[发明专利]一种非稳态平面声源的自由场还原方法

摘要

本发明公开了一种非稳态平面声源的自由场还原方法，将两个测量平面上的时域声压信号进行二维空间傅里叶变换获得相应面上各波数处的声压时域波数谱；利用两个测量平面上的声压时域波数谱和已知的声压与声压之间的时域脉冲响应函数，将非稳态向外声场和向内声场分离出来；以目标声源表面反射系数为边界条件，建立非稳态向内声场和散射声场之间的关系，并计算出非稳态散射声场；从分离的非稳态向外声场中去除非稳态散射声场，还原出目标声源自由场条件下在测量平面上辐射的时域声压信号。本发明在时域上实现了非稳态散射声的消除，还原出目标声源自由场条件下在测量平面上辐射的时域声压，为实际声场环境下精确分析目标声源的时变辐射特性和振动特性提供了前处理手段。

主权项

一种非稳态平面声源的自由场还原方法，其特征在于，包括如下步骤；步骤1、在目标声源So和干扰声源Sd之间布置相互平行的测量平面H1和测量平面H2；所述的目标声源So和干扰声源Sd均可辐射任意线性非稳态声场信号；以目标声源So为研究对象，将声场分为非稳态向内声场和向外声场，其中非稳态向内声场来源于测量平面另一侧的干扰声源Sd，非稳态向外声场包含目标声源So自由场条件下辐射的非稳态声场和干扰声在目标声源表面产生的非稳态散射声场；建立笛卡尔坐标系o(x,y,z)，所述笛卡尔坐标系中的xoy坐标平面平行于测量平面H1，z轴方向垂直于测量平面H1；在所述测量平面H1和测量平面H2上分别均匀分布M个测量网格点，测量平面H1和测量平面H2上的测量网格大小相同，测量平面H1和测量平面H2上测量网格点位置相同；测量平面H1和测量平面H2上的测量网格点坐标分别为(x,y,zH1)和(x,y,zH2)；同步采集测量平面H1上各测量网格点(x,y,zH1)处的时域声压信号p(x,y,zH1,t)和测量平面H2上各测量网格点(x,y,zH2)处的时域声压信号p(x,y,zH2,t)；步骤2、对于测量平面H1和测量平面H2上的时域声压信号p(x,y,zH1,t)和p(x,y,zH2,t)分别按照式(1)和式(2)进行二维空间傅里叶变换获得测量平面H1和测量平面H2上的声压时域波数谱P(kx,ky,zH1,t)和P(kx,ky,zH2,t)：P(kx,ky,zH1,t)=∫-∞∞∫-∞∞p(x,y,zH1,t)ej(kxx+kyy)dxdy---(1)]]>P(kx,ky,zH2,t)=∫-∞∞∫-∞∞p(x,y,zH2,t)ej(kxx+kyy)dxdy---(2)]]>式(1)和式(2)中，j表示虚数单位；kx、ky分别为x、y方向的波数；步骤3、构建测量平面H1上声压时域波数谱P(kx,ky,zH1,t)、测量平面H2上声压时域波数谱P(kx,ky,zH2,t)、已知的时域脉冲响应函数G(kx,ky,Δz21,t)和非稳态向内声场在测量平面H2上的声压时域波数谱Pin(kx,ky,zH2,t)之间的关系如式(3)所示：W1(kx,ky,t)＝Pin(kx,ky,zH2,t)*W2(kx,ky,t)                       (3)式(3)中，W1(kx,ky,t)＝P(kx,ky,zH1,t)*G(kx,ky,Δz21,t)‑P(kx,ky,zH2,t)             (4)W2(kx,ky,t)＝G(kx,ky,Δz21,t)*G(kx,ky,Δz21,t)‑δ(t)            (5)“*”表示两个时间函数的卷积运算，Δz21＝zH2‑zH1，δ(t)为Dirac函数；将式(3)中的时间t离散为tn＝(n‑1)Δt，其中Δt为采样时间间隔，n＝1,2,...,N，N为采样点总数，则式(3)的离散形式如式(6)所示：W1(kx,ky,tn)=Σi=1nPin(kx,ky,zH2,ti)W2(kx,ky,tn+1-i)---(6)]]>对于每个波数对(kx,ky)，式(6)可以写成式(7)的矩阵形式：W1＝W2Pin                                                       (7)式(7)中，W1＝[W1(kx,ky,t1) W1(kx,ky,t2) … W1(kx,ky,tN)]T                      (8)Pin＝[Pin(kx,ky,zH2,t1) Pin(kx,ky,zH2,t2) … Pin(kx,ky,zH2,tN)]T         (9)“T”表示矩阵的转置；式(7)中，W1和W2是已知的，可以通过式(11)奇异值分解求逆解得PinPin＝[W2]+W1                                                      (11)式(11)中，“+”表示矩阵的伪逆；最终获得非稳态向内声场在测量平面H2上的声压时域波数谱Pin(kx,ky,zH2,t)；非稳态向外声场在测量平面H1上的声压时域波数谱Pout(kx,ky,zH1,t)按照式(12)计算：Pout(kx,ky,zH1,t)＝P(kx,ky,zH1,t)‑Pin(kx,ky,zH2,t)*G(kx,ky,Δz21,t)  (12)步骤4、以目标声源So表面反射系数为边界条件，构建非稳态散射声场在测量平面H1上的散射声压时域波数谱Ps(kx,ky,zH1,t)与非稳态向内声场在测量平面H2上的声压时域波数谱Pin(kx,ky,zH2,t)之间的关系如式(13)所示：Ps(kx,ky,zH1,t)＝Pin(kx,ky,zH2,t)*G(kx,ky,Δz20,t)*R(kx,ky,t)*G(kx,ky,Δz10,t) (13)式(13)中，R(kx,ky,t)为目标声源表面材料的复平面波反射系数时域波数谱，Δz20＝zH2‑z0，Δz10＝zH1‑z0，z0表示目标声源So表面所在位置；将式(12)与式(13)相减，还原出目标声源So自由场条件下在测量平面H1上的声压时域波数谱Pf(kx,ky,zH1,t)如式(14)所示：Pf(kx,ky,zH1,t)=P(kx,ky,zH1,t)-{Pin(kx,ky,zH2,t)*[G(kx,ky,Δz20,t)*R(kx,ky,t)*G(kx,ky,Δz10,t)+G(kx,ky,Δz21,t)]}---(14)]]>步骤5、对于所述声压时域波数谱Pf(kx,ky,zH1,t)按照式(15)进行二维空间傅里叶反变换，还原出每个时刻下目标声源So自由场条件下在测量平面H1上辐射的时域声压信号pf(x,y,zH1,t)；pf(x,y,zH1,t)=1(2π)2∫-∞∞∫-∞∞Pf(kx,ky,zH1,t)e-j(kxx+kyy)dkxdky---(15).]]>