[发明专利]一种二维空间窗处理声信号误差的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种处理声信号误差的方法，特别是涉及一种二维空间窗处理声信号误差的方法，属于噪声分析与控制技术领域。

背景技术

目前，由于噪声污染问题日益严重，高速运载工具的噪声是一种在大尺度开放空间内高速运动、宽带、多源的复杂噪声源，对其进行定量识别并掌握其发声和声场传播特性是进一步进行噪声污染防治的重要前提，现有的各种声场测量方法和技术由于原理及性能的限制，无法实现对这种高速运动车辆复杂声源的定量测量及声场再现。

基尔霍夫衍射声全息方法已应用于低速远场运动声源识别，但目前还没有系统地对其定量机理的研究，理论上讲，如果全息孔径无穷大即全息面为一封闭曲面，空间的声源是可以实现精确定量识别的，但是由于实际测量中的限制导致空间截断产生信号泄漏，声全息无法真正实现精确定量。

有限孔径全息面带来的旁瓣效应主要由信号的空间截断和能量泄漏导致，产生旁瓣甚至虚假声源现象，对空间域进行快速傅里叶变换时需要对数据进行截断，即对信号施加窗函数，这相当于在空间频域进行卷积运算，这种截断将必然导致频谱分析出现误差，其效果是某一频率的信号能量将扩散到相邻频率带的现象，从而产生旁瓣效应，导致分辨率降低。

发明内容

本发明的主要目的是为了提供一种二维空间窗处理声信号误差的方法，实现了声源点的声压定量修正和较高的声源分辨率，有效地抑制了旁瓣效应。

本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：

一种二维空间窗处理声信号误差的方法，包括以下步骤：

步骤1：对于自由空间中(x1,y1,z1)位置的理想点声源P，采用基尔霍夫积分描述，理想点声源P的辐射声场与位于封闭曲面S内的虚拟点声源P₀辐射的声场为共轭声场，获得封闭曲面S的声场分布，利用基尔霍夫积分计算位于封闭曲面S内任意点的声场建立重建声压分布；

步骤2：构造二维空间窗信号函数，解决所述步骤1中得到的重建声压分布函数重建结果的旁瓣效应；

步骤3：利用所述步骤2得到的二维空间窗信号函数，采用声全息方法的计算方法，对原始的空间截断误差与空间加窗后误差进行重建，对二维空间窗的设计参数进行最优化选取，取计算误差最小值，达到消除旁瓣效应及获得最高声源分辨率的效果，最优化选取的目标最优化算法采用单一目标优化算法。

进一步的，所述步骤1的具体过程包括：

步骤1.1：建立基尔霍夫衍射声全息孔径角θ与声源重建声压之间的关系，建立重建结果表达式；

步骤1.2：在声全息在远场测量条件下，将所述步骤1.1中的重建结果表达式简化；

步骤1.3：根据所述步骤1.2中的测量面尺寸与测量距离参数计算获得孔径角，直接计算获得重建声压与真实声压间的修正系数φ(θ)，重建声压为U(P)，则修正后的真实声压的数学表达式为：

其中：φ(θ)为修正系数，U(P)为重建声压，为修正后的真实声压；

步骤1.4：使用修正系数遍历整个全息面获得修正后的重建声场分布；

步骤1.5：所述步骤1.3为采用声全息方法获得重建声压与真实声压之间的关系，获得重建平面空间角度关系。

进一步的，所述步骤1.1中，建立基尔霍夫衍射声全息孔径角θ与声源重建声压之间的关系表达式为：

其中：θ为声全息孔径角，U(P)为重建声压，i、r、λ为系数。

进一步的，所述步骤1.2中，声全息在远场测量条件下，所述步骤1.1的简化后数学表达式为：

其中：θ为声全息孔径角，U(P)为重建声压，|U_real(P)|为声全息在远场测量条件下的重建声压。

进一步的，步骤2中，构造二维空间窗信号函数的具体过程为：

步骤2.1：建立二维Kaiser-Bessel空间窗函数；

步骤2.2：建立应用于声全息二维加窗信号处理方法的Kaiser窗函数的一维窗函数。

进一步的，步骤2.1中，建立二维Kaiser-Bessel空间窗函数的具体过程为：

步骤2.1.1：将两个一维窗函数相乘，如果两个一维窗函数分别为ω₁(n₁)和ω₂(n₂)，则通过相乘法构造的二维窗函数ω_R(n₁,n₂)的时域表达式为：