專利名稱：聲場的全空間變換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及物理專業(yè)中噪聲類領(lǐng)域聲場測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種聲場的全空間變換方法。

背景技術(shù)：
物理專業(yè)中噪聲類領(lǐng)域聲場測量技術(shù)，通過對振動結(jié)構(gòu)附近聲場的測量及聲場變換綜合分析，可獲得振動結(jié)構(gòu)表面的振動與聲的耦合特性，有助于了解振動結(jié)構(gòu)表面的振動及遠、近場聲特性，以便通過改善設(shè)計，有助于振動結(jié)構(gòu)聲學的優(yōu)化設(shè)計，降低結(jié)構(gòu)振動的聲輻射。
聲場測量技術(shù)基于近場聲全息技術(shù)(NAH)，近場聲全息技術(shù)在聲源或結(jié)構(gòu)振動與輻射聲場的特性研究、噪聲源識別與定位等方面能發(fā)揮重要作用[1，2]。為擴大其適應性，Williams將NAH推廣到了柱坐標系及廣義近場聲全息(GENAHGeneralized NearfieldAcoustical Holography)[3]，討論了場變換中的一些基本問題。Bris等人對GENAH算法進行了改進[4]，文獻[5]將GENAH推廣到處理暫態(tài)激勵的柱殼振動與聲輻射特性的研究。Williams通過消除沿軸向的低波數(shù)分量，保證徑向的高波數(shù)輻射分量，利用GENAH變換得到的殼體波數(shù)-頻率圖，可以判斷彎曲波、切向波和軸向波的分布區(qū)域[6-7]。這些工作表明GENAH是研究柱形結(jié)構(gòu)振動與聲場特性的一種重要手段。
但是傳統(tǒng)的GENAH方法由于非常依賴于濾波函數(shù)的選取，同時對結(jié)構(gòu)表面和近場聲特性考慮較多，對其遠場特性考慮甚少，而大型振動結(jié)構(gòu)低頻遠場指向性的實驗測量難以實現(xiàn)，在實際應用上往往由于濾波函數(shù)的選取不當造成聲場變換時的適應性和重建精度都不高(同時適用于近、遠聲場的分析和重建)。
參考文獻(如專利/論文/標準)
1、Park S H，Kim Y H.An improved moving frame acousticholography for coherent bandlimited noise.J.Acoust.Soc.Am.，1998；104(6)3179-3189
2、何元安，何祚鏞.基于平面聲全息的全空間場變換I.原理與算法.聲學學報，2002；27(6)507-512
3、Williams E G，et al.Generalized nearfield acousticalholography for cylindrical geometryTheory and experiment.J.Acoust.Soc.Am.1987；81(2)399-407
4、Bris J P L，Carles C，Pascal J C.Aerial acousticalholography on a cylindrical source.Inter-Noise 88.Avignon(France)209-212
5、JAM III，et al.Time-based energy analysis of acousticradiation and structural vibration using generalizednear-field acoustical holography measurements.J.Acoust.Soc.Am.Suppl.1，1990，Vol 88S174
6、E G Williams.Supersonic acoustic intensity.J.Acoust.Soc.Am.1995，97(1)121-127
7、Earl G.Williams，et.Fast Fourier transform andsingular value decomposition formulations for patchnearfield acoustical holography.J.Acoust.Soc.Am.，2003，Vol 114(3)1322-1333

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決上述問題，提供一種聲場的全空間變換方法，該方法應用在最小能量準則下的GENAH濾波函數(shù)，實現(xiàn)了振動結(jié)構(gòu)輻射聲場的全空間場變換。
為了達到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種聲場的全空間變換方法，該聲場的全空間變換方法的步驟為 1)將聲源設(shè)置在柱狀的全息測量接收陣列中； 2)對柱狀的全息測量陣列中的每個測量點的復聲壓進行全息采樣，放大處理； 3)將處理的數(shù)據(jù)送入計算機，根據(jù)以下公式進行近場和遠場的重建波數(shù)域近場聲壓和波數(shù)域振速矢量再經(jīng)過兩維Fourier反變換，得到近場聲壓 和振速矢量 遠場空間指向性函數(shù)
其中p(rS，θ，z)為在圓柱S上聲壓值，即任意面的聲壓值；p(rH，θ，z)柱狀全息測量接收陣列中測得的聲壓值；m為整數(shù)；kz為軸向波數(shù)；kr為徑向波數(shù)，且柱函數(shù)Zm(krr)定義為 這里是第2類Hankle函數(shù)(Jm，Nm分別為Bessel函數(shù)和Neumann函數(shù))，表示向外傳播的柱面擴散波(時間因子為exp(jωt)，Km(x)為修正的Hankle函數(shù)；振速變換向量函數(shù)

為 濾波函數(shù)W(m，kz)為 rns為測量 噪信比，為已知數(shù)；

為Euler方程中的值；

Δz＝L/M，zm＝m·Δz-L/2；Δθ＝2π/N，θn＝n·Δθ-π。。均為測量面上的已知幾何量。
被測聲源可以是1個，也可以是多個； 對柱狀的全息測量陣列中的每個測量點的復聲壓進行采樣，采樣的次數(shù)大于等于一次，當大于一次時，在頻域上對采樣值取平均值處理，以消除誤差； 柱狀的全息測量接收陣列可以有多種方式形成，可以是由多個聲壓傳感器按一定的密度直接均勻分布在柱面上形成；也可以是由聲壓傳感器按一定的密度均勻分布一個圓周上，由進步電機帶動圓形分布的聲壓傳感器沿垂直于圓面的方向做直線運動形成；也可以是由聲壓傳感器按一定的密度均勻分布一條直線上，由進步電機帶動直線分布的聲壓監(jiān)測器沿垂直于直線方向做圓周運動形成。
本發(fā)明的工作原理及有益效果本發(fā)明聲場的全空間變換方法考慮單頻穩(wěn)態(tài)場，時間因子取ejωt，對寬帶穩(wěn)態(tài)場對采集的信號先做FFT變換到頻域，對每個單頻場進行分析。對一個最大半徑為a的類柱形聲源，在自由場中的柱坐標系下，根據(jù)波動方程的分離變量法和Fourier變換法，在r≥a的任一柱面上的聲壓可以表示成 這里kz表示軸向波數(shù)；m為整數(shù)。Pm(r，kz)dkz提供每個柱面波分量的幅度與相位。(1)式表明柱面上聲壓可以表示成θ方向的Fourier級數(shù)與z方向的Fourier變換，由Fourier變換對有 在波數(shù)域內(nèi)，聲壓分量在r方向的傳播具有柱面波的形式 Pm(r，kz)＝Am(kz)·Zm(krr) (3) 上式右邊的Am(kz)為傳播系數(shù)，kr為徑向波數(shù)，且柱函數(shù)Zm(krr)定義為 這里是第2類Hankle函數(shù)(Jm，Nm分別為Bessel函數(shù)和Neumann函數(shù))，表示向外傳播的柱面擴散波(時間因子為exp(jωt)，Km(x)為修正的Hankle函數(shù)。
對于兩個半徑分別為rH和rS的同軸柱面，由(3)式，兩柱面上的聲壓在波數(shù)域的聲壓分量具有如下關(guān)系 由(1)、(5)式，可以由rH面的聲壓場獲得rS柱面上聲壓場的表示 其中P(rH，kz)由式(2)中r＝rH獲得，上式實現(xiàn)了從H面聲壓場到S面聲壓場的變換，定義一個聲壓-聲壓的變換函數(shù) 這里d＝rH-rS。
對于振速場，由Euler方程 其中 這里

是柱坐標系下的單位向量，對(8)式作類似于(1)式關(guān)于(θ，z)的兩維Fourier變換，并利用 則有 取r＝rS，將(5)式代入(11)式，且則有 式中Z′m(x)表示Zm(x)關(guān)于x的一階導數(shù)。利用Fourier反變換 實現(xiàn)了由H面上聲壓場到S面上振速向量場的變換。同樣我們也可定義從聲壓--振速的變換函數(shù) 對于我們最關(guān)心的徑向振速傳播來講，可考慮如下的徑向振速變換函數(shù) (為法向)( 5) 這里根據(jù)kr的變換范圍

變?yōu)? 其中徑向波數(shù)為 且d＝rH-rS大于0對應由遠到近的反向變換，小于0對應由近到遠的正向變換。
在柱面近場聲全息GENAH變換也會出現(xiàn)與平面近場聲全息(NAH)變換類似的一些物理特性 (1)當k＞kz時，波數(shù)域中只有正常的柱面波分量傳播。利用大宗量漸近展開可以簡化傳播函數(shù)，由于 (7)和(16)式分別簡化為 (2)當k＜kz時，波數(shù)域中將出現(xiàn)由近到遠指數(shù)衰減的非均勻波分量。同樣利用大宗量漸近展開式，即 (7)和(16)可分別簡化為 從Gp與

的近似表示式看到，兩者相差為π/2，即p、ur是正交的，也說明此時聲場中沒有能量徑向傳播，即Ir＝0，這是存在非均勻波的結(jié)果。
(3)當m＞＞krr，且k＞kz時，對應的是大m值情況，也可用漸近展開 這里 則(7)和(16)式分別簡化為 (27)式說明這種情況下，聲波分量從S到H面的傳播中將以距離rH的m次方衰減。
綜上所述，柱面聲全息變換中，隨著空間域和波數(shù)域的參數(shù)的變化，將出現(xiàn)正常傳播的柱面波分量和幅度隨距離增加指數(shù)律衰減的非均勻波分量。
無論是NAH還是GENAH，它們之所以具有比早期的聲全息術(shù)更高的分辨率，主要是因為在近場測量中，能充分記錄下隨距離指數(shù)衰減的高波數(shù)非均勻波成份，要保證這一點，兩個參數(shù)很關(guān)鍵，即測量距離d＝rH-rS和測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍D(dB)，Williams認為GENAH的軸向和周向最小分辨率是一樣的，即 Rz＝Rθ≈27.3d/D，(d＜＜λ) (28) 或 |kz|max＜π/[27.3d/D]；|m|max＜πa/[27.3d/D](29) 由于上式還可寫成 Δz，min＞54.6d/D；Δθ，min＞54.6d/Da (30) 這里Δz，Δθ分別為空間域內(nèi)軸上和周向的離散點間和夾角，a為離散柱面的半徑。
根據(jù)(26)式，聲波分量從rS→rH的傳播中，其幅度衰減量不能大于測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍，即 為了提高柱面聲場重建效果，需要在空間域或波數(shù)域進行濾波處理。本發(fā)明利用最小能量誤差原理(LSM)，導出的基于LSM的濾波函數(shù)W(m，kz)的形式為 當kr＞＞1時，由式(19)、(22)，上式簡化為 這里，rns是測量噪信比。
GHNAH的離散處理可以利用兩維空間DFT快速變換計算，以聲壓的計算為例，半徑為r的柱面軸向離散間隔為Δz，周向角度的離散間隔為Δθ，M和N分別為軸向和周向上的總離散點數(shù)，L為全息面的長度。則有 且
這里，軸向和周向的離散點坐標分別為 且 Δkz＝2π/l，kzn＝n·Δkz，L/Δz＝M-1
其它的量如振速的三個分量也可按上述類似方法處理。
對于遠聲場，利用全息測量柱面H上的復聲壓數(shù)據(jù)(矢量聲壓)，通過GENAH變換，可以計算類柱形聲源的遠場空間指向性，如圖1的極坐標形式，且S(R，φ，ψ)，H(r，θ，z) 由Helmholtz積分方程包圍聲源的任一形狀的包圍面S外任一點處的聲壓可表示為 在早期的DRL近似方法中，對(41)式進行了平面波高頻近似，根據(jù)尤拉公式 DRL法只有當S面上各點曲率半徑比聲波波長大，且聲壓沿其表面的變化率不大時，這個近似還可以接受。本發(fā)明利用GENAH變換與Helmholtz積分直接獲得(39)式中的兩項，再對(39)式進行離散運算便可獲得聲源遠場的空間指向性，不妨將積分面S取為變換后的圓柱面，經(jīng)推導歸一化遠場空間指向性函數(shù)為
其中
且 Δz＝L/M，zm＝m·Δz-L/2 Δθ＝2π/N，θn＝n·Δθ-π(44) 這里L為S面長度，M，N分別為z，θ方向的離散點數(shù)，對于水平指向性，可利用GENAH直接快速變換到遠場后得到。
綜上，該聲場的全空間變換方法，實現(xiàn)了任何介質(zhì)振動結(jié)構(gòu)輻射聲場的全空間場變換，準確的重建了近聲場，并有良好的遠聲場指向性。



圖1是本發(fā)明測量面與遠場的點的關(guān)系示意圖； 圖2是本發(fā)明測量面與遠場的點的關(guān)系示意圖； 圖3是本發(fā)明測量示意圖； 圖4是本發(fā)明柱狀的全息測量接收陣列線形構(gòu)成示意圖； 圖5是本發(fā)明柱狀的全息測量接收陣列圓形構(gòu)成示意圖； 圖6是本發(fā)明聲源柱面H上聲壓幅值分布圖； 圖7是本發(fā)明工況1時源面聲全息分布； 圖8是本發(fā)明工況2時源面聲全息分布； 圖9是本發(fā)明柱面源的遠場水平指向性對比； 圖10是本發(fā)明柱面源的遠場垂直指向性對比。

具體實施例方式 如圖1-10所示 在尺寸為長15m、寬9m、高7m水槽中進行，柱面發(fā)射聲基陣進行了近場聲全息測量。
將2個已知聲源2(應用B&K1027信號源4和L6功率放大器5產(chǎn)生生源)相距6厘米設(shè)置在水槽1中間，設(shè)置在柱狀的全息測量接收陣列3中；陣列為10*10RHC7型水聽器7，相鄰水聽器7間距為6cm；水聽器7所測量的信號，經(jīng)放大器8對柱狀的全息測量陣列中的每個測量點測量的聲壓進行采樣，放大處理；將處理的數(shù)據(jù)送入計算機9，根據(jù)以下公式進行近場和遠場的重建 波數(shù)域近場聲壓和波數(shù)域振速矢量 再經(jīng)過兩維Fourier反變換，得到近場聲壓 和振速矢量 遠場空間指向性函數(shù)
在放大器8和計算機9之間連接數(shù)據(jù)采集器10，以便于安裝；另可設(shè)置示波器10，監(jiān)視采集的信號和信號源4產(chǎn)生的信號；并可將信號源4產(chǎn)生的信號傳入計算機9進行對比；對于每個測量點取6次(可以測量1次，也可以測量多次以消除誤差)測量的聲壓值，在頻域上取平均值重建聲場。
柱狀的全息測量接收陣列3也可以不直接構(gòu)成，可以將10個水聽器7直線形排列，設(shè)置圓形滑軌12，有計算機9驅(qū)動進步電機13運動，構(gòu)成柱狀(如圖4)；可以將10個水聽器7圓形排列，設(shè)置線形滑軌14，有計算機9驅(qū)動進步電機13運動，構(gòu)成柱狀(如圖5)。
首先對測量記錄的數(shù)據(jù)進行了預處理，獲得了聲源柱狀的全息面H上的復聲壓分布，如圖6，是聲源柱面H上聲壓幅值分布圖，測量面上的聲壓幅度的起伏大，基本能反映發(fā)射狀態(tài)。
為了更清楚地了解發(fā)射基陣表面聲場的分布情況，進行GENAH變換，經(jīng)GENAH變換得到的柱面發(fā)射源表面上的聲壓、法向振速、法向有功聲強分布。比較圖7與圖8看到，dsh＝λ/2的工況1與dsh＝λ/3的工況2所獲得的結(jié)果非常接近，表明聲場變換中，通過采取濾波等措施后可使近場測量距離的影響很小。還看到全發(fā)射時，表面聲場分布較均勻，對應的區(qū)域的聲場明顯減弱。為了能判斷不發(fā)射陣元的位置及各陣元的輻射情況，還計算了基陣及各陣元輻射聲功率分布，見表1，對比工況1與工況2的結(jié)果，兩者對應陣元的輻射聲功率值較接近。
以上實驗數(shù)據(jù)的處理表明，該聲場全息測量方法在近場聲全息場變換時，提供了包括源面聲壓、法向振速和法向聲強分布、源面及近場有功聲強矢量分布，凸現(xiàn)了其特性，重建準確。
工況1總輻射聲功率136.28dB
工況2總輻射聲功率136.44dB
表1 再利用基于GENAH變換的遠場指向性計算法，計算了柱面發(fā)射陣的水平、垂直指向性并與直接在遠場測量的結(jié)果進行了對比，見圖9與圖10(虛線為實際測量值，實線為計算值)，結(jié)果基本吻合。
綜上，通過上述實施例的實際測量值和計算值對比，通過一次聲場全息測量及近場聲全息場變換，提供了非常豐富的聲場信息，包括源面聲壓、法向振速和法向聲強分布；源面及近場有功聲強矢量分布；發(fā)射基陣及陣元輻射聲功率分布；遠場空間指向性及指向性參數(shù)計算等。這些結(jié)果是常規(guī)聲學測量方法難以一次測量實現(xiàn)的，表現(xiàn)了近場聲全息技術(shù)的重要實用價值和效益。證實了本實驗方法的可行性，該實驗的實驗裝置的設(shè)計與實施方法作細節(jié)改進后可用于更廣泛的聲全息系統(tǒng)的應用。
雖然本發(fā)明利用上述實施例進行了詳細地闡述，但并不是限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，應當可作各種的更動與修改，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，應視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1、一種聲場的全空間變換方法，其特征在于該聲場的全空間變換方法的步驟為
1)將聲源設(shè)置在柱狀的全息測量接收陣列中；
2)對柱狀的全息測量陣列中的每個測量點進行復聲壓采樣，放大處理；
3)將處理的數(shù)據(jù)送入計算機，根據(jù)以下公式進行近場和遠場的聲場重建波數(shù)域近場聲壓和
波數(shù)域振速矢量
再經(jīng)過兩維Fourier反變換，得到近場聲壓
和振速矢量
遠場空間指向性函數(shù)
其中p(rS，θ，z)為在圓柱S上聲壓值，即任意面的聲壓值；p(rH，θ，z)柱狀全息測量接收陣列中測得的聲壓值；m為整數(shù)；kz為軸向波數(shù)；kr為徑向波數(shù)，且柱函數(shù)Zm(krr)定義為這里是第2類Hankle函數(shù)(Jm，Nm分別為Bessel函數(shù)和Neumann函數(shù))，表示向外傳播的柱面擴散波(時間因子為exp(jωt)，Km(x)為修正的Hankle函數(shù)；振速變換向量函數(shù)為
濾波函數(shù)W(m，kz)為
rns為測量噪信比，
為已知數(shù)；
為Euler方程中的值；
Δz＝L/M，zm＝m·Δz-L/2；Δθ＝2π/N，θn＝n·Δθ-π。均為測量面上的已知幾何量。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲場的全空間變換方法，其特征在于所述聲源大于等于1個。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲場的全空間變換方法，其特征在于所述對柱狀的全息測量陣列中的每個測量點的復聲壓進行采樣，采樣的次數(shù)大于等于一次，當大于一次時，在頻域上對采樣值取平均值處理。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲場的全空間變換方法，其特征在于所述柱狀的全息測量接收陣列是由聲壓傳感器直接均勻分布在柱面上形成。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲場的全空間變換方法，其特征在于所述柱狀的全息測量接收陣列是由聲壓傳感器均勻分布一個圓周上，由進步電機帶動圓形分布的聲壓傳感器沿垂直于圓面的方向做直線運動形成。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲場的全空間變換方法，其特征在于所述柱狀的全息測量接收陣列是聲壓傳感器均勻分布一條直線上，由進步電機帶動直線分布的聲壓傳感器沿垂直于直線方向做圓周運動形成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聲場的全空間變換方法，該聲場的全空間變換方法的步驟為1)將聲源設(shè)置在柱狀的全息測量接收陣列中；2)對柱狀的全息測量陣列中的每個測量點測量的聲壓進行全息采樣，放大處理；3)將處理的數(shù)據(jù)送入計算機，根據(jù)以下公式進行聲源近場和遠場的重建兩個面S/H上聲壓在波數(shù)域上的關(guān)系為Pm(rS，kz)＝Zm(kr，rS)/Zm(kr，rH)·W(m，kz).Pm(rH，kz)兩個面S/H上振速矢量和聲壓在波數(shù)域上的關(guān)系為振速∪m(rS，kz)＝Gu(m，kr，rH-rS)·W(m，kz).Pm(rH，kz)；再經(jīng)過兩維Fourier反變換，得到近場聲壓(見上式1)和振速矢量(見上式2)基于近場聲全息變換的遠場空間指向性函數(shù)近似D(φ，ψ)＝|E/E0|；上述聲場的全空間變換方法，實現(xiàn)了任意振動結(jié)構(gòu)輻射聲場的全空間場變換，既準確的重建了近聲場，又精確的推算出遠場空間指向性函數(shù)。
文檔編號G01H3/00GK101344428SQ200810116959
公開日2009年1月14日 申請日期2008年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月22日
發(fā)明者何元安 申請人:鴻遠亞太科技(北京)有限公司