一種基于Helmholtz積分方程的結構噪聲源識別方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于噪聲源識別領域，尤其涉及一種基于Helmholtz積分方程的結構噪聲 源識別方法。
【背景技術】
[0002] 目前，基于波疊加法噪聲源識別方法是將虛擬源配置在空穴內部的虛擬區域內， 然后根據振動空穴表面給定的法向振速，采用配點法或最小二乘法計算出虛擬源強的強度 值，進而得出虛擬源強的模擬外聲場，由于采用封閉曲面作為虛擬源強的配置區域，導致了 在虛擬曲面上相應內部問題的特征頻率處存在解非唯一。
[0003] 利用有限單元將結構彈性域或空氣域進行離散化，根據力學方程或聲學波動方程 聯立，通過求解代數方程得到結構彈性體或者聲傳播空氣域中的振動特性或聲學特性，主 要用于有限空間的內聲場問題，有限元法適合對結構的低頻振動以及振動和噪聲的耦合情 況進行模擬和分析，常用于對體積較小的有限空間進行分析，對無限域空間則存在局限性。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種適用于任意形狀振動體、無限域空間的噪聲源識別的， 一種基于Helmholtz積分方程的結構噪聲源識別方法。
[0005] -種基于Helmholtz積分方程的結構噪聲源識別方法，包括以下步驟，
[0006] 步驟一：在目標聲源最高分析頻率的一個波長內布置傳聲器陣列，測試面大于目 標聲源正投影面，一個波長內至少含有2個測量點，在目標聲源附近放置參考傳聲器，測量 得到傳聲器陣列與參考傳聲器互譜后的場點復聲壓；
[0007] 步驟二：利用Helmoltz積分方程建立邊界法向振動速度與傳聲器陣列與參考傳 聲器互譜后的場點復聲壓的傳遞關系，得到傳遞矩陣；
[0008] 步驟三：對傳遞矩陣進行正則化，得到法向振動速度；
[0009] 步驟四：根據振動速度識別噪聲源。
[0010] 本發明一種基于Helmholtz積分方程的結構噪聲源識別方法，還可以包括：
[0011] 1、邊界法向振動速度與傳聲器陣列與參考傳聲器互譜后的場點復聲壓的傳遞關 系為：
[0012] pf=ATMvn
[0013] 其中為pf場點聲壓，vn為振動結構法向振動速度，ATM為傳遞矩陣。
[0014] 2、法向振動速度為：
[0015]
[0016] 其中，V;分別為單位正交矩陣U、V中的列向量，人為正則參數，〇i> 〇 2>~ > 〇 nf> 0
[0017] 為傳遞矩陣的奇異值，Vn= [ATM] +Pf，[ATM]+為ATM的廣義偽逆矩陣，[ATM] + = uxV,
[0018]
[0019] 有益效果：
[0020] 本發明目的在于克服現有的技術的不足，提供一種基于Helmholtz積分方程的結 構噪聲源識別方法，對解的不適定問題采用Tikhonov正則化處理，其中正則參數利用L曲 線準則選擇，利用傳聲器陣列測得的輻射聲場場點聲壓作為已知輸入信息，重建振源表面 法向振動速度，識別主要噪聲源位置，該方法適用于任意形狀振動體、無限域空間的噪聲源 識別。
[0021] 一種基于Helmholtz積分方程的振動體噪聲源識別方法，建立了振動表面法向振 動速度與輻射聲場聲壓之間的關系，相對傳統的有限元法降低了數值計算的維度。
[0022] 對解的矩陣的病態問題采用Tikhonov正則化處理，其中正則參數利用L曲線準則 選擇，降低了誤差敏感性。
[0023] 利用聲陣列傳感器測得的輻射聲場場點聲壓作為輸入信息，重建振源表面振動速 度，識別噪聲源位置，實現對任意形狀、無限域空間的結構振動噪聲源的識別。
【附圖說明】
[0024] 圖1本發明結構示意圖；
[0025] 圖2本發明操作流程圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面將結合附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0027] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案：
[0028] 步驟1 :在目標聲源最高分析頻率的一個波長內布置傳聲器陣列、測試面大小要 求大于目標聲源正投影面，測量點距離要求一個波長內至少含有2個測量點。
[0029] 步驟2:利用Helmholtz積分方程建立振動邊界復振動法向速度與輻射場點復聲 壓的傳遞關系
[0030]
(I)
[0031]其中：c⑵為聲壓系數，p⑵為測點聲壓，p(Q)、以〇)"分別為振動體表面聲壓和 及法向振動速度，W為基本解，$為基本解的方向導數，聲壓系數 0H：
[0032]
(2)
[0033] 其中：V振動體輻射聲場，S為振動源體表面。
[0034]根據公式（1)、（2)可推到得到場點聲壓與表面法向振動速度關系
[0035]Pf=ATM?Vn (3)
[0036] 其中為Pf場點聲壓，Vn為振動表面法向振動速度，ATM(AcousticTransfer Matrix)為聲傳遞矩陣。
[0037] 步驟3:本發明重點是解決工程實際問題，因此為了實驗方便，降低試驗成本、實 驗時間，希望應用較少的測量場點即可重建表面法向振動速度，因此場點數遠小于表面離 散的節點數，得到的聲學傳遞矩陣往往不是方陣，并且是病態的，為克服由此引起的對誤差 的敏感性，首先對傳遞矩陣采取奇異值分解技術求解廣義偽逆矩陣
[0038] [ATM]t=U2Vt (4)
[0039] 式中U、V為單位正交矩陣，S卩UUT=I，VVT=I，奇異值矩陣2為對角陣，且滿足 〇1> 〇 2> - > 〇nf>〇,其中nf為場點數。由此可以得到乂"= [ATV] +Pf，這里[ATM] + = U2+VT，其中
[0040]
(5)
[0041] [ATM]+稱為ATM的廣義偽逆矩陣。對矩陣病態導致的傳遞矩陣對誤差敏感性較高， 采用Tikhonov正則化對奇異值處理進而得到表面振動速度矢量
[0042]
(7、
[0043] <、Vl分別U、V為單位正交矩陣中的列向量，A為正則參數，A利用L曲線準則 選擇，L曲線準則是解范數和殘值范數在對數圖上的表示，解范數為
[0047]解范數與殘余范數在對數坐標系中是由一系列離散點構成，由該離散點構成的曲 線曲率逐漸變化，類L型，其中最大曲率處的離散點對應的A作為正則化參數。利用傳聲 器陣列與參考傳聲器互譜后的場點聲壓重建表面振動速度，速度較大區域為噪聲源，由此 計算結構各模塊聲功率，識別主要噪聲源識別。
[0048] 本發明涉及的硬件設備：振動聲源1、參考傳聲器2、傳聲器陣列3、固定架4、數據 采集儀5和計算機6。
[0049] 參照圖1和圖2,振動聲源1某一工況下工作，參考傳聲器2固定，傳聲器陣列3 固定架4上，參考傳聲器與傳聲器陣列通過信號線連接到數據采集儀5,數據采集儀連接計 算機6,計算機安有Pulse數據處理軟件，其功能時可以實時記錄數據采集卡傳輸的聲壓信 息。
[0050] 基于Helmholtz積分方程法的結構噪聲源識別方法，其特征在于包括以下步驟：
[0051] (1)實驗設備包括：結構振動輻射聲源、參考傳聲器、聲陣列傳感器、固定架、數據 采集儀、計算機。
[0052] (2)實驗在全消聲室中連接以上實驗裝置，記錄參考聲源傳聲器和陣列聲壓，存儲 聲壓信息。聲陣列傳感器聲壓利用傅里葉變換計算不同頻率下的聲陣列聲復聲壓。
[0053] (3)基于離散Helmholtz積分方程法建立聲壓傳遞矩陣ATM，利用Tikhonov正則 化對傳遞矩陣逆矩陣正則處理，利用聲陣列傳感器測得的復聲壓作為輸入參數，計算待測 聲源振動表面法向振動速度以及表面聲壓，計算各模塊聲功率。
[0054] 實施例：
[0055] 步驟1 :在振動聲源2倍最高分析頻率波長內布置傳聲器陣列、測試面大小要求大 于目標聲源正投影面，測量點數量要求一個波長內至少含有2個測量點。
[0056] 步驟2 :依照圖1建立目標聲源與測試面仿真模型，劃分網格，振動聲源網格單元 要求小于最高分析頻率的1/6,導出模型網格數據。
[0057] 步驟3 :離散Helmholtz積分方程，建立結構表面振動法向振動速度與場點聲壓傳 遞矩陣，其中Helmholtz積分方程
[0061] 根據公式（10)、（11)得到場點聲壓與邊界表面振動關系
[0062] Pf=ATM?Vn (12)
[0063] 步驟4 :對傳遞矩陣采取奇異值分解技術求解廣義偽逆矩陣
[0064] [ATM]t=U2Vt (13)
[0065] 由此可以得到vn= [ATV] +pf這里[ATM] +=U2 +VT，其中
[0066]
(14)
[0067] 采用Tikhonov正則化對奇異值處理進而得到表面振動速度矢量
[0068]
(15)：
[0069] 其中正則參數A利用L曲線準則選擇。在對數坐標系下對應各點的曲率最大點 出的X作為正則化參數。
[0070] 步驟5 :利用傳聲器陣列與參考傳聲器聲壓互譜后得到場點聲壓作為計算表面法 向振動速度的輸入量，計算法向振動速度，根據振動速度識別噪聲源。
【主權項】
1. 一種基于Helmholtz積分方程的結構噪聲源識別方法，其特征在于：包括以下步驟， 步驟一：在目標聲源最高分析頻率的一個波長內布置傳聲器陣列，測試面大于目標聲 源正投影面，一個波長內至少含有2個測量點，在目標聲源附近放置參考傳聲器，測量得到 傳聲器陣列與參考傳聲器互譜后的場點復聲壓； 步驟二：利用Helmoltz積分方程建立邊界法向振動速度與傳聲器陣列與參考傳聲器 互譜后的場點復聲壓的傳遞關系，得到傳遞矩陣； 步驟三：對傳遞矩陣進行正則化，得到法向振動速度； 步驟四：根據振動速度識別噪聲源。2. 根據權利要求1所述的一種基于Helmholtz積分方程的結構噪聲源識別方法，其特 征在于：所述的邊界法向振動速度與傳聲器陣列與參考傳聲器互譜后的場點復聲壓的傳遞 關系為： pf=ATMvn 其中為Pf場點聲壓，vn為振動結構法向振動速度，ATM為傳遞矩陣。3. 根據權利要求1所述的一種基于Helmholtz積分方程的結構噪聲源識別方法，其特 征在于：所述的法向振動速度為：其中，wf、\分別為單位正交矩陣U、V中的列向量，X為正則參數，〇 > 〇 2>…〉 〇nf>〇為傳遞矩陣的奇異值，Vn= [ATM] +Pf，[ATM]+為ATM的廣義偽逆矩陣，[ATM] + =
【專利摘要】本發明公開了一種基于Helmholtz積分方程的結構噪聲源識別方法。在目標聲源最高分析頻率的一個波長內布置傳聲器陣列，測試面大于目標聲源正投影面，一個波長內至少含有2個測量點，在目標聲源附近放置參考傳聲器，測量得到傳聲器陣列與參考傳聲器互譜后的場點復聲壓；利用Helmoltz積分方程建立邊界法向振動速度與傳聲器陣列與參考傳聲器互譜后的場點復聲壓的傳遞關系，得到傳遞矩陣；對傳遞矩陣進行正則化，得到法向振動速度；根據振動速度識別噪聲源。本發明具有噪聲源識別方法簡單、實用性強的優點。
【IPC分類】G01S1/72
【公開號】CN105022024
【申請號】CN201510381925
【發明人】肖友洪, 呂國學, 季振林, 田新娜, 鄭偉, 褚陣豪
【申請人】哈爾濱工程大學
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2015年7月2日