專利名稱：辨識(shí)聲源特性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種辨識(shí)聲源特性的方法，屬于物理專業(yè)中噪聲類領(lǐng)域噪聲的控制問題已越來越受到人們的重視，在車輛噪聲、機(jī)械噪聲控制的研究與工程應(yīng)用中，尋找產(chǎn)生噪聲的主要零部件，分析聲源特性及傳播路徑，正確判斷噪聲產(chǎn)生機(jī)理，是能否找到有針對(duì)性改進(jìn)措施的前提。對(duì)于多個(gè)噪聲源同時(shí)存在，并輻射噪聲的情況，首先要判斷主要聲源的個(gè)數(shù)及它們的位置，對(duì)此已有多種方法被提出，其中，尤以奇異值分解法成熟、物理意義明確，效果較好。在查明噪聲源的數(shù)量，并找到噪聲源的位置或發(fā)聲部件之后，還需要獲得每個(gè)噪聲源所輻射的噪聲的特性。這如對(duì)3人的合唱聲進(jìn)行處理，從中獲得每個(gè)人獨(dú)唱的聲音。但是，到目前為止，如何辨識(shí)聲源的特性仍無有效方法，多數(shù)方法僅簡單指出采用手工方法連接譜線來辨識(shí)聲源的頻率特性，這往往僅適用于最簡單的聲源，稍微復(fù)雜一點(diǎn)的情況便無能為力了，即使簡單的情況也會(huì)由于判斷不對(duì)而連錯(cuò)譜線。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索和分析，日本專利特開平11-83613，名稱為音源特性認(rèn)識(shí)方法及其裝置，找到了一條辨識(shí)聲源頻率特性有效途徑，對(duì)于自由聲場或接近自由聲場的測試條件，該方法有較好的效果，可以適用于一些機(jī)械噪聲聲源特性辨識(shí)。但是，在實(shí)際應(yīng)用方面，該方法對(duì)于混響比較嚴(yán)重的測試條件，如車廂或其他封閉腔室等，聲源辨識(shí)的結(jié)果就不夠理想。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種辨識(shí)聲源特性的方法。本發(fā)明可直接從現(xiàn)場測得的聲信號(hào)獲得聲源的頻率特性，從而可以了解各噪聲源產(chǎn)生機(jī)理，找到最有效的降噪方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下辨識(shí)聲源特性的方法分為以下三個(gè)步驟(1)在多個(gè)聲源同時(shí)產(chǎn)生聲輻射場合，首先確定主要聲源的數(shù)量，然后在這些聲源附近布置與噪聲源數(shù)量相同的傳聲器，這些傳聲器同時(shí)測量聲壓信號(hào)，并將這些聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成所分析頻率范圍的互譜矩陣，然后對(duì)每個(gè)頻率的互譜矩陣進(jìn)行奇異值分解，得到奇異值矩陣和右特征向量矩陣；(2)尋找右特征向量矩陣中每一列元素模的最大值的位置，先比較各列最大值的大小，然后，按其順序?qū)ふ腋髁凶畲笾邓谖恢茫聪日页隽凶畲笾底畲蟮哪且涣械淖畲笾滴恢?，再將此最大值所在行的其它元素置?，依次類推，尋找其余各列最大值位置，直至確定右特征向量矩陣每列最大值的位置，根據(jù)這些位置最大值的位置調(diào)整奇異值矩陣中奇異值的位置；(3)將各個(gè)頻率中調(diào)整后的奇異值矩陣的相同位置對(duì)角元素的值連接成曲線，即可得到每個(gè)噪聲源輻射聲的頻率特性。
根據(jù)右特征向量矩陣V的值，構(gòu)造一個(gè)重置矩陣P，重新排列奇異值矩陣∧的對(duì)角元素，重置后的奇異值矩陣的對(duì)角元素，反映了聲源的頻率特性，具體方法如下(1)對(duì)輸入信號(hào)互譜矩陣SXX作奇異值分解，得到奇異值矩陣∧和右特征向量矩陣V，(2)將n維方陣P的全部元素初始化為0，(3)尋找V矩陣中每一列元素模的最大值，確定它們?cè)赩中的位置，先比較各列最大值的大小，然后按其順序?qū)ふ腋髁凶畲笾滴恢?，即先找出列最大值最大的那一列的最大值位置，再將此最大值所在行的其它元素置?，依次類推，尋找其余各列最大值位置，(4)將P中相應(yīng)于V每列最大值位置的元素置為1，如此可以得到重置矩陣P，(5)重置奇異值矩陣∧，即∧Z=P*∧*PT，重置后的奇異值矩陣∧Z仍為對(duì)角矩陣，但是全部譜線中∧Z的相同位置處的對(duì)角元素表示同一個(gè)非相干信號(hào)能量的度量，將各個(gè)頻率∧Z中的相同位置處的對(duì)角元素的值連接成曲線，即可得到各非相干聲源輻射聲的頻率特性。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，當(dāng)車輛、艦船和其他復(fù)雜機(jī)械往往有多個(gè)聲源同時(shí)存在，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，這些聲源同時(shí)輻射噪聲，因此一般不可能直接測量每個(gè)聲源的輻射聲，本發(fā)明可以在一般的現(xiàn)場測量條件下，用比較普通的儀器分析主要聲源的頻率特性，從而掌握每個(gè)聲源的產(chǎn)生機(jī)理，為采取最有效的降噪措施提供依據(jù)。本發(fā)明分析每個(gè)聲源的頻率特性，還可以通過聲信號(hào)來檢測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，診斷故障。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步描述

圖1聲源分析和信號(hào)測量關(guān)系示意2聲源特性辯識(shí)模擬示意3三個(gè)聲源輻射聲頻率信號(hào)示意4三個(gè)聲源輻射聲奇異值頻率曲線5三個(gè)聲源輻射聲重置后奇異值曲線圖本發(fā)明主要分為以下三個(gè)步驟1、在多個(gè)聲源同時(shí)產(chǎn)生聲輻射場合，首先確定主要聲源的數(shù)量，然后在這些聲源附近布置與噪聲源數(shù)量相同的傳聲器，這些傳聲器同時(shí)測量聲壓信號(hào)，并將這些聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成所分析頻率范圍的互譜矩陣，然后對(duì)每個(gè)頻率的互譜矩陣進(jìn)行奇異值分解，得到奇異值矩陣和右特征向量矩陣；2、尋找右特征向量矩陣中每一列元素模的最大值的位置，先比較各列最大值的大小，然后，按其順序?qū)ふ腋髁凶畲笾邓谖恢?，即先找出列最大值最大的那一列的最大值位置，再將此最大值所在行的其它元素置?，依次類推，尋找其余各列最大值位置，直至確定右特征向量矩陣每列最大值的位置，根據(jù)這些位置最大值的位置調(diào)整奇異值矩陣中奇異值的位置；3、將各個(gè)頻率中調(diào)整后的奇異值矩陣的相同位置對(duì)角元素的值連接成曲線，即可得到每個(gè)噪聲源輻射聲的頻率特性。
如圖1所示，噪聲分析中聲源與測量信號(hào)的關(guān)系，其中，聲源信號(hào)矢量U由n個(gè)相互獨(dú)立的物理聲源的輻射聲ui(i=1，2，…，n)組成，它們通常都是不可測量的；n個(gè)傳感器測得的輸入信號(hào)xi(i=1，2，…，n)構(gòu)成了輸入矢量。通常每個(gè)傳聲器測得的信號(hào)xi中包含了多個(gè)或全部聲源ui的輻射聲，聲源信號(hào)與輸入之間的傳遞函數(shù)為G，G通常是滿陣，即輸入是聲源信號(hào)的線性函數(shù)X=GHU (1)GH表示矩陣G的共軛轉(zhuǎn)置。則聲源信號(hào)的互譜SUU與輸入的互譜SXX之間的關(guān)系為SXX=GHSUUG(2)對(duì)輸入互譜SXX作奇異值分解SXX=U∧VH(3)由于已用某種方法[1]找到的n個(gè)聲源都是相互獨(dú)立的，所以輸入的互譜矩陣SXX是可逆矩陣。式(3)中的V為SXX的右特征向量矩陣，而U為SXX的左特征向量矩陣，U、VH均為正交矩陣；奇異值矩陣∧為對(duì)角陣，其對(duì)角元素λi的大小是對(duì)應(yīng)的聲源信號(hào)能量的度量，但不能反映聲源信號(hào)的頻率特性。
本發(fā)明根據(jù)右特征向量矩陣V的值，構(gòu)造一個(gè)重置矩陣P，重新排列奇異值矩陣∧的對(duì)角元素，重置后的奇異值矩陣的對(duì)角元素，反映了聲源的頻率特性，具體方法如下(1)對(duì)輸入信號(hào)互譜矩陣SXX作奇異值分解，得到奇異值矩陣∧和右特征向量矩陣V，(2)將n維方陣P的全部元素初始化為0，(3)尋找V矩陣中每一列元素模的最大值，確定它們?cè)赩中的位置，先比較各列最大值的大小，然后按其順序?qū)ふ腋髁凶畲笾滴恢茫聪日页隽凶畲笾底畲蟮哪且涣械淖畲笾滴恢?，再將此最大值所在行的其它元素置?，依次類推，尋找其余各列最大值位置，(4)將P中相應(yīng)于V每列最大值位置的元素置為1，如此可以得到重置矩陣P，(5)重置奇異值矩陣∧，即∧z=P*∧*PT，
重置后的奇異值矩陣∧Z仍為對(duì)角矩陣，但是全部譜線中∧Z的相同位置處的對(duì)角元素表示同一個(gè)非相干信號(hào)能量的度量，將各個(gè)頻率∧Z中的相同位置處的對(duì)角元素的值連接成曲線，即可得到各非相干聲源輻射聲的頻率特性。
以下進(jìn)一步介紹實(shí)施例，如圖2所示，如果有三個(gè)聲源同時(shí)產(chǎn)生聲輻射，分別是u1、u2和u3，而這些輻射聲是不可能單獨(dú)測得的，因此輻射聲的頻率特性(如圖3中的自功率譜u1、u2和u3)也無法獲悉。在這些聲源近布置三個(gè)傳聲器C1、C2、C3，傳聲器越靠近聲源，辨識(shí)的效果通常就越好。將傳聲器測得的聲壓信號(hào)經(jīng)放大器F后送至專用分析器或PC計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)或分析器可以根據(jù)傳聲器測得的聲壓信號(hào)計(jì)算所分析頻率范圍(如0-5000Hz)的互譜矩陣，對(duì)互譜矩陣進(jìn)行奇異值分解，三個(gè)奇異值的頻率曲線見圖4中的λ1、λ2和λ3，顯然奇異值是按大小排列的，不能體現(xiàn)每個(gè)聲源的特生；再根據(jù)奇異值分解時(shí)獲得的右特征向量矩陣中各列向量中最大元素的順序和位置，重置奇異值的順序，將重置后的奇異值連成曲線λz1、λz2和λz3(見圖5)，即可掌握每個(gè)聲源輻射聲的特性。比較圖3和圖5，可以看到，重置后的奇異值頻譜圖很好地反映了聲源的頻率特性。即使在測量中含有弱信號(hào)、或耦合嚴(yán)重、或測量噪聲較高，本發(fā)明的辨識(shí)效果均相當(dāng)好。
權(quán)利要求
1.一種辨識(shí)聲源特性的方法，其特征在于在多個(gè)聲源同時(shí)產(chǎn)生聲輻射場合，首先確定主要聲源的數(shù)量，然后在這些聲源附近布置與噪聲源數(shù)量相同的傳聲器，這些傳聲器同時(shí)測量聲壓信號(hào)，并將這些聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成所分析頻率范圍的互譜矩陣，然后對(duì)每個(gè)頻率的互譜矩陣進(jìn)行奇異值分解，得到奇異值矩陣和右特征向量矩陣，即先找出列最大值最大的那一列的最大值位置，直至確定右特征向量矩陣每列最大值的位置，根據(jù)這些位置最大值的位置調(diào)整奇異值矩陣中奇異值的位置，將各個(gè)頻率中調(diào)整后的奇異值矩陣的相同位置對(duì)角元素的值連接成曲線，即可得到每個(gè)噪聲源輻射聲的頻率特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種辨識(shí)聲源特性的方法，其特征還在于尋找右特征向量矩陣中每一列元素模的最大值的位置，先比較各列最大值的大小，然后，按其順序?qū)ふ腋髁凶畲笾邓谖恢?，即先找出列最大值最大的那一列的最大值位置，再將此最大值所在行的其它元素置?，依次類推，尋找其余各列最大值位置，直至確定右特征向量矩陣每列最大值的位置，根據(jù)這些位置最大值的位置調(diào)整奇異值矩陣中奇異值的位置。
全文摘要
辨識(shí)聲源特性的方法在多個(gè)聲源同時(shí)產(chǎn)生聲輻射場合,首先確定主要聲源的數(shù)量,布置傳聲器,并將這些聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成所分析頻率范圍的互譜矩陣,進(jìn)行奇異值分解,得到奇異值矩陣和右特征向量矩陣,根據(jù)這些位置最大值的位置調(diào)整奇異值矩陣中奇異值的位置,將奇異值矩陣的相同位置對(duì)角元素的值連接成曲線,即得到每個(gè)噪聲特性。
文檔編號(hào)G10L15/20GK1290923SQ0011686
公開日2001年4月11日 申請(qǐng)日期2000年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月29日
發(fā)明者蔣偉康, 萬泉 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)