[发明专利]采用单面声压和质点振速测量的非稳态自由场还原方法

说明书

本发明公开了采用单面声压和质点振速测量的非稳态自由场还原方法，将测量平面H上直接测量的时域声压和时域质点振速进行二维空间傅里叶变换获得平面H上的声压和质点振速时域波数谱；再利用平面H上的声压时域波数谱和质点振速时域波数谱、已知的声压与质点振速和声压与声压之间的时域脉冲响应函数以及目标声源表面反射系数，推导出自由场还原公式，实时还原出目标声源自由场条件下在平面H上所辐射的时变声压信号。本发明方法仅需一个测量平面，输入量无需近似计算获得，其还原公式是一个正向卷积和的计算，无需进行任何解卷求逆处理，实时消除了非稳态散射声场的影响，可用于实际声场环境下现场分析目标声源的时变辐射特性和振动特性。

技术领域

本发明涉及物理专业中噪声类技术领域，具体涉及一种采用单面声压和质点振速测量的非稳态自由场还原方法。

背景技术

实际声场环境是非自由场，它不仅包含目标声源的辐射声，而且还会包含来自测量面另一侧的干扰声以及干扰声在目标声源表面产生的散射声。除了干扰声所产生的声场能够影响目标声源辐射的声场外，散射声也能够影响对目标声源辐射声场的准确测量，因此需要一种自由场还原方法将干扰声和散射声的影响从测量结果中消除。

到目前为止，国内外学者已提出多种自由场还原方法：Hald等提出了基于统计最优近场声全息(SONAH)的自由场还原方法，首先将向外声场和向内声场进行分离，然后通过目标声源表面边界条件计算得到散射声场，最后从向外声场中去除散射声场，彻底还原出平面目标声源在自由场条件下辐射的声场。Hu等利用二维空间傅里叶变换和平面声源的表面反射系数，推导了非自由场中基于双面声压测量的平面近场声全息的完备计算公式，从而实现了噪声环境中平面目标声源的准确声场重建。为了适应于球形声源，Braikia等提出了基于球面波叠加法(SWSM)的双面声压测量的自由场还原技术，通过镜像原理进一步去除了半球测量面外部干扰声在目标声源表面上散射声的影响，从而实现了小内空间的声场重建。毕传兴等将目标声源表面导纳引入Braikia的方法，避免了刚性表面假设，并去除背侧干扰声在目标声源表面产生的散射声。Langrenne等提出了基于边界元法(BEM)的双面声压测量的自由场还原方法，将任意外形目标声源在自由场条件下辐射的声场从混合声场中彻底还原出来，但会带入奇异值积分、计算效率低和解非唯一性等问题。为了高效地实现任意形状声源的自由场还原，Bi等提出了基于等效源法的自由场还原方法。然而，上述这些自由场还原方法都是基于双面声压测量，两测量面之间的距离会影响还原精度，甚至不合理的距离会导致错误的还原结果。为了避免双测量面之间距离的影响，Fernandez-Grande等将单面声压-振速测量和SONAH结合，提出了基于单面测量的自由场还原方法，实现了目标声源的声场还原。Braikia等也将单面声压-振速测量引入基于SWSM的自由场还原方法，实现了非消声室环境下目标声源的识别。Langrenne等提出了基于单面声压-振速测量的BEM的自由场还原方法，在封闭空间里还原了任意外形目标声源在自由场条件下的声压场。

在上述基于双面测量和单面测量的自由场还原方法中，还原的对象都是稳态声源，无法用于非稳态声源。非稳态声场的还原还需要在时域上消除干扰声和散射声的影响，还原出目标声源随时间变化的声学特性。为此，Zhang等在2012年提出了基于双面声压测量的时域声场分离方法，在时域和空间域上消除了干扰声源的影响。为了减少计算时间，Bi等在2014年提出了基于声压和振速测量的实时声场分离方法。为了避免有限差分引起的误差，并提高分离精度，Bi等提出了基于单层声压和振速测量的非稳态声场分离方法。但是这些时域分离方法仅仅能够去除测量平面另一侧干扰声源产生的非稳态声场，无法消除干扰声在目标声源表面产生的非稳态散射声场。为实现非稳态散射声场的消除，Geng等提出了一种基于双面声压测量的非稳态声场还原方法。在该非稳态还原方法中，目标声源在自由场中辐射的时域声压与双测量面上的混合时域声压不能够直接建立关系，需要先进行非稳态声场分离，再去除非稳态散射声场，无法实现实时还原；该还原方法仍然需要复杂的迭代解卷计算，且其过程是病态的逆向问题，需要Tikhonov正则化和奇异值分解来获得合适的解，导致还原方法计算量大，且还原精度很大程度上依赖于正则化参数的合理选取；双测量面之间的距离对还原精度也有影响。