一种产生任意弯曲声波束的方法技术

本发明专利技术公开了一种产生任意弯曲声波束的方法，通过调控边界z＝0处声源相位分布，在半空间z＞0处产生沿任意弯曲轨迹传播的声波束。本发明专利技术显著特点在于：通过勒让德变换将弯曲轨迹上任意一点的斜率与经过该点的切线在坐标轴上的截距建立联系；再根据费马原理及几何关系，计算任意一点的斜率与边界上相位分布的函数关系；联立以上两个步骤并通过积分获得边界上声源相位分布与空间坐标的函数关系；采用得到的声源空间相位分布进行声场重放，产生沿设定的任意弯曲轨迹传播的声波束。与波束形成方法相比，该方法克服了只能产生沿特定方向传播而无法使波束弯曲的缺点；与声对比控制方法相比，该方法避免了矩阵求逆操作及可能由此引入的误差问题。

【技术实现步骤摘要】
一种产生任意弯曲声波束的方法一、
本专利技术涉及声场控制
提出了一种调控边界上声源相位分布产生沿任意弯曲轨迹传播的声波束的方法。二、
技术介绍
目前声场控制的研究一般针对两种情形，一种是消除特定区域的噪声，产生“声学静区”(ZoneofQuite)；另一种是在特定区域内重建声场，产生“声学亮区”(AcousticallyBrightZone)。针对后一问题，目前常用的声场控制方法多采用波束形成(Beamforming)方法和声对比控制(AcousticContrastContro1)方法。波束形成方法用于指向性声场合成，可以采用扬声器阵列产生向特定方向传播的声波束。常用的波束形成优化方法为根据需要产生波束的角度方向，设计扬声器阵列的源强分布(如DaesungKim，KihyunKim，SemyungWang，SungQLeeandMalcolmJ.Crocker.MaximizationoftheDirectivityRatioWiththeDesiredAudibleGainLevelforBroadbandDesignofNearFieldLoudspeakerArrays.[J].JournalofSoundandVibration，2011，330：5517-5529和FranzZotter,MarkusNoistemig.Near-andFar-fieldBeamformingUsingSphericallLoudspeakerArrays.[C].Austria，3rdCongressoftheAlpsAdriaAcousticsAssociation，2007.)。波束形成方法只能产生沿某个特定角度传播的声波束，而无法使波束在传播过程中发生弯曲。声对比控制方法用于使某个特定区域内声场能量较大而使另一区域内能量较小。常用的方法有最大化“亮区”(BrightZone)和“暗区”(DarkZone)的声能量之比(如Joung-WooChoiandYang-hannKim.GenerationOfanAcousticallyBrightZoneWithanIlluminatedRegionUsingMultipleSources.[J].JournalofAcousticSocietyofAmerica，2002，111(4)：1695-1700)和最大化亮区和暗区的声能量之差(如MincheolShin，SungQ.Lee，FilippoM.Fazi，PhilipA.Nelson，DaesungKim，SemyungWang，KangHoParkandJeongilSeo.MaximizationOfAcousticEnergyDifferenceBetweenTwoSpaces.[J].JournalofAcousticSocietyofAmerica，2010，128(1)：121-131)等。声对比控制法在求解源强分布时需要矩阵求逆操作，而当矩阵条件数较大时会产生病态问题(ill-conditioningProblem)，从而使求解到的源强分布不准确，引起较大误差。现有技术文献中的中国专利CN101251414A(一种利用相位反相设置扬声器阵列的方法及装置)通过调整阵列中部分扬声器单元相位的方法来实现扬声器阵列指向性的优化，使其指向性的均匀程度得到明显改进。中国专利CN102711015A(基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制方法和装置)提出利用二次剩余子序列设计出最优的阵列相位延迟矢量，按照最优的相位延迟矢量控制扬声器阵列，提高了阵列空间辐射声场的均匀程度。以上方法可提高阵列指向性的均匀程度，但无法产生沿弯曲轨迹传播的声波束。在进一步检索中，尚未发现与本专利技术主题相同或者相类似的文献报道。本专利技术的显著特点是提出一种新的算法，由任意弯曲声束轨迹变换得到位于z＝0处边界上的声源空间相位分布，通过调控z＝0处边界上的声源相位分布，在半空间z＞0处产生沿任意弯曲轨迹传播的声波束。三、
技术实现思路
1、专利技术目的：提出一种新的算法，由任意弯曲的声束轨迹变换得到边界上的声源空间相位分布，通过调控z＝0处边界上的声源初始相位分布，在半空间z＞0处产生沿任意弯曲轨迹传播的声波束。2、技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术所提出的算法所述任意弯曲声束轨迹及坐标关系如附图1所示，算法基本计算流程如附图2所示。本专利技术所述声源位于如附图1所示平面中z＝0所表示直线处(即x轴)，所产生的任意弯曲声波束位于如附图1所示平面中z＞0部分。本专利技术具体包括以下步骤：第一步：根据设定的任意弯曲声束轨迹x＝f(z)，通过勒让德变换(LegendreTransform)计算轨迹上任意一点斜率t(z)＝df(z)／dz与切线在横轴上截距x的函数关系(如附图1所示)。下面介绍计算流程：首先，可由t＝t(z)得到其逆函数z＝z(t)；其次，通过勒让德变换定义函数g(z)＝tz-f(z)；然后，将z＝z(t)带入函数g(z)，并由勒让德变换的几何意义得函数x＝g(t)；最后，计算函数x＝-g(t)的逆函数得到函数关系：t(x)＝g-1(-x)＝h(x)(1)第二步：结合几何关系及费马原理(Fermat’sPrinciple)，计算边界上声源空间相位分布φ(x)与横轴坐标x的函数关系。下面介绍计算流程：根据设定任意弯曲轨迹x＝f(z)，由几何关系可得轨迹上任意一点斜率为：式中，df(z)／dz为f(z)的一阶导数。另一方面，根据费马原理，可得声源空间相位分布的导数与声传播角度的关系为：式中，k为波数，φ(x)为边界上声源相位随空间坐标x的分布。正弦函数与正切函数存在如下三角函数关系：结合式(2)、式(3)和式(4)，可得弯曲轨迹上任意一点的斜率t(z)与边界上声源相位分布的导数的函数关系：将式(1)带入式(5)可得边界上声源空间相位分布的导数与横轴坐标x的函数关系：对式(6)进行积分即可得到边界上任意一点x0处声源相位φ(x0)，如式(7)所示：第三步：利用第二步变换得到的边界上声源相位分布φ(x)重放声场，产生沿设定的任意弯曲轨迹传播的声波束。具体计算流程如下：将边界上声源相位分布进行离散化，记采样点为xn(n＝1，2，…，N；N为点源个数)，离散化相位分布为φ(n)＝φ(xn)。每个采样点用无限大障板上向半自由空间辐射的点源模型近似，各个点源的源强表示为qn＝ejφ(n)，j为虚数单位。空间任意一点声压可通过下式进行计算：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种产生任意弯曲声波束的方法，通过调控边界z＝0处声源相位分布，在半空间z＞0处产生沿任意弯曲轨迹传播的声波束，其特征在于包含以下三个步骤：第一步、根据设定的任意弯曲轨迹x＝f(z)，通过勒让德变换(LegendreTransform)计算轨迹上任意一点斜率t(z)＝df(z)/dz与切线在横轴上截距x的函数关系，其特征在于：首先，由t＝t(z)得到其逆函数z＝z(t)；其次，通过勒让德变换定义函数g(z)＝tz-f(z)；然后，将z＝z(t)带入函数g(z)，并由勒让德变换的几何意义得到函数x＝-g(t)；最后，计算函数x＝-g(t)的逆函数得到函数关系t(x)＝g-1(-x)；第二步、根据几何关系及费马原理(Fermat’sPrinciple)，计算边界上声源相位分布φ(x)与横轴坐标x的函数关系，其特征在于：边界上任意一点x0处声源相位φ(x0)按式(1)计算：

【专利技术属性】
技术研发人员：赵斯培，邱小军，程建春，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：