[发明专利]Patch近场声全息-声品质客观参量三维分布可视化方法

摘要

本发明公开了一种基于Patch近场声全息技术的声品质客观参量三维可视化方法：在大型结构声源辐射形成的存在来波和去波的声场中，利用小型麦克风阵列对大型复杂声源表面进行多次扫描测量，由本发明公开的Patch近场声全息-声品质耦合矩阵计算模型，得到声学量和声品质客观参量在整个空间声场中的分布信息，实现了声学物理量和声品质客观参量三维分布可视化。

主权项

1.基于Patch近场声全息方法的声品质客观参量的三维可视化方法，包括以下几个步骤：1)采用同一个小尺寸高密度传声器阵列对大型复杂结构声源进行多次近场扫描测量，获得整个声源面的近场声信号信息。在每次测量的同时，记录参考点位置信号，作为每次测量参考点信号。2)根据1)测量到的近场声信号信息，首先通过与参考麦克风信号进行互相干计算，获得所有测量面同步的麦克风复声压信号，然后采用Patch近场声全息方法获得声场声学量的三维空间分布信息(声压、粒子速度等)，计算结果以3D图像的形式给出。Patch近场声全息方法定义不同测量面的声压用如下公式计算：复声压相位：θ(ω)=arg[Sr,h(ω)Sr,r(ω)]---(1)]]>复声压幅值：p(ω)=Sh,h(ω)---(2)]]>复声压大小：p(r)=p(ω)·e^jθ(ω)   (3)式中：S代表相干计算，下标r,h代表参考点和阵列测量面上麦克风信号。重构面的声场变换公式如下：p(r)=p^T(A⁺A+θ²I)^-1A⁺α   (4)式中A⁺A和A⁺α由下式确定：[A+A]nn′=1πk2∫∫-∞∞ej(kz*-kz)de-jKxy(rxy,n-rxy,n′)dkxdky---(5)]]>[A+α]n=1πk2∫∫-∞∞ej(kz*d-kzz)e-jKxy(rxy-rxy,n)dkxdky---(6)]]>式中：p为测量面上所有测量点的声压组成的列向量，p^T为p的转置；r为空间任意重构点的笛卡尔坐标，r=(x,y,z)，p(r)为重构点的声压；k为波数，k_z为重建面上z方向上的空间波数，*代表复数共轭；K_xy=(k_x,k_y)，k_x为重建面上x方向上的空间波数，k_y为重建面上y方向上的空间波数；r_xy=(x,y)为重构点的xy坐标，r_xy,n=(x_n,y_n)，r_xy,n′=(x_n′,y_n′)，r_xy,n和r_xy，n′分别表示麦克风测量点n和n′的xy坐标；d为测量面到声源面的距离。3)根据2)中得到的空间中的声场信息(声压、粒子速度等)，根据本发明公开的空间中声场信息与声品质客观参量算法的耦合计算模型，得到空间各位置处的声品质信息(如响度、尖锐度等)三维分布信息，实现了声品质客观参量的三维分布可视化，并据此识别出与人主观听觉感受密切相关声源的所在位置。声品质响度的计算模型：根据Moore的响度定义，心理声学客观参量的响度计算以ERB(Equivalent Rectangular Width—等效矩形宽度)尺度为基础，在人耳0.05kHz～15kHz的听觉频率范围内建立了372个听觉滤波器，其中临界频带宽度ERB和频率f(kHz)的对应关系可近似为：ERB=24.673(0.004368f+1)   (7)式中：f为频带的中心频率。0.05kHz～15kHz频率范围内人耳听觉滤波器的中心频率可由下式得到：ERB-number=21.366lg(0.004368f+1)   (8)式中：f为滤波器的中心频率。而滤波器的输出激励可由下式求得：0.05kHz～15kHz频率范围内人耳听觉滤波器的中心频率可由下Ei=ΣW(gij)Pj2P02E0---(9)]]>式中：E_i为第i滤波器的输出激励，W(g_ij)为第i个滤波器对频率j处输入的响应，为输入信号的有效值功率，P₀为参考声压2×10^-5帕。在获得滤波器输出信号基础上，可求得特征响度N'。最终响度是对372个滤波器求得的特征响度之和，如下式：N=Σi=1372Ni′---(10)]]>尖锐度模型：在尖锐度计算过程中，尖锐度用S表示，其计算公式为：S=0.1043×∫024N′g(z)dz∫024N′dz---(11)]]>式中：N'为Zwicker响度模型中的特征响度，而g(z)=1(z<16)0.066e0.171z(z≥16)---(12)]]>根据2)中计算得到的声场中声压的空间分布结果，并结合空间中单点声品质客观参量的计算模型，建立空间中声压场与响度场的耦合三维矩阵映射模型，即：[p(x,y,z,ω1)··p(x,y,z,ωm)]1×mw1··w372w1··w372····w1··w372m×372=[N1′(x,y,z)··N372′(x,y,z)]1×372---(13)]]>或简写为：P_iW=N′   (14)式中：p_i为声场中某位置点处任一频率下的声压，P_i为声场中某位置处各频率下的声压重构值所组成的矢量，W为由372个滤波器w_i组成的听觉滤波器矩阵，表示人耳对可听频带内所有频率的响应，N′为特征响度矢量。由公式(10)对特征响度矢量N′中的各项求和便可获得声场指定点的响度，而对声场三维空间节点重复这一计算过程便可获得声场响度三维分布结果。其它声品质客观参量三维分布结果也可采用与响度计算类似的分析流程获得。