基于球谐函数展开的非共形面变换噪声源的定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于球谐函数展开的非共形面变换噪声源的定位方法，利用球谐函数展开构造球面到柱面的传递矩阵，将球面阵测量数据重构到柱面结构，从而可对柱形结构中噪声源或类柱形噪声源进行精准有效的定位，与现有技术相比，本发明专利技术具有以下优点：1)球面阵经纬角全指向性和三维对称性，能一次性测量三维空间各个方向的声场信息。2)构建从球面到柱面的传递矩阵，能够将球面阵测量数据通过声全息算法重构到柱面，实现对类柱形声源或柱形结构中的噪声源的定位问题。

【技术实现步骤摘要】
基于球谐函数展开的非共形面变换噪声源的定位方法
本专利技术涉及一种柱形结构中噪声源或类柱形噪声源的定位方法，尤其涉及一种基于球谐函数展开的非共形面变换，将球面测量数据通过近场声全息算法重构到柱面，从而实现对柱形结构中噪声源或类柱形噪声源进行定位的方法。
技术介绍
在噪声源定位领域，传声器阵列进行声场测量是最常用的手段。球形阵列具有经纬角全指向性和三维对称性，能一次性测量三维空间各个方向的声场信息。其特殊的结构使其具有很大的灵活性，测量速度快，因此可用于潜艇、飞机、汽车等内部空间的声场测量。在噪声源定位识别领域，近场声全息技术是一种适用于低频段噪声源定位的算法。基于傅里叶变换的近场声全息是最经典的算法，但传统的基于广义空间傅里叶变换的球面近场声全息要求球面到球面共形面变换，这为利用球面声全息方法对柱形结构中噪声源或类柱形噪声源的定位识别带来困难。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种基于球谐函数展开的非共形面变换噪声源的定位方法，以解决现有技术中利用球面声全息方法对柱形结构中噪声源或类柱形噪声源的定位识别存在困难的问题。本专利技术的技术方案是：一种基于球谐函数展开的非共形面变换噪声源的定位方法，包括以下步骤：(1)采用阵元数为Q的球面传声器阵列对目标声源辐射到三维空间的声压信号进行采集P(r，t)；(2)对球形阵的Q个传声器数据分别和第1个传声器数据进行互谱分析，获取整个球形阵的频域复声压P(r，θ，φ)；(3)基于球形阵的频域复声压，利用球面近场声全息算法重构声源附近表面的声压p(rS，θ，φ)，通过该声压分布确定噪声源在球坐标下的位置；(4)根据球坐标系和柱坐标系的转换关系构造球面到圆柱面的传递矩阵W和U；(5)求解重构圆柱面所有离散化点的球面波谱组成的矩阵Pcylinder；(6)对重构圆柱面所有离散化点的球面波谱进行傅里叶逆变换，得到重构柱面上每一离散点的声压分布P(rs，θ，φ)；(7)通过柱面离散点的声压分布来确定类柱形声源或柱形空间中的噪声源位置。所述步骤(1)中由Q个球面传声器组成球形阵列整个球形阵测量数据的复声压数据为：其中：以随机球形阵中心为坐标原点(0，0，0)；球形阵阵元个数Q，阵元编号为1，…，q，…Q，第q个传声器的空间坐标为(xq，yq，zq)；P0为距离点声源1m处的声压幅值，pa；为第q个传声器到点声源(x0，y0，z0)的距离，m；ω为角频率，rad/s；t为时间点，s；k为波数。所述步骤(2)中对球形阵的Q个传声器数据分别和第1个传声器数据进行互谱分析，获取整个球形阵的频域复声压为：所述步骤(3)中采用球面近场声全息算法重构声源附近表面的声压分布的计算公式如下：式中：rS为重构面半径，rH为全息面半径；为n阶m次的球谐函数；重构球面声压球面波谱Pnm(rS)的计算公式如下：式中：Pnm(rS)为全息面的球面波谱；jn(kr)为第一类球Bessel函数，jn(krs)/jn(krH)为全息面球面波谱Pnm(rS)与重构面球面波谱Pnm(rS)之间的传递函数，全息面的球面波谱的计算公式如下：式中：(rq，θq，φq)为第q个传声器位置的坐标，pq(rq，θq，φq)为第q个传声器采样获取的声压；αq＝4πa2/Q为权重系数，是每个传声器位置对应的球面网格面积。所述步骤(4)中球坐标(r，φ，θ)和柱坐标(r′，φ，z′)之间的转换关系为：所述传递矩阵W为：所述传递矩阵U为：式中：上标[]T表示转置；为第一类球Bessel函数，j＝1，...，J；为n阶m次的球谐函数。所述步骤(5)中构造Pcylinder如下：其计算公式如下：式中：E为维数是1×J元素全为1的矩阵；“·”表示点乘，表示Kronecker积；Dnm为声场展开系数，其计算公式如下：所述步骤(6)中将重构柱面的声压进行傅里叶逆变换的公式为：在步骤(7)中，选取声源面所在面附近的柱面作为重构面，得到重构柱面的声压分布，利用重构面上的声压分布对目标声源进行定位识别。本专利技术的有益效果是：本专利技术利用球谐函数展开构造球面到柱面的传递矩阵，将球面阵测量数据重构到柱面结构，从而可对柱形结构中噪声源或类柱形噪声源进行精准有效的定位。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1)球面阵经纬角全指向性和三维对称性，能一次性测量三维空间各个方向的声场信息。2)构建从球面到柱面的传递矩阵，能够将球面阵测量数据通过声全息算法重构到柱面，实现对类柱形声源或柱形结构中的噪声源的定位问题。附图说明图1为本专利技术的球阵数据采集模型；图2为本专利技术的流程图；图3为本专利技术的球面到球面共形面变换的噪声源定位结果；(a)对应球面到球面共形变换的噪声源定位结果的三维图；(b)是以球坐标系下(φ，θ)展开的球面到球面共形变换的噪声源定位结果；图4为本专利技术的球面到柱面非共形面变换的噪声源定位结果；(a)对应球面到柱面非共形面变换的噪声源定位结果的三维图；(b)是以柱坐标系下(φ，z)展开的球面到球面共形变换的噪声源定位结果。具体实施方式下面结合附图及具体的实施例对专利技术进行进一步介绍：球形阵噪声源数据采集模型如图1，在空旷条件下，球面阵放置于空间中某一点，球阵阵元数为Q，第q个传声器的位置为(xq，yq，zq)。以球面阵球心为坐标原点(0，0，0)，在距离球面阵球心放为0.5m处放置一点声源，空气中，声源位置在柱坐标下(r0′，φ0，z)为(0.5m，200°，0m)，在球坐标下(r0，θ0，φ0)为(0.5m，90°，200°)。声源频率为800Hz，仿真中加入信噪比SNR＝35dB的高斯白噪声。本专利技术实施例的流程如图2所示，首先采用球面阵采集噪声源在三维空间中的辐射声场；将Q个通道数据分别与第1通道数据做互谱分析，获取球面阵的频域复声压，采用球面近场声全息算法共形面重构声源附近球面的声压分布，确定声源在球坐标系下的位置；构造球面到柱面的传递矩阵，采用球面阵的频域复声压，选取声源在柱坐标系下的半径为柱面重构半径，采用非共形面变换重构柱面上的声压分布，通过该声压分布确定噪声源在柱坐标系下的位置，实现类柱形噪声源或柱形结构中噪声源的定位。其中，(1)球面阵采集到的三维空间声场数据为：其中：以随机球形阵中心为坐标原点(0，0，0)；球形阵阵元个数Q，阵元编号为1，…，q，…Q，第q个传声器的空间坐标为(xq，yq，zq)；P0为距离点声源1m处的声压幅值，pa；为第q个传声器到点声源(x0，y0，z0)的距离，m；ω为角频率，rad/s；t为时间点，s；k为波数。假设空间有K个点源目标入射到球形阵列上，则每个传声器接收的数据为K个点源目标的叠加。(2)将球面所测的Q个通道数据分别与第1通道数做互谱分析，获取球形阵频域复声压，采用球面近场声全息算法重构声源附近球面的声压分布为：(3)利用球面近场声全息算法重构声源附近表面的声压p(rS，θ，φ)，通过该声压分布确定噪声源在球坐标下的位置。计算公式如下：式中：rS为重构面半径，rH为全息面半径；为n阶m次的球谐函数。重构球面声压球面波谱Pnm(rS)的计算公式如下：式中：Pnm(rS)为全息面的球面波谱；jn(kr)为第一类球Bessel函数，jn(krs)/jn(krH)为全息面球面波谱Pnm(rS)与重构面球本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于球谐函数展开的非共形面变换噪声源的定位方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)采用阵元数为Q的球形传声器阵列对目标声源辐射到三维空间的声压信号进行采集P(r，t)；(2)对球形阵的Q个传声器数据分别和第1个传声器数据进行互谱分析，获取整个球形阵的频域复声压P(r，θ，φ)；(3)基于球形阵的频域复声压，利用球面近场声全息算法重构声源附近表面的声压p(rS，θ，φ)，通过该声压分布确定噪声源在球坐标下的位置；(4)根据球坐标系和柱坐标系的转换关系构造球面到圆柱面的传递矩阵W和U；(5)求解重构圆柱面所有离散化点的球面波谱组成的矩阵Pcylinder；(6)对重构圆柱面所有离散化点的球面波谱进行傅里叶逆变换，得到重构柱面上每一离散点的声压分布P(rs，θ，φ)；(7)通过柱面离散点的声压分布来确定类柱形声源或柱形空间中的噪声源位置。

【技术特征摘要】
1.一种基于球谐函数展开的非共形面变换噪声源的定位方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)采用阵元数为Q的球形传声器阵列对目标声源辐射到三维空间的声压信号进行采集P(r，t)；(2)对球形阵的Q个传声器数据分别和第1个传声器数据进行互谱分析，获取整个球形阵的频域复声压P(r，θ，φ)；(3)基于球形阵的频域复声压，利用球面近场声全息算法重构声源附近表面的声压p(rS，θ，φ)，通过该声压分布确定噪声源在球坐标下的位置；(4)根据球坐标系和柱坐标系的转换关系构造球面到圆柱面的传递矩阵W和U；(5)求解重构圆柱面所有离散化点的球面波谱组成的矩阵Pcylinder；(6)对重构圆柱面所有离散化点的球面波谱进行傅里叶逆变换，得到重构柱面上每一离散点的声压分布P(rs，θ，φ)；(7)通过柱面离散点的声压分布来确定类柱形声源或柱形空间中的噪声源位置。2.根据权利要求1所述的基于球谐函数展开的非共形面变换噪声源的定位方法，其特征在于：所述步骤(1)中由Q个球面传声器组成球形阵列整个球形阵测量数据的复声压数据为：其中：以随机球形阵中心为坐标原点(0，0，0)；球形阵阵元个数Q，阵元编号为1，…，q，…Q，第q个传声器的空间坐标为(xq，yq，zq)；P0为距离点声源1m处的声压幅值，pa；为第q个传声器到点声源(x0，y0，z0)的距离，m；ω为角频率，rad/s；t为时间点，s；k为波数。3.根据权利要求1所述的基于球谐函数展开的非共形面变换噪声源的定位方法，其特征在于：所述步骤(2)中对球形阵的Q个传声器数据分别和第1个传声器数据进行互谱分析，获取整个球形阵的频域复声压为：4.根据权利要求1所述的基于球谐函数展开的非共形面变换噪声源的定位方法，其特征在于：所述步骤(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁丹丹，徐军，成建宏，
申请(专利权)人：贵州航天计量测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：贵州,52