本發(fā)明涉及物理專業(yè)中噪聲類領(lǐng)域多普勒效應(yīng)消除方法，更具體地說是在時(shí)域—波數(shù)域消除多普勒效應(yīng)的一種方法。

背景技術(shù)：

噪聲分析是機(jī)械零部件狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的一個(gè)重要方法。但當(dāng)機(jī)械零部件處于移動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其診斷的有效性將大大降低，主要原因就是機(jī)械零部件與傳聲器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)會(huì)對(duì)采集到的聲信號(hào)造成幅值畸變和頻率偏移，這會(huì)對(duì)診斷效果造成嚴(yán)重影響。因此如何準(zhǔn)確地消除多普勒效應(yīng)對(duì)移動(dòng)機(jī)械零部件的診斷有重要意義。目前消除多普勒效應(yīng)的方法主要有頻域方法和時(shí)域方法。頻域方法能夠準(zhǔn)確地消除多普勒效應(yīng)，但通常只能對(duì)穩(wěn)態(tài)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。時(shí)域方法直接在時(shí)域進(jìn)行計(jì)算，不僅可以計(jì)算穩(wěn)態(tài)信號(hào)，還可對(duì)非穩(wěn)態(tài)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。目前消除多普勒效應(yīng)的時(shí)域計(jì)算方法主要有重采樣方法，非線性時(shí)間映射方法以及基于完整morse聲學(xué)模型的去多普勒效應(yīng)方法。但這些方法在消除多普勒效應(yīng)時(shí)都有一些缺陷，比如重采樣方法需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行插值擬合計(jì)算，計(jì)算效率較低，非線性時(shí)間映射方法和基于完整morse聲學(xué)模型的去多普勒效應(yīng)方法需要聲源的初始位置信息，使其在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為彌補(bǔ)重采樣方法的計(jì)算效率低以及非線性時(shí)間映射方法和基于完整morse聲學(xué)模型的去多普勒效應(yīng)方法需要聲源初始位置信息的不足，提供一種高效、無需聲源初始位置的多普勒效應(yīng)消除方法。

本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明多普勒效應(yīng)消除方法的特點(diǎn)是按如下步驟進(jìn)行：

步驟1、在空間中建立兩個(gè)坐標(biāo)系，一個(gè)是靜止的固定坐標(biāo)系of(xf,yf,zf)，另一個(gè)是隨聲源以相同速度運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)坐標(biāo)系om(xm,ym,zm)；兩個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)在t＝0時(shí)刻位于同一位置；在空間中放置一聲源，聲源在xfofyf平面內(nèi)做直線移動(dòng)；在移動(dòng)聲源輻射聲場(chǎng)中設(shè)置固定坐標(biāo)系下的測(cè)量面，在測(cè)量面上等間隔均勻分布n個(gè)測(cè)量點(diǎn)；n個(gè)測(cè)量點(diǎn)中第n個(gè)測(cè)量點(diǎn)在固定坐標(biāo)系下坐標(biāo)為第n個(gè)測(cè)量點(diǎn)在移動(dòng)坐標(biāo)系下坐標(biāo)為第n個(gè)測(cè)量點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系下坐標(biāo)的相對(duì)關(guān)系為：

其中vx表示聲源移動(dòng)速度在xf軸正方向上的分量，vy表示聲源移動(dòng)速度在yf軸正方向上的分量；

步驟2、將n個(gè)傳聲器一一對(duì)應(yīng)地放置在所述n個(gè)測(cè)量點(diǎn)處進(jìn)行測(cè)量，獲得聲壓信號(hào)，包括：

在接收時(shí)刻t，各測(cè)量點(diǎn)處在固定坐標(biāo)系下的聲壓信號(hào)一一對(duì)應(yīng)為：

將所有n個(gè)測(cè)量點(diǎn)處的聲壓信號(hào)pf表征為：

在接收時(shí)刻t，各測(cè)量點(diǎn)處在移動(dòng)坐標(biāo)系下的聲壓信號(hào)一一對(duì)應(yīng)為：

將所有n個(gè)測(cè)量點(diǎn)在移動(dòng)坐標(biāo)系下聲壓信號(hào)pm表征為：

在接收時(shí)刻t，各測(cè)量點(diǎn)處不含多普勒效應(yīng)的聲壓信號(hào)一一對(duì)應(yīng)為：

將所有n個(gè)測(cè)量點(diǎn)不含多普勒效應(yīng)的聲壓信號(hào)pd表征為：

步驟3、根據(jù)n個(gè)測(cè)量點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系下坐標(biāo)的相對(duì)關(guān)系，將n個(gè)測(cè)量點(diǎn)在移動(dòng)坐標(biāo)系下的聲壓信號(hào)pm表征為：

步驟4、根據(jù)測(cè)量點(diǎn)處聲壓信號(hào)在任一坐標(biāo)系下不變的先驗(yàn)條件pm＝pf，計(jì)算獲得各測(cè)量點(diǎn)含有多普勒效應(yīng)的聲壓信號(hào)pf與不含多普勒效應(yīng)的聲壓信號(hào)pd在時(shí)域—波數(shù)域的相對(duì)關(guān)系表征為：f(pf)＝exp(-jkxvxt)×exp(-jkyvyt)×f(pd)，其中，f表示空間傅立葉變換運(yùn)算，exp表示指數(shù)運(yùn)算，kx表示在xf方向上的波數(shù)劃分，ky表示在yf方向上的波數(shù)劃分，j表示虛數(shù)單位；

步驟5、根據(jù)各測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的含有多普勒效應(yīng)的聲壓信號(hào)pf，結(jié)合數(shù)值傅立葉變換運(yùn)算，計(jì)算獲得各測(cè)量點(diǎn)不含多普勒效應(yīng)的聲壓信號(hào)表征為：

pd＝f^-1[exp(jkxvxt)×exp(jkyvyt)×f(pf)]，

其中f^-1表示空間逆傅立葉變換運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)多普勒效應(yīng)的消除。

本發(fā)明多普勒效應(yīng)消除方法的特點(diǎn)也在于：所述n個(gè)測(cè)量點(diǎn)是在平面上等間隔均勻分布。

本發(fā)明多普勒效應(yīng)消除方法的特點(diǎn)也在于：聲源移動(dòng)速度為固定值或隨時(shí)間變化。

本發(fā)明多普勒效應(yīng)消除方法的特點(diǎn)也在于：所述聲源為一個(gè)或多個(gè)，聲源信號(hào)為穩(wěn)態(tài)信號(hào)或非穩(wěn)態(tài)信號(hào)。

本發(fā)明多普勒效應(yīng)消除方法的特點(diǎn)也在于：所述空間坐標(biāo)系為三維坐標(biāo)系或二維坐標(biāo)系。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：

1、本發(fā)明方法無需插值擬合計(jì)算，計(jì)算效率較高；

2、本發(fā)明方法無需聲源初始位置的先驗(yàn)信息，能夠準(zhǔn)確消除未知初始位置聲源的多普勒效應(yīng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法中固定坐標(biāo)系、移動(dòng)坐標(biāo)系、聲源s及測(cè)量點(diǎn)位置示意圖；

圖2a為在聲源移動(dòng)時(shí)測(cè)量點(diǎn)a接收時(shí)域信號(hào)與利用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的時(shí)域信號(hào)的對(duì)比，圖2a中以點(diǎn)表征的曲線為實(shí)際測(cè)量得到的時(shí)域信號(hào)，以實(shí)線表征的曲線為采用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的時(shí)域信號(hào)；

圖2b為在聲源移動(dòng)時(shí)測(cè)量點(diǎn)a接收信號(hào)的頻譜與利用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的信號(hào)頻譜的對(duì)比，圖2b中以點(diǎn)表征的曲線為實(shí)際測(cè)量得到的信號(hào)頻譜，以實(shí)線表征的曲線為采用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的信號(hào)頻譜；

圖2c為在聲源移動(dòng)時(shí)測(cè)量點(diǎn)b接收時(shí)域信號(hào)與利用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的時(shí)域信號(hào)的對(duì)比，圖2c中以點(diǎn)表征的曲線為實(shí)際測(cè)量得到的時(shí)域信號(hào)，以實(shí)線表征的曲線為采用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的時(shí)域信號(hào)；

圖2d為在聲源移動(dòng)時(shí)測(cè)量點(diǎn)b接收信號(hào)的頻譜與利用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的信號(hào)頻譜的對(duì)比，圖2d中以點(diǎn)表征的曲線為實(shí)際測(cè)量得到的信號(hào)頻譜，以實(shí)線表征的曲線為采用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的信號(hào)頻譜。

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例中多普勒效應(yīng)消除方法是按如下步驟進(jìn)行：

步驟1、如圖1所示，在空間中建立兩個(gè)坐標(biāo)系，一個(gè)是靜止的固定坐標(biāo)系of(xf,yf,zf)，以f表示固定坐標(biāo)系，另一個(gè)是隨聲源以相同速度運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)坐標(biāo)系om(xm,ym,zm)，以m表示移動(dòng)坐標(biāo)系；兩個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)在t＝0時(shí)刻位于同一位置；在空間中放置一聲源，聲源在xfofyf平面內(nèi)做直線移動(dòng)，具體實(shí)施中，聲源s以速度v做勻速直線移動(dòng)；在移動(dòng)聲源輻射聲場(chǎng)中設(shè)置固定坐標(biāo)系下的測(cè)量面，在測(cè)量面上等間隔均勻分布n個(gè)測(cè)量點(diǎn)，具體實(shí)施中，測(cè)量點(diǎn)組成一個(gè)平面陣列，并與xfofyf平面平行；n個(gè)測(cè)量點(diǎn)中第n個(gè)測(cè)量點(diǎn)在固定坐標(biāo)系下坐標(biāo)為第n個(gè)測(cè)量點(diǎn)在移動(dòng)坐標(biāo)系下坐標(biāo)為第n個(gè)測(cè)量點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系下坐標(biāo)的相對(duì)關(guān)系為：

其中vx表示聲源移動(dòng)速度在xf軸正方向上的分量，vy表示聲源移動(dòng)速度在yf軸正方向上的分量。

步驟2、將n個(gè)傳聲器一一對(duì)應(yīng)地放置在n個(gè)測(cè)量點(diǎn)處進(jìn)行測(cè)量，獲得聲壓信號(hào)，包括：

在接收時(shí)刻t，各測(cè)量點(diǎn)處在固定坐標(biāo)系下的聲壓信號(hào)一一對(duì)應(yīng)為：

將所有n個(gè)測(cè)量點(diǎn)處的聲壓信號(hào)pf表征為：

在接收時(shí)刻t，各測(cè)量點(diǎn)處在移動(dòng)坐標(biāo)系下的聲壓信號(hào)一一對(duì)應(yīng)為：

將所有n個(gè)測(cè)量點(diǎn)在移動(dòng)坐標(biāo)系下聲壓信號(hào)pm表征為：

在接收時(shí)刻t，各測(cè)量點(diǎn)處不含多普勒效應(yīng)的聲壓信號(hào)一一對(duì)應(yīng)為：

將所有n個(gè)測(cè)量點(diǎn)不含多普勒效應(yīng)的聲壓信號(hào)pd表征為：以d表示消除多普勒效應(yīng)后的信號(hào)。

步驟3、根據(jù)n個(gè)測(cè)量點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系下坐標(biāo)的相對(duì)關(guān)系，將n個(gè)測(cè)量點(diǎn)在移動(dòng)坐標(biāo)系下的聲壓信號(hào)pm表征為：

步驟4、根據(jù)測(cè)量點(diǎn)處聲壓信號(hào)在任一坐標(biāo)系下不變的先驗(yàn)條件pm＝pf，計(jì)算獲得各測(cè)量點(diǎn)含有多普勒效應(yīng)的聲壓信號(hào)pf與不含多普勒效應(yīng)的聲壓信號(hào)pd在時(shí)域—波數(shù)域的相對(duì)關(guān)系表征為：f(pf)＝exp(-jkxvxt)×exp(-jkyvyt)×f(pd)，其中，f表示空間傅立葉變換運(yùn)算，具體實(shí)施中：

exp表示指數(shù)運(yùn)算，kx表示在xf方向上的波數(shù)劃分，ky表示在yf方向上的波數(shù)劃分，j表示虛數(shù)單位。

步驟5、根據(jù)各測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的含有多普勒效應(yīng)的聲壓信號(hào)pf，結(jié)合數(shù)值傅立葉變換運(yùn)算，計(jì)算獲得各測(cè)量點(diǎn)不含多普勒效應(yīng)的聲壓信號(hào)表征為：

pd＝f^-1[exp(jkxvxt)×exp(jkyvyt)×f(pf)]，

其中f^-1表示空間逆傅立葉變換運(yùn)算，具體實(shí)施中：

π為圓周率，從而實(shí)現(xiàn)多普勒效應(yīng)的消除。

為了進(jìn)行空間傅立葉變換運(yùn)算，n個(gè)測(cè)量點(diǎn)是在平面上等間隔均勻分布，聲源移動(dòng)速度為固定值或隨時(shí)間變化，聲源為一個(gè)或多個(gè)，聲源信號(hào)為穩(wěn)態(tài)信號(hào)或非穩(wěn)態(tài)信號(hào)，空間坐標(biāo)系為三維坐標(biāo)系或二維坐標(biāo)系。

具體實(shí)施中，聲源s采用一個(gè)單極子，在固定坐標(biāo)系of(xf,yf,zf)中位于(0.5m,0.5m,0m)，聲源移動(dòng)速度v在xf軸正方向上的分量為vx＝60m/s，在yf軸正方向上的分量為vy＝60m/s。測(cè)量陣列位于zf＝0.2m的平面上，陣列包含121×121個(gè)等間隔均勻分布的測(cè)量點(diǎn)，相鄰兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間距離為0.05m。聲源s輻射三個(gè)頻率組合的正弦信號(hào)，其表達(dá)式為：

s(t)＝sin(2πf1t)+sin(2πf2t)+sin(2πf3t)(1)

在式(1)中，頻率f1＝960hz，f2＝1000hz，f3＝1040hz。時(shí)域信號(hào)采樣頻率為10.24khz，采樣點(diǎn)數(shù)為512。

為檢驗(yàn)本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)的效果，選取了兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)，即測(cè)量點(diǎn)a和測(cè)量點(diǎn)b，其位置分別為a(0.5m,0.5m,0.2m)、b(1m,1m,0.2m)。圖2a和圖2c分別表示測(cè)量點(diǎn)a和測(cè)量點(diǎn)b接收時(shí)域信號(hào)與利用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的時(shí)域信號(hào)的對(duì)比，圖中以點(diǎn)表征的曲線為實(shí)際測(cè)量得到的時(shí)域信號(hào)，以實(shí)線表征的曲線為采用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的時(shí)域信號(hào)；圖2b和圖2d分別表示測(cè)量點(diǎn)a和測(cè)量點(diǎn)b接收信號(hào)的頻譜與利用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的信號(hào)頻譜的對(duì)比，圖中以點(diǎn)表征的曲線為實(shí)際測(cè)量得到的信號(hào)頻譜，以實(shí)線表征的曲線為采用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的信號(hào)頻譜。比較圖中的實(shí)線和點(diǎn)線可以看出，采用本發(fā)明方法可以很好地修正多普勒效應(yīng)帶來的幅值畸變和頻率偏移，消除測(cè)量信號(hào)中的多普勒效應(yīng)。