一种还原具有任意外形的稳态声源自由辐射声场的方法

1.本发明涉及自由场恢复技术领域，具体而言，尤其涉及一种从复杂声场中还原具有任意(封闭\非封闭)外形的稳态声源自由辐射声场的方法。


背景技术：

2.结构的振动声辐射问题广泛的存在于车辆工程、航空航天、船舶工程及海洋工程等领域，如：噪音对水下潜艇的隐蔽性和生命力的战略意义重大，船上噪音影响船员的生活舒适性等。因此，振动声辐射问题的重要性日益受到人们的重视。还原振动结构声源的声场是分析结构的振动声辐射问题的有效手段。
3.近几十年来，还原声源声场的方法技术发展迅猛，但都存在各自的局限性与不足。如：近场全息技术虽能通过非接触式测量表征源，但嘈杂的工作环境无法满足其自由场条件的要求；随后相关学者提出基于声场分离技术(sfst)的近场全息技术完成重建目标源辐射的自由场，但是，在大多数情况下，在嘈杂的有界环境中，散射声场非常重要，尤其是在高频情况下。故单独使用基于声场分离技术将输出压力作为自由场压力是不够的，因为无法从输出压力场中消除散射场；为了解决此问题，学者提出了基于直接边界元法和等效源法的自由声场还原技术，但上述方法只能还原封闭外形稳态声源的声场。因此，急需一种能从复杂声场中还原具有任意(封闭\非封闭)外形的稳态声源自由辐射声场的方法。


技术实现要素：

4.根据上述提出的无法从复杂声场中还原具有任意外形的稳态声源自由辐射声场的技术问题，而提供一种从复杂声场中还原具有任意(封闭\非封闭)外形的稳态声源自由辐射声场的方法。本发明基于间接bem(boundary element method，边界元法)的ffr(free field recovery，自由场还原)算法，分析处理全息测量面上的声场声压信号和质点振速信号，实现具有任意(封闭\非封闭)外形的稳态声源自由辐射声场的还原。
5.本发明采用的技术手段如下：
6.一种从复杂声场中还原具有任意外形的稳态声源自由辐射声场的方法，包括：
7.从复杂声场中采集两层全息测量面上的声压信号，并确定中间全息测量面上的声压信号和质点法向振速，基于所述的中间全息测量面上声压信号及质点法向振速获取声源表面处的向内传播声场和中间全息测量面上的向外传播声场的声压信号；
8.基于所述声源表面处的向内传播声场获取声源表面上的散射声压双层势源；
9.基于所述散射声压双层势源获取全息测量面上的散射声场；
10.从所述中间全息测量面上的向外传播声场中剔除所述散射声场，还原出复杂声场环境中的具有任意外形的稳态声源的自由辐射声场。
11.进一步地，基于所述的中间全息测量面上声压信号及质点法向振速获取声源表面处的向内传播声场和中间全息测量面上的向外传播声场的声压信号，包括：
12.将所述声压信号输入作为待处理信号及质点法向振速作为待处理信号，输入内外
场声场分离方程，进而输出声源表面处的向内传播声场和中间全息测量面上的向外传播声场的声压信号。
13.进一步地，基于所述声源表面处的向内传播声场获取声源表面上的散射声压双层势源，包括：以分离得到的声源表面处的向内传播声场为待处理信号，输入间接边界元形式的散射声压双层势源计算方程，输出声源表面上的散射声压双层势源。
14.进一步地，基于所述散射声压双层势源获取中间全息测量面上的散射声场，包括：将散射声压双层势源输入间接边界元形式的散射声场方程，输出中间全息测量面上的散射声场。
15.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
16.本发明提供了基于间接bem的ffr算法，分析处理采集中间全息测量面上的声场声压信号和质点振速信号，能在复杂的声场环境下实现具有任意(封闭\非封闭)外形的稳态声源自由辐射声场的还原。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明一种从复杂声场中还原具有任意(封闭\非封闭)外形的稳态声源自由辐射声场的方法的流程示意图。
19.图2为本发明实施例中测量面示意图。
20.图3为本发明实施例中具有目标声源和噪声源的封闭声腔示意图。
21.图4为本发明实施例中在200hz频率下，采集得到的中间全息测量面上的复杂声场声压信号幅值、向外传播声场声压信号幅值、以及计算得到的声源自由辐射声场声压信号幅值。
22.图5为本发明实施例中计算得到的声源自由辐射声场声压信号与还原得到的声源自由声场声压信号的幅值绝对误差及相对误差。
具体实施方式
23.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
24.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于
清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
25.如图1所示，本发明提供了一种从复杂声场中还原具有任意(封闭\非封闭)外形的稳态声源自由辐射声场的方法，包括：
26.s1、从复杂声场中采集两层全息测量面上的声压信号，并确定中间全息测量面上的声压信号和质点法向振速，基于所述的中间全息测量面上声压信号及质点法向振速获取声源表面处的向内传播声场和中间全息测量面上的向外传播声场的声压信号。其中，中间全息测量面上声压信号和质点振速确定方法如下：
[0027][0028][0029]
式中，v
n
(r)为中间全息测量面上r点的质点法向振速，ρ为介质密度，ω为声信号的角频率，d为两全息测量面间距离。表示内侧全息测量面上的声压信号，为外侧全息测量面上的声压信号，测量面如图2所示。
[0030]
具体来说，将所述声压信号输入作为待处理信号及质点法向振速作为待处理信号，输入内外场声场分离方程，进而输出声源表面处的向内传播声场和中间全息测量面上的向外传播声场的声压信号。采用传声器在两层全息测量面上采集复杂声场信号，将r置于中间全息测量面，则中间全息测量面上向外传播的声场p
o
(r)可采用向外传播声场分离方程进行确定：
[0031][0032]
将r置于声源表面，则声源表面处向内传播的声场p
i
(r)可采用向内传播声场分离方程进行确定：
[0033][0034]
式中，p
o
(r)表示中间全息面上向外传播声场，p
i
(r)表示声源表面处的向内传播声场；为中间全息测量面上的质点法向振速信号，p(r
′
)为中间全息测量面上的声压信号，s(r
′
)表示中间全息测量面上的单元面积，为格林函数，r为中间全息测量面或声源表面上空间点，r
′
为中间全息测量面上空间点，r＝|r
‑
r
′
|表示r与r
′
间距离。k＝ω/c为波数，ρ为介质密度，ω为声信号的角频率，c为介质声速，
为ψ(r,r
′
；ω)的法向导数。
[0035]
s2、基于所述声源表面处的向内传播声场获取声源表面上的散射声压双层势源。具体来说，以分离得到的声源表面处的向内传播声场为待处理信号，输入间接边界元形式的散射声压双层势源计算方程，输出声源表面上的散射声压双层势源。
[0036]
其中，间接边界元形式的散射声压双层势源计算方程为：
[0037][0038]
式中，δp
b
(r
′
)为声源表面上的散射声压双层势源，表示声源表面处的入射声场质点法向梯度，可采用向内传播声场分离方程的法向导数方程进行确定。
[0039][0040]
其中，为格林函数关于r和r
′
的二阶法向导数。
[0041]
s3、基于所述散射声压双层势源获取中间全息测量面上的散射声场。具体来说，将散射声压双层势源输入间接边界元形式的散射声场方程，输出全息测量面上的散射声场。
[0042]
其中，间接边界元形式的散射声场方程为：
[0043][0044]
式中，p
s
(r)为中间全息测量面上的散射声场。
[0045]
s4、从所述中间全息测量面上的向外传播声场中剔除所述散射声场，还原出复杂声场环境中的具有任意(封闭\非封闭)外形的稳态声源的自由辐射声场。具体来说，具有任意(封闭\非封闭)外形的稳态声源在全息面上的自由辐射声场可通过下式计算得到：
[0046][0047]
式中，为中间全息测量面上的自由辐射声场。
[0048]
下面通过具体的应用实例，对本发明的方案及效果做进一步说明。
[0049]
本实施例中，脉动球声源半径为1m，全息测量面半径为1.05m，干扰声源的球半径为0.1m，脉动球及干扰声源法向振动速度v＝1m/s，封闭声腔为边长7.5米的立方体，其边界为刚性边界。声辐射频率为200hz，介质密度ρ＝1.2kg/m3，介质声速c＝340m/s，算例分析模型如图3所示。
[0050]
本算例以与脉动球同频率的干扰球及封闭声腔模拟复杂声场中的干扰，应用本文提供的基于间接bem的ffr技术算法还原脉动球声源的自由辐射声场信息。本发明实施例中在200hz频率下，采集得到了两层全息测量面上的复杂声场声压信号幅值，分离得到的向外传播声场声压信号幅值、以及计算得到的声源自由辐射声场声压信号幅值，如图4所示；并计算得到的声源自由辐射声场声压信号与还原得到的声源自由声场声压信号的幅值绝对
误差和相对误差，如图5所示。从图中可以看出，幅值差小于26pa，与原声源自由声场声压相比误差小于7.5％，表明本文算法能够从复杂声场中还原具有任意(封闭\非封闭)外形的稳态声源自由辐射声场。
[0051]
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0052]
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0053]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
[0054]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0055]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0056]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0057]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。