專利名稱：采用雙面振速測量和二維空間傅立葉變換法分離聲場的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及物理專業(yè)中噪聲類領域聲場分離方法。

背景技術：
在實際測量時，通常會遇到測量面兩側都有聲源，或是測量面的一側存在反射或散射。而實際工程中，為了更準確地研究目標聲源的聲輻射特性或反射面的反射特性，需要將來自測量面兩側的輻射聲分開?；陔p面聲壓測量和二維空間傅立葉變換法的聲場分離技術是G.V.Frisk等在E.G.Williams等提出的近場聲全息技術和G.Weinreich等提出的雙面方法的基礎上提出的一種有效的聲場分離技術。在近二十年里，國內外許多學者對該方法進行了進一步應用和推廣。M.Tamura詳細建立了基于雙面聲壓測量和二維空間傅立葉變換法的聲場分離公式，并通過數(shù)值仿真和實驗成功求得反射界面的反射系數(shù)。Z.Hu和J.S.Bolton也對采用該方法測量平面波反射系數(shù)進行了進一步驗證。M.T.Cheng等建立了迪卡爾坐標和柱面坐標下的雙面聲場分離公式，并用于實現(xiàn)散射聲場的分離，分析了該方法分離散射場的敏感性。F.Yu等成功采用該方法分離近場聲全息測量過程中全息面上來自背向的噪聲。
采用二維空間傅立葉變換法作為聲場分離算法，具有計算速度快、實施簡單等優(yōu)勢；但是由于受傅立葉變換算法的限制，測量面的形狀只能是平面、柱面或球面等規(guī)則形狀，分離誤差偏大。尤其是現(xiàn)有的基于雙面聲壓測量和二維空間傅立葉變換法的聲場分離技術是采用兩個測量面上的聲壓作為輸入量來進行分離，分離的聲壓精度較高，但分離的法向質點振速精度相對較低。


發(fā)明內容
本發(fā)明所解決的技術問題是避免上述現(xiàn)有技術所存在的法向質點振速分離精度較低的不足，提供一種以雙測量面上法向質點振速為輸入量，采用二維空間傅立葉變換法實現(xiàn)的聲場分離方法。
本發(fā)明解決技術問題所采用的技術方案是 本發(fā)明方法的特點是按如下步驟進行 a、測量兩個面上的法向質點振速 在由聲源1和聲源2構成的被測聲場中，位于聲源1與聲源2之間有測量面S1，在測量面S1與聲源2之間設置一與測量面S1平行、且相隔距離為δh的輔助測量面S2；在兩測量面上分別分布有測量網(wǎng)格點，相鄰網(wǎng)格點之間的距離小于半個波長；測量兩個測量面上各網(wǎng)格點處的法向質點振速幅值和相位信息獲得兩測量面上的法向質點振速；所述被測聲場為穩(wěn)態(tài)聲場； b、采用二維空間傅立葉變換法建立兩測量面上法向質點振速之間的波數(shù)域傳遞關系 V1(kx，ky)＝V11(kx，ky)+V21(kx，ky) V2(kx，ky)＝V12(kx，ky)+V22(kx，ky) 其中 V1(kx，ky)為測量面S1上測得的波數(shù)域法向質點振速、 V2(kx，ky)測量面S2上測得的波數(shù)域法向質點振速、 V11(kx，ky)為聲源1與測量面S1上的波數(shù)域法向質點振速、 V12(kx，ky)為聲源1與測量面S2上的波數(shù)域法向質點振速、 V21(kx，ky)為聲源2與測量面S1上的波數(shù)域法向質點振速、 V22(kx，ky)為聲源2與測量面S2上的波數(shù)域法向質點振速、 k為波數(shù)、 (x，y，z)為三維迪卡爾坐標，測量面S1、輔助測量面S2與(x，y)坐標面平行，測量面的法向為z方向； c、計算兩測量面上由兩側聲源分別輻射的聲壓、法向質點振速 根據(jù)步驟b所建立的兩測量面上法向質點振速之間的波數(shù)域傳遞關系以及波數(shù)域歐拉公式，聯(lián)合求解獲得兩測量面上由兩側聲源分別輻射的波數(shù)域聲壓和法向質點振速為 其中 P11(kx，ky)為聲源1在測量面S1上所輻射的波數(shù)域聲壓、 P12(kx，ky)為聲源1在測量面S2上所輻射的波數(shù)域聲壓、 P21(kx，ky)為聲源2在輔助測量面S1上所輻射的波數(shù)域聲壓、 P22(kx，ky)為聲源2在輔助測量面S2上輻射的波數(shù)域聲壓、 ρ為媒質密度、c為聲速； 對波數(shù)域法向質點振速和聲壓進行二維傅立葉逆變換即可獲得兩測量面上由兩側聲源分別輻射的聲壓、法向質點振速。
本發(fā)明方法的特點也在于 各網(wǎng)格點上的法向質點振速幅值和相位信息的測量是采用單個或多個質點振速傳感器分別在兩測量面上掃描、采用質點振速傳感器陣列分別在兩測量面上快照、或采用雙質點振速傳感器陣列在兩測量面上一次快照獲得。
測量面S1和輔助測量面S2為平面、柱面或球面。
聲源1為主聲源，聲源2為噪聲源、反射源或散射源。
本發(fā)明方法是測量兩個相隔距離為δh的測量面上的法向質點振速，采用二維傅立葉變換法來實現(xiàn)測量面上由兩側聲源輻射聲壓和法向質點振速的分離。
理論模型 由理想流體媒質中小振幅聲波的波動方程，可以得到不依賴于時間的時諧聲波場的Helmholtz方程為 式中，p(x，y，z)為空間點(x，y，z)的復聲壓；k＝ω/c＝2π/λ為波數(shù)，c為聲速，λ為波長。
對于z＞0的空間為自由聲場的情況，即所有聲源均位于z＝0平面一側，由格林公式可以得到方程(1)的解，即任意平面z上的聲壓同邊界平面z＝0上的聲壓、法向質點振速在波數(shù)域內的關系為 P(kx，ky，z)＝P(kx，ky)exp(ikzz)(2) V(kx，ky，z)＝kzP(kx，ky)exp(ikzz)/ρck (3) P(kx，ky，z)＝ρckV(kx，ky)exp(ikzz)/kz (4) V(kx，ky，z)＝V(kx，ky)exp(ikzz)(5) 式中ρ為聲介質的密度，P(kx，ky，z)和P(kx，ky)分別為面z和面z＝0上聲壓的二維空間傅立葉變換，V(kx，ky)為在源平面z＝0上波數(shù)域內的法向質點振速。式中kx和ky分別對應直角坐標x和y的波數(shù)，而式中的kz為 如果分析聲場中測量面的兩側都有聲源，則測量面上的法向質點振速為兩側聲源輻射法向質點振速的組合。參見圖1，測量面S1上點(x，y)處的法向質點振速v1(x，y)為 v1(x，y)＝v11(x，y)+v12(x，y)(7) 式中，v11(x，y)為聲源1在測量面S1上點(x，y)處所輻射的法向質點振速，v12(x，y)為聲源2在測量面S1上所輻射的法向質點振速。與測量面S1相同，測量面S2上點(x，y)處的法向質點振速v2(x，y)可以表示為 v2(x，y)＝v21(x，y)+v22(x，y)(8) 式中，v21(x，y)為聲源1在測量面S2上所輻射的法向質點振速，v22(x，y)為聲源2在測量面S2上所輻射的法向質點振速。
對式(7)和(8)進行二維空間傅立葉變換，可得兩測量面上法向質點振速之間的波數(shù)域表達式為 V1(kx，ky)＝V11(kx，ky)+V21(kx，ky)(9) V2(kx，ky)＝V12(kx，ky)+V22(kx，ky)(10) 式中，V1(kx，ky)為測量面S1上測得的波數(shù)域法向質點振速，V2(kx，ky)測量面S2上測得的波數(shù)域法向質點振，V11(kx，ky)為聲源1與測量面S1上的波數(shù)域法向質點振速，V12(kx，ky)為聲源1與測量面S2上的波數(shù)域法向質點振速，V21(kx，ky)為聲源2與測量面S1上的波數(shù)域法向質點振速，V22(kx，ky)為聲源2與測量面S2上的波數(shù)域法向質點振速。
根據(jù)式(5)質點振速波數(shù)域傳遞關系，可得聲源1和聲源2在兩測量面上的法向質點振速之間的波數(shù)域傳遞關系為 式中，δh為兩測量面之間的距離。
聯(lián)合式(9-12)求解，可得兩測量面上由兩側聲源分別輻射的波數(shù)域法向質點振速為 根據(jù)式(3)質點振速與聲壓之間的傳遞關系，可得兩測量面上由兩側聲源分別輻射的波數(shù)域聲壓為 式中，P11(kx，ky)為聲源1在測量面S1上所輻射的聲壓，P12(kx，ky)為聲源1在測量面S2上所輻射的聲壓，P21(kx，ky)為聲源2在輔助測量面S1上所輻射的聲壓，P22(kx，ky)為聲源2在輔助測量面S2上輻射的聲壓。
對式(13-20)中波數(shù)域聲壓和法向質點振速進行二維傅立葉逆變換即可獲得兩測量面上由兩側聲源分別輻射的聲壓和法向質點振速。
通過上述方法，實現(xiàn)了測量面上聲壓和法向質點振速的分離，可以獲得來自測量面兩側聲源分別輻射的聲壓和法向質點振速。
與已有技術相比，本發(fā)明的有益效果 本發(fā)明采用兩個測量面上的法向質點振速作為輸入量來進行分離，分離獲得的法向質點振速具有更高的精度。



圖1為雙測量面聲場分離示意圖； 圖2(a)為信噪比為30dB時，聲源1和聲源2共同在測量面S1上產生的法向質點振速幅值分布； 圖2(b)為信噪比為30dB時，聲源1和聲源2共同在測量面S1上產生的法向質點振速相位分布； 圖3(a)為信噪比為30dB時，聲源1在測量面S1上產生的法向質點振速幅值分布； 圖3(b)為信噪比為30dB時，聲源1在測量面S1上產生的法向質點振速相位分布； 圖4(a)為信噪比為30dB時，采用本發(fā)明分離方法分離出聲源1在測量面S1上產生的法向質點振速幅值分布； 圖4(b)為信噪比為30dB時，采用本發(fā)明分離方法分離出聲源1在測量面S1上產生的法向質點振速相位分布； 圖5(a)為信噪比為30dB時，采用基于雙面聲壓測量和等效源法的聲場分離方法分離出聲源1在測量面S1上產生的法向質點振速幅值分布； 圖5(b)為信噪比為30dB時，采用基于雙面聲壓測量和等效源法的聲場分離方法分離出聲源1在測量面S1上產生的法向質點振速相位分布； 圖6(a)為信噪比為30dB時，測量面S1中間一行(x＝0)法向質點振速幅值比較； 圖6(b)為信噪比為30dB時，測量面S1中間一行(x＝0)法向質點振速相位比較。
以下通過具體實施方式
，并結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

具體實施例方式 參見圖1，本實施例中，測量面兩側均分布有聲源，其中聲源1為主聲源，聲源2為噪聲源或反射、散射源，在由聲源1和聲源2構成的被測聲場中，位于聲源1與聲源2之間有測量面S1，在測量面S1與聲源2之間設置一與測量面S1平行、且相隔距離為δh的輔助測量面S2；在兩測量面上分別分布有測量網(wǎng)格點，相鄰網(wǎng)格點之間的距離小于半個波長；δh值不為零，且不大于測量網(wǎng)格點的最小間隔。
具體實施步驟為 a、采用單個或多個質點振速傳感器分別在兩測量面上掃描、采用質點振速傳感器陣列分別在兩測量面上快照、或采用質點振速傳感器陣列在兩測量面上一次快照測量兩個面S1和S2上的法向質點振速信息； b、采用二維空間傅立葉變換法建立兩測量面上法向質點振速之間的波數(shù)域傳遞關系 V1(kx，ky)＝V11(kx，ky)+V21(kx，ky) V2(kx，ky)＝V12(kx，ky)+V22(kx，ky) 其中 V1(kx，ky)為測量面S1上測得的波數(shù)域法向質點振速、 V2(kx，ky)為測量面S2上測得的波數(shù)域法向質點振速、 V11(kx，ky)為聲源1與測量面S1上的波數(shù)域法向質點振速、 V12(kx，ky)為聲源1與測量面S2上的波數(shù)域法向質點振速、 V21(kx，ky)為聲源2與測量面S1上的波數(shù)域法向質點振速、 V22(kx，ky)為聲源2與測量面S2上的波數(shù)域法向質點振速、 k為波數(shù)； c、計算兩測量面上由兩側聲源分別輻射的聲壓、法向質點振速 根據(jù)步驟c所建立的兩測量面上法向質點振速之間的波數(shù)域傳遞關系以及波數(shù)域歐拉公式，聯(lián)合求解獲得兩測量面上由兩側聲源分別輻射的波數(shù)域聲壓和法向質點振速為 其中 P11(kx，ky)為聲源1在測量面S1上所輻射的波數(shù)域聲壓、 P12(kx，ky)為聲源2在測量面S1上所輻射的波數(shù)域聲壓、 P21(kx，ky)為聲源1在輔助測量面S2上所輻射的波數(shù)域聲壓、 P22(kx，ky)為聲源2在輔助測量面S2上輻射的波數(shù)域聲壓、 ρ為媒質密度、c為聲速； 對波數(shù)域聲壓和法向質點振速進行二維傅立葉逆變換即可獲得兩測量面上由兩側聲源分別輻射的聲壓和法向質點振速。
方法的檢驗 在測量面兩側各分布有一個脈動球，分別采用本發(fā)明的聲場分離方法和基于雙面聲壓測量和二維空間傅立葉變換法的聲場分離方法實現(xiàn)測量面上法向質點振速的分離，并與其解析解比較。
對于單個半徑為a的脈動球，其在場點r處聲壓的解析解為 式中，均勻徑向速度v＝1m/s，空氣密度為ρ＝1.2kg/m3，聲源振動頻率為1000Hz. 兩測量面的位置關系參見圖1。測量面均為1m×1m的平面，測量面之間的間距δh為0.05m，測量面上均勻地分布21×21個測量點。聲源1為位于(-0.3，0，0)m處的脈動球，聲源2為位于(0.3，-0.25，0.8)m處的脈動球。此處聲源1為主聲源，聲源2為噪聲源，需要將測量面S1上聲源1輻射法向質點振速分離出來。分析過程中，兩測量面上測量數(shù)據(jù)均加上信噪比為30dB的噪聲。
圖2(a)和圖2(b)為聲源1和聲源2共同在測量面S1上產生的法向質點振速幅值和相位分布，圖3(a)和圖3(b)為聲源1在測量面S1上產生的法向質點振速幅值和相位分布，圖4(a)和圖4(b)為采用本發(fā)明方法分離出來的聲源1在測量面S1上產生的法向質點振速幅值和相位分布，圖5(a)和圖5(b)為采用基于雙面聲壓測量和等效源法的聲場分離方法分離出來的聲源1在測量面S1上產生的法向質點振速幅值和相位分布。
從圖2、圖3、圖4和圖5可以看出聲源1和聲源2共同在測量面S1上產生的法向質點振速與聲源1單獨在測量面S1上產生的法向質點振速之間差異較大，由圖2的法向質點振速無法獲得聲源1在測量面S1上輻射信息；采用本發(fā)明方法實施分離后，可以準確得到聲源1在測量面S1上輻射信息，分離出的法向質點振速幅值和相位分布與其理論值非常吻合；采用基于雙面聲壓測量和等效源法的聲場分離方法實施分離后，所得到聲源1在測量面S1上輻射法向質點振速幅值和相位分布與采用本發(fā)明方法實施分離結果存在一定差異。
參見圖6(a)和圖6(b)，測量面中間一行(x＝0)法向質點振速幅值和相位的比較更清晰地說明了兩者分離的精度。圖6(a)和圖6(b)中，“·”為聲源1和聲源2共同在測量面S1上產生；“ο”為聲源1在測量面S1上產生；“+”為采用本發(fā)明分離方法分離出聲源1在測量面S1上產生；“*”為采用基于雙面聲壓測量和等效源法的聲場分離方法分離出聲源1在測量面S1上產生。
為了定量地區(qū)分兩種方法的分離精度，下面分別求取兩種方法的分離誤差。定義分離誤差百分比為 式中，N為所有聲源的表面結點總數(shù)，vi和vi分別為對應第i個測量點處分離的和理論的法向質點振速。由式(23)計算可得，采用本發(fā)明方法的分離誤差為9.9％，采用基于雙面聲壓測量和二維空間傅立葉變換法的聲場分離方法的分離誤差為22.9％，顯然采用本發(fā)明方法能獲得更高的法向質點振速精度。
權利要求
1、采用雙面振速測量和二維空間傅立葉變換法分離聲場的方法，其特征是按如下步驟進行
a、測量兩個面上的法向質點振速
在由聲源1和聲源2構成的被測聲場中，位于聲源1與聲源2之間有測量面S1，在測量面S1與聲源2之間設置一與測量面S1平行、且相隔距離為δh的輔助測量面S2；在兩測量面上分別分布有測量網(wǎng)格點，相鄰網(wǎng)格點之間的距離小于半個波長；測量兩個測量面上各網(wǎng)格點處的法向質點振速幅值和相位信息獲得兩測量面上的法向質點振速；所述被測聲場為穩(wěn)態(tài)聲場；
b、采用二維空間傅立葉變換法建立兩測量面上法向質點振速之間的波數(shù)域傳遞關系
V1(kx，ky)＝V11(kx，ky)+V21(kx，ky)
V2(kx，ky)＝V12(kx，ky)+V22(kx，ky)
其中
V1(kx，ky)為測量面S1上測得的波數(shù)域法向質點振速、
V2(kx，ky)為測量面S2上測得的波數(shù)域法向質點振速、
V11(kx，ky)為聲源1與測量面S1上的波數(shù)域法向質點振速、
V12(kx，ky)為聲源1與測量面S2上的波數(shù)域法向質點振速、
V21(kx，ky)為聲源2與測量面S1上的波數(shù)域法向質點振速、
V22(kx，ky)為聲源2與測量面S2上的波數(shù)域法向質點振速、
k為波數(shù)、
(x，y，z)為三維迪卡爾坐標，測量面S1、輔助測量面S2與(x，y)坐標面平行，測量面的法向為z方向；
c、計算兩測量面上由兩側聲源分別輻射的聲壓、法向質點振速
根據(jù)步驟b所建立的兩測量面上法向質點振速之間的波數(shù)域傳遞關系以及波數(shù)域歐拉公式，聯(lián)合求解獲得兩測量面上由兩側聲源分別輻射的波數(shù)域聲壓和法向質點振速為
其中
P11(kx，ky)為聲源1在測量面S1上所輻射的波數(shù)域聲壓、
P12(kx，ky)為聲源1在測量面S2上所輻射的波數(shù)域聲壓、
P21(kx，ky)為聲源2在輔助測量面S1上所輻射的波數(shù)域聲壓、
P22(kx，ky)為聲源2在輔助測量面S2上輻射的波數(shù)域聲壓、
ρ為媒質密度、c為聲速；
對波數(shù)域法向質點振速和聲壓進行二維傅立葉逆變換即可獲得兩測量面上由兩側聲源分別輻射的聲壓和法向質點振速。
2、根據(jù)權利要求1所述的聲場分離方法，其特征是所述各網(wǎng)格點上的法向質點振速幅值和相位信息的測量是采用單個或多個質點振速傳感器分別在兩測量面上掃描、采用法向質點振速傳感器陣列分別在兩測量面上快照、或采用雙法向質點振速傳感器陣列在兩測量面上一次快照獲得。
3、根據(jù)權利要求1所述的聲場分離方法，其特征是所述測量面S1和輔助測量面S2為平面、柱面或球面。
4、根據(jù)權利要求1所述的聲場分離方法，其特征是所述聲源1為主聲源，聲源2為噪聲源、反射源或散射源。
全文摘要
采用雙面振速測量和二維空間傅立葉變換法分離聲場的方法，其特征是在被測聲場中設置測量面S1和與其平行、且相隔距離為δh的輔助測量面S2；測量兩個面上的法向質點振速；采用二維空間傅立葉變換法建立兩測量面上法向質點振速之間的波數(shù)域傳遞關系；根據(jù)該傳遞關系分離出兩測量面上由兩側聲源分別輻射的聲壓、法向質點振速。本發(fā)明采用二維空間傅立葉變換法來作為聲場分離算法，計算速度快、實施簡單；采用兩個測量面上的法向質點振速作為輸入量來進行分離，與采用兩個測量面上的聲壓作為輸入量來進行分離相比，分離的法向質點振速精度更高。本發(fā)明方法可以廣泛用于內部聲場或噪聲環(huán)境下的近場聲全息測量、材料反射系數(shù)的測量，散射聲場的分離等。
文檔編號G01H17/00GK101566495SQ200910117019
公開日2009年10月28日 申請日期2009年6月5日 優(yōu)先權日2009年6月5日
發(fā)明者畢傳興, 張永斌, 亮 徐, 陳心昭 申請人:合肥工業(yè)大學