專利名稱：重建聲學(xué)場的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲學(xué)場的重建。
背景技術(shù)：
近場聲全息(NAH)是一種用于聲幅射的3D可視化和基于聲源附近的表面上的測 量的精確噪聲源定位的非常有用工具。它的還重建漸逝波分量的能力確保非常高的空間分辨率。已知的近場聲全息方法基于可分離坐標(biāo)系中水平面上的規(guī)則網(wǎng)格測量，允許用空 間離散傅立葉變換(DFT)執(zhí)行NAH計(jì)算，參見例如E. G. Williams、J. D. Maynard和Ε. J. Skudrzyk 等人在 J. Acoust. Soc. Am. 68，340-344 (1980)發(fā)表的 “Sound source reconstruction using a microphone array，，。因?yàn)镈FT的使用，該處理非?？?，但是使用 DFT的負(fù)面效應(yīng)包括嚴(yán)重的空間開窗效應(yīng)，除非測量區(qū)域利用高聲壓完全覆蓋這些區(qū)域。 在一些情況下，不能實(shí)現(xiàn)對測量區(qū)域的這種需求，并且在許多情況下，必要的尺寸會變得過 大。已經(jīng)提出一組技術(shù)來降低空間開窗效應(yīng)，同時(shí)仍保持DFT空間處理，但是以增加 復(fù)雜性和計(jì)算需求為代價(jià)，參見J. Hald在hter-Noise 1994論文集中發(fā)表的“Reduction of spatial windowing effects in acoustical holography，，。典型地，迭代過禾呈首先被 用于外推(extrapolate)被測區(qū)域之外所測量的聲壓，之后在擴(kuò)展的數(shù)據(jù)窗口上應(yīng)用基于 DFT的全息方法。已提出其他方法來設(shè)法避免使用空間DFT以及提供所需測量區(qū)域的減小。一種這樣的方法是Helmholtz方程最小二乘(HELS)方法，其使用根據(jù)球面波 函數(shù)的聲場的局部模型，參見例如Z. Wang和S. F. Wu的US 6，615，143的"Helmholtz equation-least-squares method for reconstructing the acoustic pressure field" J. Acoust. Soc. Am, 102(4), 2020—2032 (1997)或者 S. F. Wu 的“On reconstruction of acoustic fields using the Helmholtz equation-least-squares method”J. Acoust. Soc. Am, 107，2511-2522 Q000)。然而，因?yàn)閮H具有公共原點(diǎn)的球面波函數(shù)被用來表示 聲場，所以誤差將被引入到關(guān)于源表面的聲場重建中，除非源表面也是球面的并且以相同 的原點(diǎn)為中心。該現(xiàn)有技術(shù)方法的另一缺點(diǎn)是估計(jì)問題的需求沒有被充分確定，意味著測 量位置的數(shù)目必須大于或等于在場表示中使用的球面波函數(shù)的數(shù)目。這可以需要大量的測 量位置以獲得足夠精確的模型。第三個(gè)缺點(diǎn)是波函數(shù)的縮放(scaling)不以下述方式來應(yīng) 用，即在模型區(qū)中具有較強(qiáng)衰減的函數(shù)被縮放到相同區(qū)中的較低振幅。因?yàn)槿鄙僭摽s放，比 如TiWlonov正則化之類的傳統(tǒng)正則化方法不會適當(dāng)?shù)毓ぷ?。相反，上述現(xiàn)有技術(shù)方法結(jié)合 最小二乘解而無需正則化來應(yīng)用從計(jì)算方面講昂貴的迭代搜索來尋找球面波展開式的最 優(yōu)截?cái)唷Ｏ惹疤岢龅牧硪环N方法是在R. Steiner和J. Hald于htern. J. Acoust. Vib. 6，83—89 (2001)發(fā)表的"Near—field Acoustical Holography without the errorsand limitations caused by the use of spatial DFT" Φ W^if ^^ ^^ 息(SONAH)方法。該現(xiàn)有技術(shù)方法基于平面波函數(shù)，并且通過使用以下述方式定義的傳 遞矩陣計(jì)算接近測量表面的映射表面上的聲學(xué)量，所述方式為以最優(yōu)平均精確度來投影 (project)所有傳播波和漸逝波的加權(quán)組。從1)所有測量位置對之間的自關(guān)聯(lián)和互關(guān)聯(lián) 的自關(guān)聯(lián)矩陣以及2)從每個(gè)測量點(diǎn)到每個(gè)重建位置的互關(guān)聯(lián)的互關(guān)聯(lián)矩陣獲得傳遞矩陣。 自關(guān)聯(lián)和互關(guān)聯(lián)處于平面?zhèn)鞑ズ蜐u逝波的域中。已在 J. Hald 發(fā)表于 hter-Noise 2003 論文集中的 “Patch near-field acoustical holography using a new statistically optimal method，，禾口 J. Hald 發(fā) 表于 Euronoise 2006 論文集中白勺"Patch holography in cabin environments using a two-layer handheld array and an extended SONAH algorithm，，中描述了該框架在特定 平面測量幾何結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。這些現(xiàn)有技術(shù)文檔公開了垂直于測量平面的粒子速度分量和壓力的計(jì)算。然而， 該方法從計(jì)算方面來講是昂貴的，因?yàn)樵谶@些現(xiàn)有技術(shù)文檔中公開的關(guān)聯(lián)公式的數(shù)值計(jì)算 從計(jì)算方面來講是不高效的。

發(fā)明內(nèi)容
本文公開了一種重建聲場的方法，所述聲場由至少一個(gè)聲源生成。該方法的實(shí)施 例包括
一接收在一組測量位置中的各個(gè)位置處測量的至少第一聲學(xué)量的一組測量值； 一計(jì)算一組關(guān)聯(lián)函數(shù)中的每一個(gè)，每個(gè)關(guān)聯(lián)函數(shù)指示在所述測量位置的第一位置處的 至少一組平面?zhèn)鞑ズ蜐u逝波和在第二位置處的至少一組平面波的關(guān)聯(lián)；
一至少根據(jù)所計(jì)算的關(guān)聯(lián)函數(shù)和該組測量值來計(jì)算指示在目標(biāo)位置處的重建聲場的
第二聲學(xué)量；
其中該方法還包括存儲用于內(nèi)插對于關(guān)聯(lián)函數(shù)的各個(gè)貢獻(xiàn)(contribution)的一組內(nèi) 插函數(shù)的表示，每個(gè)貢獻(xiàn)是兩個(gè)或更少輸入?yún)?shù)的函數(shù)；以及其中計(jì)算該組關(guān)聯(lián)函數(shù)中的 每一個(gè)包括計(jì)算作為從所存儲的表示獲得的值的線性組合的每個(gè)關(guān)聯(lián)函數(shù)。發(fā)明人明白本文所述的方法可以以一致且計(jì)算高效的方式應(yīng)用于一般的幾何結(jié) 構(gòu)以及許多不同聲學(xué)量的計(jì)算。進(jìn)一步得到的結(jié)果是針對各種各樣的測量幾何結(jié)構(gòu)和聲學(xué) 量的關(guān)聯(lián)函數(shù)可以被表示為1維和/或2維函數(shù)的線性組合，所述1維和/或2維函數(shù)可 以至少局部地被兩個(gè)或更少輸入值的各個(gè)內(nèi)插函數(shù)近似。特別地，因?yàn)閮?nèi)插函數(shù)不多于二 維，所以實(shí)現(xiàn)計(jì)算上的高效以及還有精確的內(nèi)插，并且所存儲的內(nèi)插函數(shù)僅需要小的存儲 容量。因此，通過使用結(jié)合內(nèi)插的表格或近似函數(shù)，數(shù)值計(jì)算所基于的公式具有非常適合于 高效計(jì)算的形式。本文所描述的方法的實(shí)施例可以比現(xiàn)有技術(shù)方法執(zhí)行快大約9倍。聲源可以是發(fā)射或反射聲學(xué)輻射的任何對象。對象可以是任意形狀的，并且聲音 可以是任何種類的聲音，例如噪聲、可聽見的聲音、不可聽見的聲音(例如超聲或次聲等等) 或者其組合。包括一個(gè)或多個(gè)聲源的區(qū)可以由將(一個(gè)或多個(gè))聲源從無源區(qū)分離的聲表面 定義。典型地，源表面可以是包括(一個(gè)或多個(gè))聲源的物理對象的表面。該過程的實(shí)施例包括定義一個(gè)或多個(gè)虛擬源平面，每一個(gè)虛擬源平面表示一組平 面?zhèn)鞑ズ蜐u逝波函數(shù)；并且其中平面波具有相應(yīng)波數(shù)并且在相對于虛擬源平面的方向上傳播和/或漸逝。一般來說，對于虛擬源平面，可以定義指向遠(yuǎn)離源并且進(jìn)入包含測量和重建 位置的區(qū)(該區(qū)還將被稱為測量區(qū))的法線(normal)。對應(yīng)的傳播平面波通常可以覆蓋來 自法線方向以及偏離該方向高達(dá)90度的所有傳播方向。漸逝波在該法線方向上即進(jìn)入測 量區(qū)以指數(shù)形式衰減。漸逝波可以形成不同衰減率和不同切線傳播方向的連續(xù)譜。
例如，可以相對于包括聲源的對象的表面的一部分(即相對于聲表面)來定義虛擬 聲平面。例如，虛擬源平面可以被定義為從源表面間隔開短距離并且位于該對象內(nèi)部的表在測量位置處的聲學(xué)量可以由任何適合的聲學(xué)測量設(shè)備(例如傳聲器 (microphone)、水聽器(hydrophone)、壓力梯度換能器、粒子速度換能器等等或其組合)測 量。在一些實(shí)施例中，由聲學(xué)測量設(shè)備陣列(例如以規(guī)則或不規(guī)則的網(wǎng)格布置的一組這種設(shè) 備，諸如兩維或三微網(wǎng)格)執(zhí)行測量。所測量的第一聲學(xué)量可以是聲壓、聲壓梯度、粒子速度 和/或等等。重建聲場可以由適合的數(shù)據(jù)組來表示，所述數(shù)據(jù)組指示第二聲學(xué)量(例如聲壓、聲 強(qiáng)度或粒子速度)的空間分布。第一和第二聲學(xué)量可以是相同的量或不同的量。數(shù)據(jù)組可 以被表示為映射，例如直接在任意表面的實(shí)際表面幾何結(jié)構(gòu)上的第二聲學(xué)量的映射，所述 任意表面例如是要被分析的聲音/噪聲發(fā)射對象的表面或者接近對象的表面。因?yàn)橛脖砻娴捻敳可系牧Ｗ铀俣染o密對應(yīng)于表面自身的實(shí)際振動(dòng)，所以結(jié)果可以 直接被用于與結(jié)構(gòu)模型的關(guān)聯(lián)。在一些實(shí)施例中，聲場由保角映射表示。聲場參數(shù)可以被重 建并且被映射到表面上，通常被映射到源表面上或者源表面附近?？商鎿Q地或附加地，可以 生成重建聲場的特性的其他表示，例如波函數(shù)表示的有效性的3D區(qū)中的單個(gè)位置處的譜。在此處所描述的方法實(shí)施例中，計(jì)算點(diǎn)處的粒子速度或壓力的重建包括1)所有測 量位置對之間的自關(guān)聯(lián)和互關(guān)聯(lián)的自關(guān)聯(lián)矩陣的計(jì)算以及2)從每個(gè)測量點(diǎn)到目標(biāo)位置的 互關(guān)聯(lián)的互關(guān)聯(lián)矢量的計(jì)算。自關(guān)聯(lián)矩陣可以針對所有目標(biāo)位置被再次使用。在場表示中 使用的平面?zhèn)鞑ズ蜐u逝波函數(shù)的域中定義自關(guān)聯(lián)和互關(guān)聯(lián)，可以從目標(biāo)位置和測量位置中 選擇第二位置。特別地，計(jì)算可以包括各個(gè)測量點(diǎn)之間的該組平面波的關(guān)聯(lián)函數(shù)的自關(guān)聯(lián) 和互關(guān)聯(lián)矩陣的計(jì)算以及各個(gè)測量點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間的該組平面波的關(guān)聯(lián)函數(shù)的互關(guān)聯(lián)矢 量的計(jì)算。術(shù)語內(nèi)插函數(shù)(用于內(nèi)插各個(gè)貢獻(xiàn))意圖指局部近似于該貢獻(xiàn)的函數(shù)組或任何函 數(shù)。當(dāng)內(nèi)插函數(shù)的表示包括一組查找表時(shí)(每個(gè)查找表包括預(yù)先計(jì)算的相應(yīng)函數(shù)的局部近 似)，提供特別高效的計(jì)算。每個(gè)查找表可以指示由兩個(gè)輸入?yún)?shù)編索引的函數(shù)值的二維陣 列，并且每個(gè)函數(shù)值可以指示由兩個(gè)輸入值定義的輸入點(diǎn)處的二維函數(shù)的值。各個(gè)函數(shù)中 的每一個(gè)函數(shù)可以是包括由兩個(gè)輸入?yún)?shù)來參數(shù)化的積分的二維積分函數(shù)。因此，在其他點(diǎn)處的函數(shù)值可以通過制成表格的函數(shù)值之間的內(nèi)插(例如三次內(nèi) 插)而高效地獲得。因?yàn)椴檎冶硎堑途S度的，即具有二維或更低的維度，所以內(nèi)插過程是精 確的并且計(jì)算高效的，并且查找表僅需要小存儲并且可以利用很少的計(jì)算資源來生成。兩個(gè)輸入?yún)?shù)中的第一輸入?yún)?shù)可以指示在平行于虛擬源平面的平面中的第一 測量位置和第二位置之間的由波數(shù)指示的因子縮放的投影距離。兩個(gè)輸入?yún)?shù)中的第二參 數(shù)可以指示從虛擬源平面到第一測量位置和第二測量位置的相應(yīng)距離的線性組合(通常為 和或差)，由波數(shù)指示的因子縮放。在一些實(shí)施例中，該參數(shù)化允許關(guān)聯(lián)函數(shù)由一組預(yù)先計(jì)算的二維函數(shù)來表達(dá)。第二輸入?yún)?shù)可以指示投影到虛擬源平面的法線(通常為ζ軸)上的 第一測量位置和第二測量位置之間的并且由指示波數(shù)的因子縮放的投影距離。在一些實(shí)施例中，根據(jù)預(yù)定的加權(quán)方案，每個(gè)平面波函數(shù)被相應(yīng)加權(quán)因子縮放/ 加權(quán)。例如，預(yù)定的加權(quán)方案可以從均勻加權(quán)和方向性加權(quán)中選擇。在均勻加權(quán)中，每個(gè)平 面波被相同的常數(shù)因子縮放。在平面波的方向性加權(quán)中，例如通過向在傳播方向上具有平 行于源平面的較大分量的平面波提供較高的加權(quán)因子，每個(gè)平面波被相應(yīng)加權(quán)因子縮放， 所述相應(yīng)加權(quán)因子取決于平面波的傳播方向。這樣的波還被稱為離軸波，因?yàn)樗鼈儾黄叫?于虛擬源平面的表面法線。已發(fā)現(xiàn)方向性加權(quán)來改進(jìn)重建方法的精確度。根據(jù)一些實(shí)施例，已發(fā)現(xiàn)對于給定的加權(quán)方案，可以基于六個(gè)二維函數(shù)的制成表 格的表示的單個(gè)組來計(jì)算針對各種測量和重建幾何結(jié)構(gòu)的聲壓力和粒子速度二者。僅函數(shù) 參數(shù)隨著組結(jié)構(gòu)而變化，必須計(jì)算在所述函數(shù)參數(shù)處的內(nèi)插函數(shù)值。在一些實(shí)施例中，選擇虛擬源平面來定義第一空間域(也被稱為測量域)，其包括 測量位置和目標(biāo)位置；以及第二空間域(也被稱為源域)，其不同于(相對于)第一空間域，所 述第二空間域通常包括大多數(shù)聲源，即測量位置和目標(biāo)位置位于測量域中，并且在該測量 域中重建該聲場。盡管虛擬源平面通常被定義源平面內(nèi)的短距離，但是為了重建過程，由虛 擬源平面定義的測量域被假設(shè)成無源的。在一些情況下，由單個(gè)虛擬源計(jì)劃定義無源空間域是不可能或者不現(xiàn)實(shí)的。因此， 在一些實(shí)施例中，該方法基于兩組或更多組平面波，每一組都在相對于相應(yīng)虛擬源平面的 方向上傳播和漸逝。例如，虛擬源平面可以被定義為一對或多對間隔開的平行虛擬源平面， 其中無源區(qū)位于虛擬源平面的各自對的每一對之間。發(fā)明人已明白本方法和制成表格的內(nèi) 插函數(shù)的相同組也可以被應(yīng)用于這種情況，從而提供效率和靈活的重建方法。該組測量位置可以被布置在一個(gè)或多個(gè)測量平面中，例如在單個(gè)平面或兩個(gè)或多 個(gè)平行平面中。在每個(gè)平面內(nèi)，測量位置可以以不規(guī)則的模式或者任何其他適合的方式布 置在規(guī)則網(wǎng)格上。此外，本文所述的方法還可以被應(yīng)用于非平面測量幾何結(jié)構(gòu)，即其中測量 位置不位于一個(gè)或多個(gè)平行平面中但是例如位于彎曲表面上的布置。在一些實(shí)施例中，當(dāng)測量和計(jì)算點(diǎn)被布置在平行于所有虛擬源平面的各個(gè)平面中 時(shí)可以獲得進(jìn)一步增加的效率。在這樣的設(shè)置中，針對平面波的每個(gè)頻率，僅出現(xiàn)對于關(guān) 聯(lián)函數(shù)的貢獻(xiàn)的輸入?yún)?shù)之一的一些值，因此使得ID查找表的生成具有吸引力，其中每個(gè) 表格對應(yīng)于所述輸入?yún)?shù)的相應(yīng)值。因此，對于某些幾何結(jié)構(gòu)，該方法甚至基于一維內(nèi)插函 數(shù)，并且因此在計(jì)算方面特別高效地執(zhí)行。當(dāng)?shù)诙晫W(xué)量是具有在平行于虛擬源平面的方向上的分量的粒子速度時(shí)，有助于 對具有彎曲源表面的對象的改進(jìn)分析。特別地，該實(shí)施例允許橫跨彎曲重建表面分布(例如 與源表面保角)的目標(biāo)位置中的源場的改進(jìn)重建。因?yàn)橹亟ㄟ^程的該實(shí)施例提供與虛擬源 平面平行的粒子速度的分量，所以可以橫跨彎曲重建表面確定垂直于重建表面的粒子速度 的分量(和/或強(qiáng)度)。此處所公開的方法實(shí)施例被看作基于一組測量量在目標(biāo)點(diǎn)處執(zhí)行聲場參數(shù)的線 性預(yù)測，預(yù)測系數(shù)可以被確定以便在最小二乘意義下提供對所有平面?zhèn)鞑ゲê蜐u逝波的加 權(quán)組的最佳估計(jì)。最小二乘擬合可以被看作確定一組復(fù)系數(shù)的數(shù)值過程，該組復(fù)系數(shù)以適 當(dāng)方法解線性等式的過定(over-determined)組。
于是期望知道，平均來說在計(jì)算點(diǎn)處多好地預(yù)測這些平面波函數(shù)的值。因此，在一 些實(shí)施例中，重建方法包括計(jì)算指示所計(jì)算的聲學(xué)量的估計(jì)誤差的量?？梢允褂孟惹懊枋?的自關(guān)聯(lián)和互關(guān)聯(lián)(即利用少量的附加計(jì)算資源)來計(jì)算誤差指示符。上述用于估計(jì)SONAH 過程的預(yù)測精確度的方法已被證明在利用給定的測量幾何結(jié)構(gòu)來可視化并確定SONAH預(yù) 測的有效性區(qū)的方面非常有用。要注意，可以至少部分在軟件或固件中實(shí)施上文和下文中描述的方法特征，并且 在由諸如計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令之類的程序代碼裝置的執(zhí)行引起的數(shù)據(jù)處理設(shè)備或其他處理 裝置上實(shí)現(xiàn)上文和下文中描述的方法特征。在此處和下文中，術(shù)語處理裝置包括被適合地 適于執(zhí)行上述功能的任何電路和/或設(shè)備。特別地，上述術(shù)語包括通用或?qū)Ｓ每删幊涛⑻?理器、數(shù)字信號處理器(DSP)、專用集成電路(ASIC)、可編程邏輯陣列(PLA)、現(xiàn)場可編程門 陣列(FPGA)、專用電子電路等等，或其組合?？梢砸圆煌绞絹韺?shí)施本發(fā)明的實(shí)施例，所述不同方式包括上文和下文中所述的 方法、系統(tǒng)、設(shè)備和產(chǎn)品裝置，每一個(gè)都產(chǎn)生結(jié)合首次提出的方法而描述的一個(gè)或多個(gè)優(yōu)點(diǎn) 和益處，并且每一個(gè)都具有對應(yīng)于結(jié)合首次提出的方法而描述的和/或如在從屬權(quán)利要求 中所公開的實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例。特別地，用于重建聲場的處理裝置的實(shí)施例包括用于接收在一組測量位置的各個(gè) 位置處測量的至少第一聲學(xué)量的一組測量值的接口 ；以及被配置成執(zhí)行下述內(nèi)容的處理單 元
-計(jì)算一組關(guān)聯(lián)函數(shù)中的每一個(gè)，每個(gè)關(guān)聯(lián)函數(shù)指示在所述測量位置的第一位置處的 至少一組平面波與在第二位置處的至少一組平面波的關(guān)聯(lián)；以及
-至少根據(jù)所計(jì)算的關(guān)聯(lián)函數(shù)和該組測量值來計(jì)算指示目標(biāo)位置處的重建聲場的第二
聲學(xué)量；
其中所述處理單元包括用于存儲用于內(nèi)插對于關(guān)聯(lián)函數(shù)的各個(gè)貢獻(xiàn)的一組內(nèi)插函數(shù) 的表示的存儲介質(zhì)，每個(gè)貢獻(xiàn)是兩個(gè)或更少輸入?yún)?shù)的函數(shù)；并且其中所述處理單元適于 計(jì)算作為從所存儲的表示中獲得的值的線性組合的該組關(guān)聯(lián)函數(shù)中的每一個(gè)關(guān)聯(lián)函數(shù)。將會認(rèn)識到，可以在用于執(zhí)行重建過程(例如作為計(jì)算機(jī)程序的一部分或者在單 獨(dú)的文件或多個(gè)文件中)的計(jì)算機(jī)程序的軟件編譯時(shí)間生成所存儲的表示，或者可以在運(yùn) 行時(shí)間由結(jié)果所得的程序代碼生成所存儲的表示，或者可以作為其組合。例如，該表示可以 由計(jì)算機(jī)程序或安裝程序生成并且在該計(jì)算機(jī)程序的第一次執(zhí)行/安裝期間被存儲在計(jì) 算機(jī)上。用于重建聲場的系統(tǒng)可以包括如上文和下文所公開的裝置，以及用于在一組測量 位置處測量第一聲學(xué)量并且以通信連接的方式可連接到所述裝置以將所測量的值轉(zhuǎn)發(fā)到 所述裝置的一組換能器。計(jì)算機(jī)程序可以包括程序代碼裝置，當(dāng)在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)上執(zhí)行程序代碼裝置時(shí)其 適于使得所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)執(zhí)行上文公開的方法的步驟。該計(jì)算機(jī)程序可以被存儲在存儲 裝置上或者被體現(xiàn)為數(shù)據(jù)信號。存儲裝置可以包括用于存儲數(shù)據(jù)的任何適合的電路或設(shè)備 (例如RAM、R0M、EPR0M、閃速存儲器)、磁或光存儲設(shè)備(例如CD R0M、DVD硬盤)、和/或等等。


將參考附圖從下文的描述的實(shí)施例中闡明并明白上述和其他方面，在附圖中 圖1示出用于重建聲場的系統(tǒng)的示意性框圖。圖2示出計(jì)算重建聲場的過程的流程圖。圖3說明在具有僅一個(gè)虛擬源平面、具有限制勻質(zhì)且無源區(qū)的兩個(gè)平行虛擬源平 面、以及具有盒形勻質(zhì)且無源區(qū)的所有六個(gè)側(cè)面上的虛擬源平面的情況下的測量幾何結(jié)構(gòu)。圖4說明在(‘ ky)域和傳播角度域中的平面波函數(shù)的密度。圖5示出對于兩個(gè)不規(guī)則平面陣列的陣列平面中的聲壓預(yù)測的固有相對誤差級 E(r)。圖6示出在單層和雙層8X8元素陣列的XZ對稱平面中的相對誤差級。左列單 層陣列的固有誤差級萬&)。中間列由單層陣列估計(jì)的單極壓力的相對誤差。右列雙層 陣列的固有誤差級萬&)。圖7示出(a)垂直于8X8元素平面陣列的陣列平面的對稱軸上的固有相對誤差 級萬，并且圖7b示出垂直于8X8元素平面陣列的陣列平面的對稱軸上的振幅增益A。圖8示出在低頻和高頻下垂直于8X8元素平面陣列的陣列平面的對稱軸上的固 有相對誤差級和振幅增益J「力。曲線表示在重構(gòu)過程中使用的不同動(dòng)態(tài)范圍D。圖9示出在低頻和高頻下垂直于8X8元素平面陣列的陣列平面的對稱軸上的固 有相對誤差級和振幅增益J「力。曲線表示在重建過程中使用的不同虛擬源平面距離 d = - Z，而定義漸逝波的實(shí)際內(nèi)容的虛擬源距離在6cm處保持恒定。圖10說明在根據(jù)雙層8X8陣列的中心平面中的單個(gè)單極點(diǎn)源來計(jì)算3D矢量強(qiáng) 度的實(shí)施例中通過添加來自所有六個(gè)側(cè)面而不是僅兩個(gè)側(cè)面的平面波函數(shù)來得到精確度 的改進(jìn)。所述點(diǎn)源位于陣列區(qū)域之外6cm。遍及附圖，凡是可能之處，相等的參考符號指的是相等或?qū)?yīng)的元件、特征或部 件。
具體實(shí)施例方式圖1示出用于重建聲場的系統(tǒng)的示意性框圖。該系統(tǒng)包括一組聲學(xué)接收機(jī)108和 連接到所述聲學(xué)接收機(jī)的分析單元103。在下文中，聲學(xué)接收機(jī)108還將被稱為換能器。然而，將會認(rèn)識到，該聲學(xué)接收機(jī) 可以是傳聲器、水聽器、或用于測量諸如聲壓、聲壓梯度、粒子速度或其他線性量之類的聲 學(xué)特性的任何其他適合的設(shè)備。在圖1的實(shí)施例中，換能器108被實(shí)施為換能器陣列102， 其中以規(guī)則網(wǎng)格(例如1維、2維或3維網(wǎng)格)來布置該換能器108。盡管以規(guī)則網(wǎng)格的布置 允許高效的數(shù)值實(shí)施，但是可以使用其他幾何結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，甚至可以使用單個(gè)換 能器來進(jìn)行連續(xù)的不同點(diǎn)處的測量。這樣的連續(xù)測量可以在例如其中聲源是靜止的，以及 其中可以測量相對于一個(gè)或若干個(gè)參考信號的相位的情況下使用?？梢愿鶕?jù)要被分析的對 象的幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和尺寸、感興趣的頻率范圍以及期望的空間分辨率來選擇換能器的數(shù) 目和陣列的幾何結(jié)構(gòu)(例如換能器間間距)。換能器陣列102被連接到分析單元103，使得該換能器108可以例如經(jīng)由有線或無 線信號連接將所測量的信號轉(zhuǎn)發(fā)給分析單元。
10
分析單元103包括用于接收和處理來自換能器陣列102的所測量的信號的接口 電路104 ；與所述接口電路104進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的處理單元105 ；存儲介質(zhì)112 ；以及與所述處 理單元105進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的輸出單元106。即使在圖1中被示出為單個(gè)單元，但是將會認(rèn)識 到分析單元103可以被物理地分成兩個(gè)單獨(dú)的設(shè)備(例如采集前端和計(jì)算機(jī))，或者甚至多 于兩個(gè)設(shè)備。類似地，將會認(rèn)識到關(guān)于分析單元的不同子塊而描述的功能可以被分成替代 的或附加的功能或硬件單元/模塊。接口電路包括適合于從換能器108接收輸出信號并且處理所接收的信號以用于 處理單元105的后續(xù)分析的信號處理電路。接口電路104可以包括下述組件中的一個(gè)或 多個(gè)一個(gè)或多個(gè)用于放大所接收的信號的預(yù)放大器，一個(gè)或多個(gè)用于將所接收的信號轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號的模擬到數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器，一個(gè)或多個(gè)濾波器(例如寬帶濾波器)和/或等 等。例如，接口電路可以提供作為輸出數(shù)據(jù)的作為每一個(gè)換能器的頻率的函數(shù)的振幅和相 位。在一些實(shí)施例中，接口單元可以執(zhí)行同時(shí)數(shù)據(jù)采集，并且于是由處理單元105來完成所 有進(jìn)一步處理，包括通常使用FFT的數(shù)據(jù)到頻域的變換。處理單元105可以是適合的編程微處理器、計(jì)算機(jī)的中央處理單元、或用于處理 從接口單元104接收的信號的任何其他適合的設(shè)備，例如ASIC、DSP和/或等等。處理單 元適于處理經(jīng)由接口單元104接收的換能器信號，以便如本文所描述的那樣計(jì)算重建的聲 場。存儲介質(zhì)112可以包括用于存儲指示一組內(nèi)插函數(shù)的表示的數(shù)據(jù)的任何適合的 電路或設(shè)備(例如RAM、ROM、EPROM、EEPR0M、閃速存儲器)，磁或光存儲設(shè)備(例如CD ROM、 DVD、硬盤)、和/或等等。在圖1中，存儲介質(zhì)被示出為單獨(dú)的，但是與處理單元通信連接。 然而，將會認(rèn)識到，存儲介質(zhì)112還可以被體現(xiàn)為處理單元105的一部分，例如內(nèi)部存儲器。輸出單元106可以包括顯示器或用于提供重建聲場的視覺表示的任何其他適合 的設(shè)備或電路，例如用于提供打印表示的打印機(jī)和/或打印機(jī)接口?？商鎿Q地或附加地，輸 出單元106可以包括用于傳達(dá)和/或存儲指示重建的聲場的數(shù)據(jù)的任何適合的電路或設(shè)備 (例如RAM、ROM、EPROM、EEPR0M、閃速存儲器)，磁或光存儲設(shè)備(例如CD ROM、DVD、硬盤)、有 線或無線數(shù)據(jù)通信接口(例如到計(jì)算機(jī)或電信網(wǎng)絡(luò)諸如LAN、廣域網(wǎng)和因特網(wǎng)的接口)和/ 或等等。分析單元103可以被實(shí)施為適合編程的計(jì)算機(jī)，例如包括適合的信號采集板或電 路的PC。該系統(tǒng)還可以包括連接到分析單元103的適合的位置檢測設(shè)備110，以用于檢測 換能器108例如相對于參考坐標(biāo)系的位置。位置檢測設(shè)備可以包括測試臺、框架或其他結(jié) 構(gòu)，可以將換能器陣列以預(yù)定位置和定向安裝到其上，以及/或者陣列的位置和定向可以 由例如適合的傳感器手動(dòng)或自動(dòng)測量之處?？商鎿Q地，換能器陣列102可以包括位置檢測 設(shè)備或至少其一部分。例如，換能器陣列可以包括一卷(a coil of)磁場位置檢測系統(tǒng)、陀 螺儀(gyroscope)、光學(xué)位置檢測系統(tǒng)和/或等等。在操作期間，換能器陣列102被定位在對象100的表面附件，所述對象100包括發(fā) 射聲學(xué)輻射并且針對其來重建聲場的聲源111?？梢愿鶕?jù)要被分析的對象的幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜 性和尺寸、感興趣的頻率范圍以及期望的空間分辨率來選擇換能器的數(shù)目、陣列的幾何結(jié) 構(gòu)(例如換能器間間距)以及陣列和源表面之間的距離。例如，對于汽車引擎的聲場的重建，可以使用具有3cm元件間間距的傳聲器的8X8矩陣陣列。然而，將會認(rèn)識到也可以使用其 他類型和尺寸的陣列。例如由位置檢測設(shè)備110來確定陣列102的位置，并且將其饋送到分析單元103 中。陣列102的換能器108測量確定位置處的聲壓或另一適合的聲學(xué)量，并且結(jié)果所得的 換能器信號可以被發(fā)送給分析單元103。例如，換能器陣列可以是具有集成位置檢測設(shè)備的手持陣列，因而允許在對象周 圍分布的不同的可訪問位置處的測量，并且減少在用于測試的源的特殊準(zhǔn)備上所花費(fèi)的時(shí) 間最小。例如，當(dāng)將聲源(例如壓縮機(jī)、泵或其他機(jī)器)映射到測試臺上時(shí)，改變測試設(shè)置(例 如燃料管路、電子接線(wiring)等等的布線)以提供對完整面的不受妨礙的訪問所需的時(shí) 間被降低，如果沒有消除的話。另一典型應(yīng)用可以在汽車車廂內(nèi)部，其中3D陣列網(wǎng)格可以 被用于能夠區(qū)別所有方向上的源，例如可以使用雙層陣列(例如包括8X8X2傳感器)。分析單元103根據(jù)輸入數(shù)據(jù)計(jì)算重建的聲場，并且存儲和/或輸出重建聲場的表示。將參考圖2并繼續(xù)參考圖1來描述用于生成重建聲場的過程的實(shí)施例。為了說明在此處所述的重建過程，現(xiàn)在將提供所謂的S
權(quán)利要求
1.一種重建聲場的方法，所述聲場由至少一個(gè)聲源生成，該方法包括 一接收在一組測量位置中的各個(gè)位置測量的至少第一聲學(xué)量的一組測量值；一計(jì)算一組關(guān)聯(lián)函數(shù)中的每一個(gè)，每個(gè)關(guān)聯(lián)函數(shù)指示在所述測量位置中的第一位置處 的至少一組平面波與第二位置處的至少一組平面波的關(guān)聯(lián)；一至少根據(jù)所計(jì)算的關(guān)聯(lián)函數(shù)和該組測量值來計(jì)算指示目標(biāo)位置處的重建聲場的第 二聲學(xué)量；其中該方法還包括存儲用于內(nèi)插對于關(guān)聯(lián)函數(shù)的各個(gè)貢獻(xiàn)的一組內(nèi)插函數(shù)的表示，每 個(gè)貢獻(xiàn)是兩個(gè)或更少輸入?yún)?shù)的函數(shù)；并且其中計(jì)算該組關(guān)聯(lián)函數(shù)中的每一個(gè)包括計(jì)算作 為從所存儲的表示獲得的值的線性組合的每個(gè)關(guān)聯(lián)函數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該組平面波是一組平面?zhèn)鞑ズ蜐u逝波。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中該組平面波是平面?zhèn)鞑ズ蜐u逝波的連續(xù)譜。
4.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中第二位置是從目標(biāo)位置和測量位置選擇的。
5.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中每個(gè)內(nèi)插函數(shù)的表示包括查找表，每個(gè) 查找表包括各個(gè)貢獻(xiàn)的預(yù)先計(jì)算的值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中每個(gè)查找表指示由兩個(gè)輸入?yún)?shù)編索引的函數(shù) 值的二維陣列，并且其中每個(gè)函數(shù)值指示由所述兩個(gè)輸入值定義的輸入點(diǎn)處的二維函數(shù)的值。
7.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中至少一組平面波中的每一個(gè)平面波具有 相對于預(yù)定虛擬源平面而限定的傳播方向。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中包括至少一個(gè)聲源的區(qū)由將至少一個(gè)聲源從無源 區(qū)分開的源表面限定，其中虛擬源平面具有指向無源區(qū)的第一側(cè)，并且其中平面波點(diǎn)的傳 播方向遠(yuǎn)離虛擬聲源并指向無源區(qū)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其中虛擬源平面被限定成位于接近至少一個(gè)聲源 的源表面的一側(cè)上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中虛擬源平面被限定為具有距源表面的、比該組測 量位置的最近相鄰測量位置之間的平均距離更大的距離。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至10中任一項(xiàng)所述的方法，其中對于關(guān)聯(lián)函數(shù)的各個(gè)貢獻(xiàn)中的每 一個(gè)是包括被兩個(gè)輸入?yún)?shù)參數(shù)化的積分的二維積分函數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中兩個(gè)輸入?yún)?shù)中的第一個(gè)輸入?yún)?shù)指示投影到 虛擬源平面中的第一測量位置和第二位置之間的投影距離，所述投影距離由指示波數(shù)的因 子縮放。
13.根據(jù)權(quán)利要求11至12中任一項(xiàng)所述的方法，其中兩個(gè)輸入?yún)?shù)中的第二個(gè)輸入?yún)?數(shù)是指示從虛擬源平面到第一測量位置和到第二位置處的相應(yīng)距離的線性組合的參數(shù)，其 被指示波數(shù)的因子縮放。
14.根據(jù)權(quán)利要求7至13中任一項(xiàng)所述的方法，其中由根據(jù)預(yù)定加權(quán)方案的相應(yīng)加權(quán) 因子加權(quán)每個(gè)平面波。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中從均勻加權(quán)和方向性加權(quán)中選擇預(yù)定加權(quán)方 案，平面波的方向性加權(quán)是平面波的傳播方向的函數(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的方法，其中一組內(nèi)插函數(shù)的表示包括用于關(guān)于每個(gè)加 權(quán)方案內(nèi)插相應(yīng)六個(gè)二維函數(shù)的六個(gè)內(nèi)插函數(shù)的表示。
17.根據(jù)權(quán)利要求7至16中任一項(xiàng)所述的方法，其中該組測量位置被布置在一個(gè)或多 個(gè)平行測量平面中，所述測量平面與一個(gè)或兩個(gè)虛擬源平面平行。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中對于關(guān)聯(lián)函數(shù)的各個(gè)貢獻(xiàn)中的每一個(gè)是被第一 和第二輸入?yún)?shù)參數(shù)化的二維函數(shù)；其中測量平面與虛擬源平面平行；其中目標(biāo)位置被布 置在與測量平面平行的重建平面中；并且其中存儲一組內(nèi)插函數(shù)的表示包括針對第二輸入 參數(shù)的各個(gè)值生成查找表，每個(gè)查找表指示由第一輸入?yún)?shù)編索引的二維函數(shù)的函數(shù)值的 一維陣列，所述陣列包括在第二輸入?yún)?shù)的對應(yīng)值以及第一輸入?yún)?shù)的各個(gè)值處的二維函 數(shù)的函數(shù)值。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中第一輸入?yún)?shù)指示用于為其計(jì)算關(guān)聯(lián)函數(shù)的兩 個(gè)位置的投影之間的距離，所述投影是虛擬源平面上的投影，并且所述距離乘以波數(shù)。
20.根據(jù)權(quán)利要求7至19中任一項(xiàng)所述的方法，其中第二聲學(xué)量是在平行于虛擬源平 面的方向上具有分量的粒子速度。
21.根據(jù)權(quán)利要求7至20中任一項(xiàng)所述的方法，包括限定多于一個(gè)虛擬源平面，每個(gè)對 應(yīng)于相應(yīng)組的平面波；并且其中每一個(gè)關(guān)聯(lián)函數(shù)指示在所述測量位置的第一個(gè)測量位置處 的該組平面波與第二位置處的該組平面波的關(guān)聯(lián)。
22.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，包括使用該組關(guān)聯(lián)函數(shù)來計(jì)算指示所計(jì)算 的第一聲學(xué)量的估計(jì)誤差的量。
23.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中以不規(guī)則的平面陣列布置測量位置。
24.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中從聲壓、聲壓梯度和粒子速度選擇第一 聲學(xué)量。
25.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中從聲壓、粒子速度和聲強(qiáng)度選擇第二聲學(xué)量。
26.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中至少一個(gè)內(nèi)插函數(shù)的表示包括查找表， 所述查找表包括各個(gè)貢獻(xiàn)的預(yù)先計(jì)算的函數(shù)值；其中所述貢獻(xiàn)是包括對于至少一對輸入值 的奇異點(diǎn)的函數(shù)；并且其中計(jì)算作為從所存儲的表示獲得的值的線性組合的關(guān)聯(lián)函數(shù)包 括一獲得多個(gè)乘以相應(yīng)縮放因子的所存儲的函數(shù)值以補(bǔ)償奇異點(diǎn)，所述縮放因子取決于 對于貢獻(xiàn)的各個(gè)輸入值；一執(zhí)行所縮放的函數(shù)值之間的內(nèi)插以獲得縮放的內(nèi)插值，并且內(nèi)插值除以對應(yīng)的縮放 因子。
27.一種用于重建聲場的處理裝置，處理設(shè)備包括用于接收在一組測量位置中的各個(gè) 位置測量的至少第一聲學(xué)量的一組測量值的接口 ；并且處理單元被配置成一計(jì)算一組關(guān)聯(lián)函數(shù)中的每一個(gè)，每個(gè)關(guān)聯(lián)函數(shù)指示在所述測量位置中的第一位置處 的至少一組平面波與第二位置處的至少一組平面波的關(guān)聯(lián)；一至少根據(jù)所計(jì)算的關(guān)聯(lián)函數(shù)和該組測量值來計(jì)算指示目標(biāo)位置處的重建聲場的第 二聲學(xué)量；其中所述處理單元包括用于存儲用于內(nèi)插對于關(guān)聯(lián)函數(shù)的各個(gè)貢獻(xiàn)的一組內(nèi)插函數(shù)的表示的存儲介質(zhì)，每個(gè)貢獻(xiàn)是兩個(gè)或更少輸入?yún)?shù)的函數(shù)；并且其中所述處理單元適于 計(jì)算作為從所存儲的表示獲得的值的線性組合的該組關(guān)聯(lián)函數(shù)中的每一個(gè)關(guān)聯(lián)函數(shù)。
28.一種用于重建聲場的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括在權(quán)利要求27中限定的處理裝置；以及用 于在一組測量位置處測量第一聲學(xué)量并且能夠以通信連接的方式連接到所述裝置以便將 所測量的第一聲學(xué)量轉(zhuǎn)發(fā)到所述處理裝置的一組換能器。
29.將根據(jù)權(quán)利要求27的裝置用于重建由交通工具的噪聲源生成的聲場。
30.包括程序代碼裝置的計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)上執(zhí)行所述程序代碼裝置時(shí)， 適于使得數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至26中任一項(xiàng)所述的方法的步驟。
全文摘要
公開了一種重建聲場的方法。該方法包括接收在一組測量位置測量的第一聲學(xué)量的測量值；根據(jù)平面波的疊加計(jì)算目標(biāo)位置的第二聲學(xué)量。該方法包括存儲一組各個(gè)函數(shù)的內(nèi)插表示，每個(gè)函數(shù)是兩個(gè)或更少輸入?yún)?shù)的函數(shù)；并且計(jì)算包括計(jì)算一組關(guān)聯(lián)函數(shù)中的每一個(gè)，每個(gè)關(guān)聯(lián)函數(shù)指示在所述測量位置中的第一位置處的平面波與第二位置處的平面波的關(guān)聯(lián)，作為從該組內(nèi)插表示獲得的值的線性組合。
文檔編號G01H3/12GK102089634SQ200980126445
公開日2011年6月8日 申請日期2009年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月8日
發(fā)明者哈德 J. 申請人:布魯爾及凱爾聲音及振動(dòng)測量公司