高速运动物体表面声场分析方法

摘要

本发明涉及一种高速运动物体表面声场分析方法，在运动物体从测量设备前通过时，仪器快速记录物体发出的噪声信号及物体运动信息，并将信号数字化后输入计算机，对信号进行一系列处理，将运动物体表面的噪声场计算出来，并将结果以图形的方式直观显示出来。本发明的方法可以应用于对高速火车、高速运动汽车表面的噪声源进行测量识别，从而给降噪提供科学依据。

主权项

1.一种高速运动物体表面声场分析方法，其特征在于该方法包括以下各步骤：a.用一个直列式传声器阵列接收运动物体发射出来的声音信号，并将其转换成多路电压信号p(t)，激光测速定位设备将物体运动的速度信息及位置信息转换成一路电压信号v(t)；b.电压信号p(t)，v(t)经过放大滤波后，用多通道高速采样板对电压信号p(t)及v(t)同时进行采样，进行A/D转换，多路电压信号p(t)的转换结果存放到一个二维数组A[m][n]中，m代表用来接收声音信号的传声器的个数，n代表采样点的个数，数组A[i]表示传声器阵列中第i个传声器的采样信号1≤i≤m，其对应的电压信号为pi(t)，电压信号v(t)的转换结果存放到一个一维数组B[n]中，n代表采样点的个数，与数组A中的采样点个数相同；在数组B[n]中，设数组元素数值出现下降沿变化时，运动物体处于位置1，对应的数组元素为B[j]，1≤j≤n，数组元素出现上升沿变化时，运动物体处于位置2，对应的数组元素为B[k]，1≤k≤n；c.根据上述第二步中确定的数组A与运动物体的空间位置关系，从数组A中截取一段当运动物体距传声器较远时传声器所接收到的数据存放到一个新的数组C[m][n1]中，n1表示所截取的数据点数，1≤n1≤n，从C[m][n1]中取一行数据C[i][n1]进行计算，C[i][n1]对应传声器阵列中第i个传声器的采样信号，首先对C[i][n1]进行频谱分析，从频谱中选取突出的峰值频率fd，设在数组C[i][n1]的起点C[i][1]，声源在x，y空间中的坐标为(x1，y1)，声音从声源传播到第i个传声器的距离为R1，设在数组C[i][n1]的终点C[i][n1]，声源在x，y空间中的坐标为(x2，y2)，声音从声源传播到第i个传声器的距离为R2，得到：$f_0=f_d/[1-\left(\frac{R_2-R_1}{x_2-x_1}\right)M],$ 式中M为物体运动的马赫数，M＝V/C，V为物体运动速度，C＝340米/秒；d.定义两个坐标系，在运动物体运动的平面上建立坐标系ζo1η，在测量传声器阵列表面与运动物体运动平面平行的平面上建立坐标系xoy，(x，y)表示坐标系xoy上的一点，(ζ，η)表示坐标系ζo1η上的一点，在数组A中，数组A[i]表示传声器阵列中第i个传声器的采样信号，与该采样信号对应的电压信号为pi(t)，利用pi(t)根据下面的公式构造出一组数据H(x，yi，ζ，η，k0)$H(x,y_i,\zeta ,\eta ,k_0)=\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_{0}r}}{r}\mathrm{DFT}\left[p_i\left(t\right)R\left(t\right){(1-M\cos \phi \left(t\right))}^2{e}^{{\mathrm{jk}}_{0}R\left(t\right)}\right]{|}_{k=k_0}---\left(1\right)$ 在上式中：DFT表示对括号中的数据进行离散傅立叶变换；k0为所计算频率(f0)的波数，k0＝2πf0/c，c为声速；k＝k0表示取离散傅立叶变换后频率为k0的信号；pi(t)为第i个传声器的采样得到的声压数据；M为物体运动的马赫数；$R\left(t\right)=\frac{M(x\left(t\right)-\zeta )+\sqrt{{(x\left(t\right)-\zeta )}^2+(1-M^2)({(y_i\left(t\right)-\eta )}^2+{z_0}^2)}}{1-M^2}$ (x(t)，yi(t))为第i个传感器在t时刻的位置坐标；x(t)＝L-vt，yi(t)＝i×Δy；L为采样时间内物体运动距离；Δy为直列式传声器阵列中相邻传声器之间的距离间隔；cosφ(t)＝(x(t)-ζ)/R(t)；将根据式(1)得到的H(x，yi，ζ，η，k0)表达成一维数组H[i][n2]存放，i表示是由第i个传声器构造的数据，n2表示数据点的个数，同理得到m个一维数组，将上述一维数组组合起来得到一个二维数组H[m][n2]，用符号H(x，y，ζ，η，k0)表示；e.将H(x，y，ζ，η，k0)代入下面公式即得到物体运动平面的点(ζ，η)在k0频率下的声场：$U(\zeta ,\eta ,k_0)=\frac{\beta }{2\mathrm{j\lambda }}\underset{H}{\int \int }H(x,y,\zeta ,\eta ,k_0)\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_{0}r}}{r}[1+(1+\frac{1}{{\mathrm{jk}}_{0}r})\cos \theta ]\mathrm{dxdy}---\left(2\right)$ 在上式中：$r=\sqrt{{(x-\zeta )}^2+{(y-\eta )}^2+{z_0}^2},$ r为坐标点(x，y)与坐标点(ζ，η)之间的连线距离；z0为两个坐标面之间的距离；cosθ为r与物体运动平面法线的夹角；利用以上方法对物体运动平面上所有的点做相同的处理后即得到物体运动平面上各点在f0频率下的声场，根据各点声场的数值用画等压线的方式画出声场的等压线图，并将运动物体叠加到等压线图上，便显示出运动物体在该频率下的噪声场。