻率；4．定義兩個(gè)坐標(biāo)系，在運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)的平面上建立坐標(biāo)系ζo1η。在測(cè)量傳聲器陣列表面與運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)平面平行的平面上建立坐標(biāo)系xoy，(x，y)表示坐標(biāo)系xoy上的一點(diǎn)，(ζ，η)表示坐標(biāo)系ζo1η上的一點(diǎn)。
在數(shù)組A中，數(shù)組A[i]表示傳聲器陣列中第i個(gè)傳聲器的采樣信號(hào)，其對(duì)應(yīng)的的電壓信號(hào)為pi(t)，利用pi(t)根據(jù)下面的公式就可以構(gòu)造出一組數(shù)據(jù)H(x，yi，ζ，η，k0)H(x,yi,ζ,η,k0)=e-jk0rrDFT[pi(t)R(t)(1-Mcosφ(t))2ejk0R(t)]|k=k0---(1)]]>在上式中DFT表示對(duì)括號(hào)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅立葉變換；k0為所計(jì)算頻率(f0)的波數(shù)，k0=2πf0／c，c為聲速；k=k0表示取離散傅立葉變換后頻率為k0的信號(hào)；pi(t)為第i個(gè)傳聲器的采樣得到的聲壓數(shù)據(jù)；M為物體運(yùn)動(dòng)的馬赫數(shù)；R(t)=M(x(t)-ζ)+(x(t)-ζ)2+(1-M2)((yi(t)-η)2+z02)1-M2]]>(x(t)，yi(t))為第i個(gè)傳感器在t時(shí)刻的位置坐標(biāo)；x(t)=L-vt，yi(t)=i×Δy；L為采樣時(shí)間內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)距離；Δy為直列式傳聲器陣列中相鄰傳聲器之間的距離間隔；cosφ(t)=(x(t)-ζ)／R(t)；根據(jù)式(1)得到的H(x，yi，ζ，η，k0)可以將其表達(dá)成一維數(shù)組H[i][n2]存放，i表示是由第i個(gè)傳聲器構(gòu)造的數(shù)據(jù)，n2表示數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。同理可以得到m個(gè)一維數(shù)組，將上述一維數(shù)組組合起來(lái)可以得到一個(gè)二維數(shù)組H[m][n2]，用符號(hào)H(x，y，ζ，7，k0)表示；(5)將H(x，y，ζ，η，k0)代入下面公式即得到物體運(yùn)動(dòng)平面的點(diǎn)(ζ，η)在k0頻率下的聲場(chǎng)U(ζ,η,k0)=β2jλ∫∫HH(x,y,ζ,η,k0)e-jk0rr[1+(1+1jk0r)cosθ]dxdy---(2)]]>在上式中r=(x-ζ)2+(y-η)2+z02,]]>r為坐標(biāo)點(diǎn)(x，y)與坐標(biāo)點(diǎn)(ζ，η)之間的連線距離；
z0為兩個(gè)坐標(biāo)面之間的距離；cosθ為r與物體運(yùn)動(dòng)平面法線的夾角；利用以上方法對(duì)物體運(yùn)動(dòng)平面上所有的點(diǎn)做相同的處理就可以得到物體運(yùn)動(dòng)平面上各點(diǎn)在f0頻率下的聲場(chǎng)，根據(jù)各點(diǎn)聲場(chǎng)的數(shù)值用畫(huà)等壓線的方式畫(huà)出聲場(chǎng)的等壓線圖，并可以將運(yùn)動(dòng)物體疊加到等壓線圖上，使運(yùn)動(dòng)物體在該頻率下的噪聲場(chǎng)非常直觀地顯示出來(lái)。
也可以根據(jù)同樣的方法對(duì)f0頻率以外其他頻率的聲場(chǎng)進(jìn)行分析。
本方法可用來(lái)測(cè)量識(shí)別定位運(yùn)動(dòng)噪聲源。如用于高速火車(chē)汽車(chē)車(chē)表面的噪聲定位識(shí)別。在運(yùn)動(dòng)物體從測(cè)量設(shè)備前通過(guò)時(shí)，儀器可以快速記錄物體發(fā)出的噪聲信號(hào)及物體運(yùn)動(dòng)信息，并將信號(hào)數(shù)字化后輸入計(jì)算機(jī)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行一系列處理，可以將運(yùn)動(dòng)物體表面的噪聲場(chǎng)計(jì)算出來(lái)并將結(jié)果以圖形的方式直觀顯示出來(lái)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是能夠在運(yùn)動(dòng)物體高速運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)時(shí)在很短的時(shí)間內(nèi)分析出物體表面的聲場(chǎng)分布，同時(shí)能夠以圖形方式非常直觀地將結(jié)果顯示出來(lái)。所以可以應(yīng)用于對(duì)高速火車(chē)、高速運(yùn)動(dòng)汽車(chē)表面的噪聲源進(jìn)行測(cè)量識(shí)別，從而給降噪提供科學(xué)依據(jù)。


圖1是本發(fā)明方法中坐標(biāo)系的示意圖。
圖2是本發(fā)明方法一個(gè)驗(yàn)證實(shí)施例的結(jié)果圖。
圖3是本發(fā)明方法一個(gè)應(yīng)用實(shí)施例的結(jié)果圖。
下面結(jié)合實(shí)施例詳細(xì)介紹本發(fā)明的內(nèi)容為對(duì)本方法進(jìn)行驗(yàn)證，在高速實(shí)驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，傳聲器陣列采用了16路傳聲器(m=16)，傳聲器間距為0．15米(Δy=0．15米)，利用32通道高速采樣板進(jìn)行采樣。
實(shí)驗(yàn)中利用運(yùn)動(dòng)汽車(chē)作為聲源載體，在汽車(chē)上固定位置安裝了兩個(gè)音箱發(fā)920Hz單頻聲。汽車(chē)以90公里／小時(shí)的速度運(yùn)動(dòng)，傳聲器陣列距離汽車(chē)運(yùn)動(dòng)平面2米。如圖2所示為利用本方法所分析出運(yùn)動(dòng)汽車(chē)表面在920Hz頻率下的聲場(chǎng)分布，可以看到有兩個(gè)明顯的聲源存在，而這兩個(gè)聲源的位置與實(shí)際所放置的音箱的位置完全相同。計(jì)算結(jié)果表明利用本方法能準(zhǔn)確識(shí)別運(yùn)動(dòng)聲源。
在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)完成后，利用同樣的裝置對(duì)一輛以105公里／小時(shí)運(yùn)動(dòng)的面包車(chē)表面的聲場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量分析。如圖3所示為該車(chē)在250Hz頻率下車(chē)表面的聲場(chǎng)分布。從圖中可以看到汽車(chē)表面的噪聲主要是在前輪罩、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口、消聲器以及排氣管出口處比較大，比較符合該車(chē)的實(shí)際情況。在該實(shí)驗(yàn)中還對(duì)該車(chē)其他頻率下的車(chē)表面的噪聲進(jìn)行了分析。
權(quán)利要求
1．一種高速運(yùn)動(dòng)物體表面聲場(chǎng)分析方法，其特征在于該方法包括以下各步驟(1)用一個(gè)直列式傳聲器陣列接收運(yùn)動(dòng)物體發(fā)射出來(lái)的聲音信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成多路電壓信號(hào)p(t)，激光測(cè)速定位設(shè)備將物體運(yùn)動(dòng)的速度信息及位置信息轉(zhuǎn)換成一路電壓信號(hào)v(t)；(2)電壓信號(hào)p(t)，v(t)經(jīng)過(guò)放大濾波后，用多通道高速采樣板對(duì)電壓信號(hào)p(t)及v(t)同時(shí)進(jìn)行采樣，進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，多路電壓信號(hào)p(t)的轉(zhuǎn)換結(jié)果存放到一個(gè)二維數(shù)組A[m][n]中，m代表用來(lái)接收聲音信號(hào)的傳聲器的個(gè)數(shù)，n代表采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，數(shù)組A[i]表示傳聲器陣列中第i個(gè)傳聲器的采樣信號(hào)1 ≤i≤m，其對(duì)應(yīng)的的電壓信號(hào)為Pi(t)。電壓信號(hào)vt的轉(zhuǎn)換結(jié)果存放到一個(gè)一維數(shù)組B[n]中，n代表采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，與數(shù)組A中的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)相同；在數(shù)組B[n]中，設(shè)數(shù)組元素?cái)?shù)值出現(xiàn)下降沿變化時(shí)，運(yùn)動(dòng)物體處于位置1，對(duì)應(yīng)的數(shù)組元素為B[j]，1≤j≤n，數(shù)組元素出現(xiàn)上升沿變化時(shí)，運(yùn)動(dòng)物體處于位置2，對(duì)應(yīng)的數(shù)組元素為B[k]，1≤k≤n；(3)根據(jù)上述第二步中確定的數(shù)組A與運(yùn)動(dòng)物體的空間位置關(guān)系，從數(shù)組A中截取一段當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體距傳聲器較遠(yuǎn)時(shí)傳聲器所接收到的數(shù)據(jù)存放到一個(gè)新的數(shù)組C[m][n1]中，n1表示所截取的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，1≤n1≤n，從C[m][n1]中取一行數(shù)據(jù)C[i][nl]進(jìn)行計(jì)算，C[i][n1]對(duì)應(yīng)傳聲器陣列中第i個(gè)傳聲器的采樣信號(hào)，首先對(duì)C[i][n1]進(jìn)行頻譜分析，從頻譜中選取突出的峰值頻率fd，設(shè)在數(shù)組C[i][n1]的起點(diǎn)C[i][1]，聲源在x，y空間中的坐標(biāo)為(x1，y1)，聲音從聲源傳播到第i個(gè)傳聲器的距離為R1，設(shè)在數(shù)組C[i][n1]的終點(diǎn)C[i][n1]，聲源在x，y空間中的坐標(biāo)為(x2，y2)，聲音從聲源傳播到第i個(gè)傳聲器的距離為R2，得到f0=fd/[1-(R2-R2x2-x1)M],]]>式中M為物體運(yùn)動(dòng)的馬赫數(shù)，M=V／C，V為物體運(yùn)動(dòng)速度，C=340米／秒；(4)定義兩個(gè)坐標(biāo)系，在運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)的平面上建立坐標(biāo)系ζo1η，在測(cè)量傳聲器陣列表面與運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)平面平行的平面上建立坐標(biāo)系xoy，(x，y)表示坐標(biāo)系xoy上的一點(diǎn)，(ζ，η)表示坐標(biāo)系ζo1η上的一點(diǎn)，在數(shù)組A中，數(shù)組A[i]表示傳聲器陣列中第i個(gè)傳聲器的采樣信號(hào)，其對(duì)應(yīng)的的電壓信號(hào)為pi(t)，利用pi(t)根據(jù)下面的公式就可以構(gòu)造出一組數(shù)據(jù)H(x，yi，ζ，η，k0)H(x,yi,ξ,η,k0)=e-jk0rrDFT[pi(t)R(t)(1-Mcosφ(t))2ejk0R(t)]|k=k0---(1)]]>在上式中DFT表示對(duì)括號(hào)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅立葉變換；k0為所計(jì)算頻率(f0)的波數(shù)，k0=2πf0／c，c為聲速；k=k0表示取離散傅立葉變換后頻率為k0的信號(hào)；pi(t)為第i個(gè)傳聲器的采樣得到的聲壓數(shù)據(jù)；M為物體運(yùn)動(dòng)的馬赫數(shù)；R(t)=M(x(t)-ζ)+(x(t)-ζ)2+(1-M2)((yi(t)-η)2+z02)1-M2]]>(x(t)，yi(t))為第i個(gè)傳感器在t時(shí)刻的位置坐標(biāo)；x(t)=L-vt，yi(t)=i×Δy；L為采樣時(shí)間內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)距離；Δy為直列式傳聲器陣列中相鄰傳聲器之間的距離間隔；cosφ(t)=(x(t)-ζ)／R(t)；根據(jù)式(1)得到的H(x，yi，ζ，η，k0)可以將其表達(dá)成一維數(shù)組H[i][n2]存放，i表示是由第i個(gè)傳聲器構(gòu)造的數(shù)據(jù)，n2表示數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。同理可以得到m個(gè)一維數(shù)組，將上述一維數(shù)組組合起來(lái)可以得到一個(gè)二維數(shù)組H[m][n2]，用符號(hào)H(x，y，ζ，η，k0)表示；(5)將H(x，y，ζ，η，k0)代入下面公式即得到物體運(yùn)動(dòng)平面的點(diǎn)(ζ，η)在k0頻率下的聲場(chǎng)U(ζ,η,k0)=β2jλ∫∫HH(x,y,ζ,η,k0)e-jk0rr[1+(1+1jk0r)cosθ]dxdy---(2)]]>在上式中r=(x-ζ)2+(y-η)2z02,]]>r為坐標(biāo)點(diǎn)(x，y)與坐標(biāo)點(diǎn)(ζ，η)之間的連線距離；zo為兩個(gè)坐標(biāo)面之間的距離；cosθ為r與物體運(yùn)動(dòng)平面法線的夾角；利用以上方法對(duì)物體運(yùn)動(dòng)平面上所有的點(diǎn)做相同的處理后即得到物體運(yùn)動(dòng)平面上各點(diǎn)在f0頻率下的聲場(chǎng)，根據(jù)各點(diǎn)聲場(chǎng)的數(shù)值用畫(huà)等壓線的方式畫(huà)出聲場(chǎng)的等壓線圖，并將運(yùn)動(dòng)物體疊加到等壓線圖上，便顯示出運(yùn)動(dòng)物體在該頻率下的噪聲場(chǎng)
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高速運(yùn)動(dòng)物體表面聲場(chǎng)分析方法,在運(yùn)動(dòng)物體從測(cè)量設(shè)備前通過(guò)時(shí),儀器快速記錄物體發(fā)出的噪聲信號(hào)及物體運(yùn)動(dòng)信息,并將信號(hào)數(shù)字化后輸入計(jì)算機(jī),對(duì)信號(hào)進(jìn)行一系列處理,將運(yùn)動(dòng)物體表面的噪聲場(chǎng)計(jì)算出來(lái),并將結(jié)果以圖形的方式直觀顯示出來(lái)。本發(fā)明的方法可以應(yīng)用于對(duì)高速火車(chē)、高速運(yùn)動(dòng)汽車(chē)表面的噪聲源進(jìn)行測(cè)量識(shí)別,從而給降噪提供科學(xué)依據(jù)。
文檔編號(hào)G01H11/00GK1293350SQ0013212
公開(kāi)日2001年5月2日 申請(qǐng)日期2000年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月15日
發(fā)明者連小珉, 鄭四發(fā), 楊殿閣, 鄭凱, 劉鋒, 羅禹貢, 何雷, 蔣孝煜 申請(qǐng)人:清華大學(xué)