專利名稱：空調(diào)器噪聲源可視化識別的統(tǒng)計最優(yōu)近場聲全息法及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空調(diào)器噪聲源可視化識別的統(tǒng)計最優(yōu)近場聲全息法及其操作方法，用于空調(diào)噪聲源的辨識與空調(diào)器的噪聲故障診斷。

背景技術(shù)：
空調(diào)器作為一種與人們生活息息相關(guān)的家用電器其質(zhì)量尤其是噪聲品質(zhì)越來越受到人們的關(guān)注。空調(diào)器的噪聲很復(fù)雜，壓縮機(jī)、管路、風(fēng)扇、風(fēng)道和鈑金件等部件均可能產(chǎn)生噪聲，要改善空調(diào)器的噪聲品質(zhì)首先要識別出噪聲的主要來源。噪聲源的辨識方法目前主要有主觀評價法、近場測量法、分別運(yùn)行法、選擇隔離法、頻譜分析法、相干函數(shù)法、倒譜分析法、表面振速測量法、聲強(qiáng)測量法等。
主觀評價法一般只適用于有經(jīng)驗的專門從事這項工作的人；近場測量法只能比較粗略地反映，精度不高；分別運(yùn)行法適用于各零件可以分別運(yùn)行的情況；選擇隔聲法雖然可以不要求各零件能分別運(yùn)行，但是這種方法比較耗時，成本也較高；頻譜分析法、相干函數(shù)法以及倒頻譜法都是用噪聲信號來分析噪聲源的方法，具有比較精確的優(yōu)點(diǎn)；表面振速測量法是通過測量振動源表面的振動速度來反映振動輻射的強(qiáng)弱，從而而反映噪聲源；聲強(qiáng)測量法也能很準(zhǔn)確地辨識噪聲源，但是對傳聲器要求高，且一般適用于穩(wěn)態(tài)噪聲源。
近場聲全息是通過記錄物體的輻射或散射聲場，經(jīng)過重建處理，獲得其外形或內(nèi)部結(jié)構(gòu)可見像的方法和技術(shù)。
目前，聲全息技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在汽車噪聲源辨識上，與前面的噪聲源辨識技術(shù)相比，它不僅利用了聲的強(qiáng)度信息，而且還利用了聲的相位信息，因而具有其他噪聲辨識技術(shù)所不具有的特點(diǎn)。
但該技術(shù)理論推導(dǎo)的前提是在無限大孔徑上進(jìn)行全息聲壓測量，由于實際全息面復(fù)聲壓是在有限測量孔徑(即有限的全息面積)上離散進(jìn)行的，并且在聲場重建過程中，是用離散傅里葉變換來實現(xiàn)解卷積運(yùn)算的，這樣就會在全息計算過程中帶來窗效應(yīng)和卷繞誤差。
為了避免誤差，一般要求測量孔徑面積足夠大(至少是聲源尺寸的兩倍)，以至其邊緣區(qū)域的聲壓幅值可以近似為零的情況下，通過將全息面以外的聲壓視為零，這樣來減小窗效應(yīng)和卷繞誤差。否則測量孔徑邊緣出現(xiàn)的不連續(xù)性聲壓經(jīng)傅里葉變換后會產(chǎn)生很大的誤差。
對于高頻情形及噪聲源的尺寸較大時，需要大量的測點(diǎn)，需要傳聲器數(shù)目多和大量的校準(zhǔn)工作，其測量工作和重建計算都相當(dāng)耗時，效率很低、測量系統(tǒng)的成本非常昂貴。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在提供一種聲場重建效率高、測量系統(tǒng)的成本低、避免近場聲全息中存在的窗效應(yīng)和卷繞誤差的空調(diào)器噪聲源可視化識別的統(tǒng)計最優(yōu)近場聲全息法及其操作方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處。
按此目的設(shè)計的一種空調(diào)器噪聲源可視化識別的統(tǒng)計最優(yōu)近場聲全息法，其特征是 設(shè)p(r)＝p(x，y，z)為空間聲場中任意點(diǎn)(x，y，z)處的復(fù)聲壓，其頻率為f，聲波數(shù)k＝2πf/c，c為空氣在聲波的傳播速度； 近場范圍內(nèi)的任何平面上的聲壓都可以看成是無數(shù)個空間波數(shù)域的平面?zhèn)鞑ゲê唾渴挪ǖ寞B加，即有 式中，K＝(kx，ky，kz)為波數(shù)矢量；kx、ky、kz分別為x、y、z方向的空間波數(shù)；P(K)為平面聲壓角譜；為空間波數(shù)域；當(dāng)時，ΦK(r)為平面?zhèn)鞑ゲǎ划?dāng)時，ΦK(r)為平面倏逝波； 令p(rhn)為全息面上第n個測量點(diǎn)(測量孔徑一般為x、y方向的測量點(diǎn)數(shù)均為

的正方形全息面)rhn＝(xn，yn，zh)處的復(fù)聲壓，而p(r)為重建面上任意重建點(diǎn)r＝(x，y，z)處的復(fù)聲壓為 式中，cn(r)為傳遞矩陣；rhn為全息面上第n個測量點(diǎn)到重建面的距離；p(rhn)為全息面上第n個測量點(diǎn)的復(fù)聲壓； 根據(jù)波場的疊加原理可知相同波數(shù)矢量的單元平面波具有可疊加性，則有 式中，

為離散的空間波數(shù)域；

只是全息面上空間波數(shù)域中的一個點(diǎn)的值；

和

由Green函數(shù)確定，空間自由場Green函數(shù)表示一種特定的″場″和產(chǎn)生這種場的″源″之間的對應(yīng)關(guān)系，公式為G(r)＝(1/4πr)e-ikr；G(r)為Green函數(shù)； 則式(3)確定的M(M≥N)個線性方程所構(gòu)成的線性方程組通過正則化解為 {c(r)}＝([A]+[A]+θ2[I])-1[A]+ (4) 式中，[A]+為矩陣[A]的共軛轉(zhuǎn)置矩陣，[I]為單位對角矩陣；([A]+[A]+θ2[I])-1為矩陣([A]+[A]+θ2[I])逆矩陣，θ為正則化參數(shù)，起濾波作用；{c(r)}為傳遞矩陣，用于表示壓力傳遞； 將式(4)代入式(2)中可得 式中，{p}T＝[p(rh1)p(rh2)…p(rhn)]為全息面上所測量聲壓值{p}的轉(zhuǎn)置； 根據(jù)波數(shù)域的Euler公式可得到重建面上的粒子振速為 式中，{c′(r)}為傳遞矩陣，表示壓力與速度的傳遞關(guān)系，c′n(r)是{c′(r)}對應(yīng)n點(diǎn)的值；

為空間波數(shù)域的粒子振速；i、j、γ分別為點(diǎn)r處的單位矢量；u(r)為重建面上的粒子振速； 由式(5)和(6)就可實現(xiàn)用空間域中全息面上的復(fù)聲壓的線性疊加來計算重建面上的復(fù)聲壓和法向振速，而后，重建面上的三維矢量聲強(qiáng)I(r)， 式中，H為取復(fù)共軛。
一種空調(diào)器噪聲源可視化識別的統(tǒng)計最優(yōu)近場聲全息法的操作方法，其特征是 第一步，確定噪聲源位置、頻率特性、分布范圍；傳聲器陣列上傳聲器之間的間距、傳聲器個數(shù)、采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)， 第二步，標(biāo)定陳列傳聲器， 第三步，開始采集數(shù)據(jù)， 第四步，記錄聲壓數(shù)據(jù)， 第五步，進(jìn)行聲壓數(shù)據(jù)處理， 第六步，讀取處理后的數(shù)據(jù)， 第七步，進(jìn)入噪聲源識別程序。
所述確定噪聲源位置是通過噪聲源的平均尺寸a和聲場重建中所感興趣的最大頻率fmax，按照Nyguist采樣定理確定相鄰傳聲器之間的間隔距離、傳聲器個數(shù)和全息面距離參數(shù)； 將噪聲源表面的幾何信息和全息面的集合信息，通過Green函數(shù)和公式(3)確定單位波束矩陣
在確定了矩陣

后，通過正則化方法，得到聲音的壓力傳遞矩陣公式(4)的解； 由于傳聲器采集的數(shù)據(jù)是時域信號數(shù)據(jù)，對該數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理得到頻率的復(fù)聲壓數(shù)據(jù)以及噪聲源表面上重建點(diǎn)的位置信息，根據(jù)公式(5)可得重建面上的聲壓場； 根據(jù)波數(shù)域的Euler公式可得到重建面上的粒子振速見公式(6)，再結(jié)合公式(5)重建出公式(7)重建表面聲強(qiáng)場； 以通過數(shù)碼相機(jī)攝得的噪聲源表面圖象作為背景，繪制噪聲源表面上的聲壓分布、表面法向振速和平均聲強(qiáng)分布，最后進(jìn)行聲源識別。
與現(xiàn)有的空調(diào)噪聲源技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在 1、可視化識別噪聲源。傳統(tǒng)的常相干函數(shù)法、偏相干函數(shù)法、偏奇異值分析法只能得到噪聲的大概位置，其定位精度很差。而本發(fā)明基于統(tǒng)計最優(yōu)近場聲全息法是通過將聲場以圖形的方式顯示出來，從而可以直觀的判別噪聲源的位置、大小以及噪聲的傳播路徑，為控制噪聲提供了良好的基礎(chǔ)。
2、只需要較少的傳聲器數(shù)目，測量成本低。本發(fā)明直接通過空間域中全息面上復(fù)聲壓的線性疊加來計算重建面上的復(fù)聲壓和表面粒子振速，從根本上解決近場聲全息中存在的窗效應(yīng)和卷繞誤差，避免了目前近場聲全息法需要大量的傳聲器而帶來的聲場重建效率低、測量系統(tǒng)的成本非常昂貴等問題。
3、聲場重建精度高、可重建非穩(wěn)態(tài)噪聲源。采用本發(fā)明提供的方法測量噪聲源信息時，除了記錄傳播波成分外，還能記錄空間頻率高于2π/λ且隨傳播距離按指數(shù)規(guī)律衰減的倏逝波成分，解決了倏逝波的問題。本發(fā)明采集的數(shù)據(jù)精確度高、速度快、不要求噪聲源具有相干性，對聲信號瞬變系統(tǒng)非常適用。
采用本發(fā)明提供的方法可以提高空調(diào)器的質(zhì)量品質(zhì)，對解決空調(diào)器噪聲問題提供指導(dǎo)與幫助。



圖1為本發(fā)明一實施例的聲輻射示意圖。
圖2為本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集及噪聲源識別流程圖。
圖3為本發(fā)明的空調(diào)電機(jī)與傳聲器陣列。
圖4為距離空調(diào)電機(jī)0.3m重建面上的聲壓值(f＝370Hz)圖表。
圖5為距離空調(diào)電機(jī)0.3m重建面上的聲壓值(f＝1550Hz)圖表。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
參見圖1-圖5，為了驗證統(tǒng)計最優(yōu)近場聲全息法對于辨識空調(diào)器噪聲源的可行性，以長寬高為0.5m×0.3m×0.2m的空調(diào)零部件，電機(jī)的聲源為例。
將電機(jī)的中心線與呈平面網(wǎng)格陣列的傳聲器的中心對齊。陣列任意相鄰兩傳聲器的間距為0.2m，陣列的尺寸為0.8m×0.8m，陣列上的25個傳聲器接受電機(jī)發(fā)出的聲音信號，聲音信號經(jīng)過前置放大器進(jìn)行濾波、放大等處理，而后進(jìn)入多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和保存。
電機(jī)表面與傳聲器陣列之間的距離分別為0.3m、0.4m和0.5m三種情況進(jìn)行實驗。半消聲室內(nèi)的電機(jī)及其傳聲器陣列見圖3。
信號采集頻率為16384Hz，采樣時間為3s。對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉Fourier變換，以獲取全息面上的多點(diǎn)復(fù)聲壓，即聲壓的幅值及聲壓的相位。從電機(jī)的聲信號的功率譜圖得出電機(jī)噪聲的主要在370Hz和1550Hz上。
利用統(tǒng)計最優(yōu)近場聲全息法對運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)的輻射聲場進(jìn)行0.3m處聲場重建，圖4和圖5分別為重建頻率在370Hz和1550Hz的電機(jī)表面距離0.3m平面的等值線聲壓值圖。從圖4的聲壓圖中看出有兩個噪聲源，其主要分布在電機(jī)的前端和后端，即為前端的轉(zhuǎn)子軸承和后端的風(fēng)扇所產(chǎn)生。
該噪聲源產(chǎn)生的主要原因是由于前端的轉(zhuǎn)子軸承不平衡和偏心使得轉(zhuǎn)子軸承和風(fēng)扇分別發(fā)出機(jī)械噪聲和風(fēng)扇噪聲。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)到高頻時，轉(zhuǎn)子軸承發(fā)生較強(qiáng)的高頻振動，這一振動通過波形彈簧片傳遞給端蓋，進(jìn)而引起前端蓋和后端蓋產(chǎn)生高頻振動，從而產(chǎn)生高頻噪聲，見圖5。
權(quán)利要求
1.一種空調(diào)器噪聲源可視化識別的統(tǒng)計最優(yōu)近場聲全息法，其特征是
設(shè)p(r)＝p(x，y，z)為空間聲場中任意點(diǎn)(x，y，z)處的復(fù)聲壓，其頻率為f，聲波數(shù)k＝2πf/c，c為空氣在聲波的傳播速度；
近場范圍內(nèi)的任何平面上的聲壓都可以看成是無數(shù)個空間波數(shù)域的平面?zhèn)鞑ゲê唾渴挪ǖ寞B加，即有
式中，K＝(kx，ky，kz)為波數(shù)矢量；kx、ky、kz分別為x、y、z方向的空間波數(shù)；P(K)為平面聲壓角譜；為空間波數(shù)域；當(dāng)時，ΦK(r)為平面?zhèn)鞑ゲ?；?dāng)時，ΦK(r)為平面倏逝波；
令p(rhn)為全息面上第n個測量點(diǎn)(測量孔徑一般為x、y方向的測量點(diǎn)數(shù)均為的正方形全息面)rhn＝(xn，yn，zh)處的復(fù)聲壓，而p(r)為重建面上任意重建點(diǎn)r＝(x，y，z)處的復(fù)聲壓為
式中，cn(r)為傳遞矩陣；rhn為全息面上第n個測量點(diǎn)到重建面的距離；p(rhn)為全息面上第n個測量點(diǎn)的復(fù)聲壓；
根據(jù)波場的疊加原理可知相同波數(shù)矢量的單元平面波具有可疊加性，則有
式中，
為離散的空間波數(shù)域；
只是全息面上空間波數(shù)域中的一個點(diǎn)的值；
和
由Green函數(shù)確定，空間自由場Green函數(shù)表示一種特定的″場″和產(chǎn)生這種場的″源″之間的對應(yīng)關(guān)系，公式為G(r)＝(1/4πr)e-ikr；G(r)為Green函數(shù)；
則式(3)確定的M(M≥N)個線性方程所構(gòu)成的線性方程組通過正則化解為
{c(r)}＝([A]+[A]+θ2[I])-1[A]+(4)
式中，[A]+為矩陣[A]的共軛轉(zhuǎn)置矩陣，[I]為單位對角矩陣；([A]+[A]+θ2[I])-1為矩陣([A]+[A]+θ2[I])逆矩陣，θ為正則化參數(shù)，起濾波作用；{c(r)}為傳遞矩陣，用于表示壓力傳遞；
將式(4)代入式(2)中可得
式中，{p}T＝[p(rh1)p(rh2)…p(rhn)]為全息面上所測量聲壓值{p}的轉(zhuǎn)置；
根據(jù)波數(shù)域的Euler公式可得到重建面上的粒子振速為
式中，{c′(r)}為傳遞矩陣，表示壓力與速度的傳遞關(guān)系，c′n(r)是{c′(r)}對應(yīng)n點(diǎn)的值；
為空間波數(shù)域的粒子振速；i、j、γ分別為點(diǎn)r處的單位矢量；u(r)為重建面上的粒子振速；
由式(5)和(6)就可實現(xiàn)用空間域中全息面上的復(fù)聲壓的線性疊加來計算重建面上的復(fù)聲壓和法向振速，而后，重建面上的三維矢量聲強(qiáng)I(r)，
式中，H為取復(fù)共軛。
2.一種如權(quán)利要求1所述的空調(diào)器噪聲源可視化識別的統(tǒng)計最優(yōu)近場聲全息法的操作方法，其特征是
第一步，確定噪聲源位置、頻率特性、分布范圍；傳聲器陣列上傳聲器之間的間距、傳聲器個數(shù)、采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)，
第二步，標(biāo)定陳列傳聲器，
第三步，開始采集數(shù)據(jù)，
第四步，記錄聲壓數(shù)據(jù)，
第五步，進(jìn)行聲壓數(shù)據(jù)處理，
第六步，讀取處理后的數(shù)據(jù)，
第七步，進(jìn)入噪聲源識別程序。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的空調(diào)器噪聲源可視化識別的統(tǒng)計最優(yōu)近場聲全息法的操作方法，其特征是
所述確定噪聲源位置是通過噪聲源的平均尺寸a和聲場重建中所感興趣的最大頻率fmax，按照Nyguist采樣定理確定相鄰傳聲器之間的間隔距離、傳聲器個數(shù)和全息面距離參數(shù)；
將噪聲源表面的幾何信息和全息面的集合信息，通過Green函數(shù)和公式(3)確定單位波束矩陣
在確定了矩陣
后，通過正則化方法，得到聲音的壓力傳遞矩陣公式(4)的解；
由于傳聲器采集的數(shù)據(jù)是時域信號數(shù)據(jù)，對該數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理得到頻率的復(fù)聲壓數(shù)據(jù)以及噪聲源表面上重建點(diǎn)的位置信息，根據(jù)公式(5)可得重建面上的聲壓場；
根據(jù)波數(shù)域的Euler公式可得到重建面上的粒子振速見公式(6)，再結(jié)合公式(5)重建出公式(7)重建表面聲強(qiáng)場；
以通過數(shù)碼相機(jī)攝得的噪聲源表面圖象作為背景，繪制噪聲源表面上的聲壓分布、表面法向振速和平均聲強(qiáng)分布，最后進(jìn)行聲源識別。
全文摘要
一種空調(diào)器噪聲源可視化識別的統(tǒng)計最優(yōu)近場聲全息法及其操作方法，操作時，首先確定噪聲源位置、頻率特性、分布范圍；傳聲器陣列上傳聲器之間的間距、傳聲器個數(shù)、采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)，接著標(biāo)定陣列傳聲器，然后開始采集數(shù)據(jù)、記錄聲壓數(shù)據(jù)、進(jìn)行聲壓數(shù)據(jù)處理和讀取處理后的數(shù)據(jù)，最后進(jìn)入噪聲源識別程序。本發(fā)明直接通過空間域中全息面上復(fù)聲壓的線性疊加來計算重建面上的復(fù)聲壓和表面粒子振速，從根本上解決近場聲全息中存在的窗效應(yīng)和卷繞誤差，避免了目前近場聲全息法需要大量的傳聲器而帶來的聲場重建效率低、測量系統(tǒng)的成本非常昂貴等問題。其具有需要的傳聲器數(shù)目少、測量成本低和聲場重建效率高的特點(diǎn)。
文檔編號G01H17/00GK101556187SQ20091003939
公開日2009年10月14日 申請日期2009年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月7日
發(fā)明者薛瑋飛, 劉曉明, 智 張, 李賢華, 程宏理 申請人:廣東美的電器股份有限公司