張 順,朱海潮,毛榮富
(1. 海軍工程大學(xué) 振動(dòng)與噪聲研究所,武漢 430033;2. 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430033)
近場聲全息(Near-field Acoustical Holography,NAH)為建立在聲輻射理論基礎(chǔ)上的重要聲源定位與聲場可視化技術(shù)[1]。分析時(shí)一般將聲場近似為平穩(wěn)聲場。而工程實(shí)際中經(jīng)常會(huì)遇到由旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生的調(diào)制聲場,存在明顯調(diào)幅或調(diào)頻現(xiàn)象[2]。將此類聲場平穩(wěn)化處理,會(huì)損失某些頻率成分隨時(shí)間變化信息,所得全息圖無法顯示能反映聲源特性的調(diào)制成分聲場分布。
分析調(diào)制聲場近場聲全息時(shí)通常采用希爾伯特(Hilbert)變換的近場聲全息方法。調(diào)制聲源近場聲全息分析方法將Hilbert變換與NAH結(jié)合,利用Hilbert變換提取調(diào)制聲場聲壓信號(hào)調(diào)制成分,再進(jìn)行基于二維傅里葉變換的平面近場聲全息重建[3]。但Hilbert變換在信號(hào)整個(gè)頻率區(qū)間上進(jìn)行,不具備自適應(yīng)分析能力,抑制噪聲能力較差。噪聲較大時(shí),不能準(zhǔn)確提取調(diào)制成分,且噪聲誤差會(huì)在聲全息重建過程中隨全息數(shù)據(jù)進(jìn)入空間頻率域及以后處理過程,嚴(yán)重影響重建結(jié)果精度。調(diào)制聲源統(tǒng)計(jì)最優(yōu)近場聲全息分析方法在全息重建時(shí)采用統(tǒng)計(jì)最優(yōu)平面近場聲全息[4-6](Statistically Optimal Near-field Acoustic Holography,SONAH),雖可避免全息重建算法中卷繞誤差,但仍采用Hilbert變換解調(diào),同樣存在文獻(xiàn)[3]的問題。
基于二階循環(huán)統(tǒng)計(jì)量的循環(huán)平穩(wěn)聲場近場聲全息方法為處理調(diào)制聲場的另一種方法。分析循環(huán)平穩(wěn)聲場近場聲全息技術(shù)采用二階循環(huán)統(tǒng)計(jì)量理論代替?zhèn)鹘y(tǒng)傅里葉分析,以循環(huán)譜密度取代功率譜密度作為重建物理量,能反映循環(huán)平穩(wěn)聲場的調(diào)制特性[7]。適用于循環(huán)平穩(wěn)聲場基于波疊加法的近場聲全息技術(shù)可在所選循環(huán)頻率下有效重建輻射體表面譜相關(guān)密度函數(shù)[8]。循環(huán)譜密度組合切片分析法可減小重建計(jì)算量[9]。雖基于二階循環(huán)統(tǒng)計(jì)量的近場聲全息方法能實(shí)現(xiàn)調(diào)制聲源定位,但存在計(jì)算量大、特征選取困難、對(duì)乘性高斯白噪聲不具有免疫力等問題,不利于工程推廣應(yīng)用。
為此,本文提出復(fù)解析小波變換[10-11]的近場聲全息分析方法。利用復(fù)解析小波變換對(duì)測量面聲壓數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)處理,實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)與噪聲信號(hào)分離;對(duì)分離出的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行SONAH重建。不僅可有效抑制全息面測量噪聲,準(zhǔn)確提取調(diào)制成分,計(jì)算量小,且可避免全息重建算法中的卷繞誤差。數(shù)值仿真及音響實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法不僅能準(zhǔn)確識(shí)別、定位調(diào)制聲源,且抑制噪聲能力強(qiáng)、計(jì)算量小,全息重建精度較高。
(1)
式中:ψ(t)為基本小波或母小波;a為尺度參數(shù);b為位移參數(shù)。
有限能量函數(shù)x(t)∈L2(R)關(guān)于ψ(t)的連續(xù)小波變換定義[12]為
Wx(a,b)=x(t),ψa,b(t)=
(2)
設(shè)基本小波函數(shù)ψ(t)為
ψ(t)=φr(t)+jφi(t)
(3)
實(shí)信號(hào)x(t)復(fù)解析小波變換定義[13]為
Wxr(a,b)+jWxi(a,b)
(4)
式中:Wx(a,b)為信號(hào)x(t)經(jīng)帶通濾波后解析信號(hào)。
定義信號(hào)包絡(luò)為
(5)
在尺度a下x(t)瞬時(shí)相位及瞬時(shí)頻率分別為
(6)
(7)
由A(t)或θ(a,b)可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)x(t)的包絡(luò)解調(diào)[14]。
傳統(tǒng)的Hilbert變換為90°移相器,不具備抑制噪聲能力。而小波帶通濾波器,可彌補(bǔ)該缺陷。尺度a增加時(shí),小波變換可以伸展的ψ(t)波形觀察x(t)全局;尺度a減小時(shí),小波變換則以壓縮的ψ(t)波形觀察x(t)細(xì)節(jié)。只要所選尺度適當(dāng),即可改變?yōu)V波器中心頻率及帶寬,使濾波器頻帶覆蓋信號(hào)中有用頻帶,提取理想包絡(luò),突出有用信息,使復(fù)解析小波變換具備自適應(yīng)分析能力及較強(qiáng)抑制噪聲能力。
分析比較所選已調(diào)高斯函數(shù)ψ(t)為復(fù)解析小波:
ψ(t)=e(-t2/2)ejwt
(8)
用嵌在無限大剛性障板活塞聲源產(chǎn)生的聲場作為仿真聲場,以活塞中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系XOY,全息面與重建面均與XOY平面平行,且中心均位于Z軸上。全息面尺寸1 m×1 m,全息陣為17×17,距活塞平面0.05 m,重建面距活塞平面0.02 m?;钊砻嬲袼傩盘?hào)為一調(diào)幅信號(hào):
x1(t)=A1[1+B1cos(2πfb1t+
φb1)]sin(2πfa1t+φa1)
(9)
式中:A1=1;B1=1.5;載波頻率fa1=700 Hz;幅值調(diào)制頻率fb1=100 Hz;初始相位取0。
對(duì)振速信號(hào)x1(t)進(jìn)行Fourier變換獲得活塞表面振速頻譜x1(t),采用瑞利積分的離散形式計(jì)算全息面各采樣點(diǎn)在頻率f處復(fù)聲壓:
(10)
在以上仿真中加入均值為0、方差σ2(σ取50)的白噪聲,以模擬實(shí)際NAH系統(tǒng)存在各種噪聲及誤差。為定量研究噪聲對(duì)重建誤差影響,定義信噪比SNR為全息面上一對(duì)角測點(diǎn)的信噪比:
(11)
式中:phrms為全息面對(duì)角測點(diǎn)信號(hào)均方根值。
定義Hilbert變換與復(fù)解析小波變換解調(diào)時(shí)的重建誤差指標(biāo)errot:
(12)
式中:Ps為重建聲壓;Psref為理論復(fù)聲壓;M,N為全息面陣二方向測量點(diǎn)數(shù)。
定義循環(huán)譜解調(diào)時(shí)重建誤差指標(biāo)errot2:
(13)
式中:S為重建所得聲壓循環(huán)譜密度;Sref為重建面理論聲壓循環(huán)譜密度;M,N為全息面陣二方向測量點(diǎn)數(shù)。
由圖1看出,調(diào)制信號(hào)成分在調(diào)制頻率(100 Hz) 處并未出現(xiàn)譜峰,而在載波信號(hào)頻率700 Hz兩側(cè)以調(diào)制頻率fb1為間隔的邊帶處出現(xiàn),若不進(jìn)行解調(diào)處理,直接利用頻譜進(jìn)行SONAH分析,則在100 Hz處不能獲得調(diào)制信號(hào)聲場分布,見圖2。由利用Hilbert變換解調(diào)所得頻譜圖3看出,調(diào)制信號(hào)成分淹沒在噪聲信號(hào)中,100 Hz全息重建結(jié)果見圖4,此時(shí),信噪比為-12.2,重建誤差為48.6%。利用循環(huán)譜解調(diào),選取循環(huán)頻率α為0 Hz,100 Hz,548 Hz,648 Hz,748 Hz作循環(huán)譜密度組合切片,見圖5,α=648 Hz時(shí),調(diào)幅頻率100 Hz被分離出來,取α=648 Hz,f=100 Hz進(jìn)行全息重建,結(jié)果見圖6,重建誤差40.2%,重建時(shí)間384.2 s。利用本文方法解調(diào)所得頻譜見圖7。由圖7看出,已準(zhǔn)確提取出調(diào)制信號(hào)成分(100 Hz),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行SONAH分析,所得結(jié)果即能反映調(diào)制頻率處聲場分布,見圖8,重建誤差34.9%,明顯低于采用Hilbert變換方法及循環(huán)譜方法。重建時(shí)間24.6 s,明顯低于循環(huán)譜近場聲全息方法。重建面理論聲壓幅值分布見圖9。
圖1 調(diào)幅信號(hào)頻譜
圖4 Hilbert變換解調(diào)重建面聲壓分布
圖7 復(fù)解析小波變換解調(diào)后信號(hào)頻譜
圖10 調(diào)頻信號(hào)頻譜
圖13 Hilbert變換解調(diào)重建面聲壓分布
圖16 復(fù)解析小波變換解調(diào)信號(hào)頻譜
由以上仿真看出,在信噪較低條件下,對(duì)調(diào)幅聲源進(jìn)行近場聲全息重建分析時(shí),利用復(fù)解析小波變換的重建誤差明顯小于利用Hilbert變換及循環(huán)譜解調(diào)的重建誤差。進(jìn)一步分析比較以上三種方法在不同噪聲條件下的重建誤差。使σ取不同值,三種方法重建誤差與信噪比關(guān)系見表1。由表1知,隨噪聲的增大,重建誤差有所增大,但在各信噪比條件下采用復(fù)解析小波變換的全息重建結(jié)果明顯優(yōu)于采用Hilbert變換及循環(huán)譜解調(diào)的重建結(jié)果。
活塞表面振速信號(hào)為調(diào)頻信號(hào),表達(dá)式為
x2(t)=A2cos[(2πfa2t+
B2cos(2πfb2t+φb2)+φb2]
(14)
式中:A2=1;B2=1.5;fa2=700 Hz為載波頻率;fb2=100 Hz為幅值調(diào)制頻率;初始相位均取0。
信號(hào)幅值譜見圖10。同樣,若不進(jìn)行解調(diào)處理,在100 Hz處則不能獲得正確的聲場分布,見圖11。在以上仿真中加入均值為0、方差σ2(σ取20)的白噪聲,以模擬實(shí)際NAH系統(tǒng)存在各種噪聲與誤差。利用Hilbert變換解調(diào)所得頻譜見圖12。由圖12看出,調(diào)制信號(hào)成分淹沒在噪聲信號(hào)中。100 Hz的全息重建結(jié)果見圖13,此時(shí)信噪比為-7.65,重建誤差49.1%。利用循環(huán)譜解調(diào),選循環(huán)頻率α為0 Hz,100 Hz,548 Hz,648 Hz,748 Hz作循環(huán)譜密度組合切片,見圖14。α=648 Hz時(shí),調(diào)頻頻率100 Hz被清晰分離出,取α=648 Hz,f=100 Hz進(jìn)行全息重建,結(jié)果見圖15。此時(shí)重建誤差為24.4%,重建時(shí)間為384.2 s。利用復(fù)解析小波變換,可準(zhǔn)確提取調(diào)制信號(hào)成分,見圖16。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行SONAH分析所得結(jié)果即能準(zhǔn)確反映調(diào)制頻率處的聲場分布,見圖17。此時(shí),重建誤差為32.4%,低于采用Hilbert變換解調(diào)方法,高于循環(huán)譜解調(diào)方法,重建時(shí)間為24.6 s,明顯低于循環(huán)譜解調(diào)方法。重建面理論聲壓幅值分布見圖18。
由以上仿真看出,在信噪比較低條件下,對(duì)調(diào)頻聲源進(jìn)行近場聲全息重建分析時(shí),利用復(fù)解析小波變換的重建誤差明顯小于利用Hilbert變換,大于利用循環(huán)譜解調(diào)方法。進(jìn)一步分析比較以上三種方法在不同噪聲條件下的重建誤差。同樣使σ取不同值,三種方法重建誤差與信噪比關(guān)系見表2。由表2看出,隨噪聲的增大,重建誤差有所增大,但在各種信噪比條件下采用復(fù)解析小波變換的重建結(jié)果明顯優(yōu)于采用Hilbert變換的重建結(jié)果,較循環(huán)譜解調(diào)方法稍差。
表1 調(diào)幅信號(hào)(有噪聲)解調(diào)后重建誤差
表2 調(diào)頻信號(hào)(有噪聲)解調(diào)后重建誤差
實(shí)驗(yàn)在普通空曠廠房中完成,用電腦產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)、噪聲信號(hào)各一路,分別聯(lián)接于相距R=14 cm的兩音箱,在距音箱表面D=4 cm處通過掃描法測量聲壓獲得全息面聲場,重建音箱表面所在平面聲學(xué)量。采樣頻率Fs=4 096 Hz,全息面大小60 cm(x向)×50 cm(y向),測量網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)13(x向)×11(y向),兩方向測量點(diǎn)間距均為5 cm,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場見圖19。數(shù)據(jù)分析時(shí)頻率分辨率為1 Hz。噪聲信號(hào)為電腦隨機(jī)生成的一路白噪聲信號(hào)。電腦產(chǎn)生的調(diào)幅信號(hào)、調(diào)頻信號(hào)分別為
x1(t)=[1+0.9cos(64πt)]sin(800πt)
(15)
x2(t)=cos[(800πt)+0.9cos(64πt]
(16)
參考傳聲器測量所得音箱信號(hào)聲功率見圖20。由圖20看出,調(diào)制頻率32 Hz主要位于載波信號(hào)頻率400 Hz兩側(cè)以邊帶形式出現(xiàn),無法正確獲得調(diào)制頻率處的聲源分布,見圖21。經(jīng)Hilbert解調(diào)后聲功率見圖22。由圖22看出,由于噪聲信號(hào)的存在,調(diào)制成分不能有效分離出來,淹沒在噪聲信號(hào)中。32 Hz的全息重建結(jié)果無法準(zhǔn)確顯示兩音箱的聲源位置,見圖23。利用循環(huán)譜解調(diào),選循環(huán)頻率α為0 Hz,32 Hz,768 Hz,800 Hz,832 Hz作循環(huán)譜密度組合切片,見圖24,α=800 Hz時(shí),調(diào)幅頻率32 Hz被清晰分離出來。取α=800 Hz,f=32 Hz進(jìn)行全息重建,結(jié)果見圖25,此時(shí)重建面全息圖仍能準(zhǔn)確反映兩音箱聲源位置,重建用時(shí)437.6 s。利用以上方法,經(jīng)復(fù)解析小波解調(diào)后聲功率見圖26。由圖26看出,調(diào)制頻率32 Hz可被明顯識(shí)別,在此基礎(chǔ)上所得重建面聲壓幅值分布見圖27,兩音箱聲源獲得準(zhǔn)確重建,用時(shí)24.3 s。
對(duì)比三種方法解調(diào)后全息重建圖不難發(fā)現(xiàn),采用復(fù)解析小波變換解調(diào)的全息重建圖能更準(zhǔn)確反映兩音箱的聲源位置,與仿真結(jié)果一致。雖采用循環(huán)譜解調(diào)方法也能實(shí)現(xiàn)音響聲源定位,但計(jì)算量偏大,對(duì)調(diào)幅聲源白噪聲抑制能力不及采用復(fù)解析小波解調(diào)方法,且循環(huán)頻率選取較困難,不利于工程實(shí)際應(yīng)用。因此,在有噪聲干擾條件下,采用復(fù)解析小波變換先對(duì)調(diào)幅聲源的調(diào)制信號(hào)及噪聲信號(hào)分離,再對(duì)其邊際譜進(jìn)行SONAH重建的方法更準(zhǔn)確、快速,更適合工程應(yīng)用。
圖19 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖
圖22 Hilbert解調(diào)后聲功率
圖25 重建面循環(huán)譜密度分布 (α=800,f=32 Hz)
參考傳聲器測量所得音箱信號(hào)聲功率見圖28,此時(shí)重建面全息圖仍準(zhǔn)確反映兩音箱的聲源位置,見圖29。經(jīng)Hilbert解調(diào)后的聲功率見圖30。由圖30看出,由于噪聲信號(hào)的存在,調(diào)制成分32 Hz不能有效分離,淹沒在噪聲信號(hào)中。重建的全息圖無法準(zhǔn)確顯示兩音箱的聲源位置,見圖31。利用循環(huán)譜解調(diào),選取循環(huán)頻率α為0 Hz,32 Hz,768 Hz,800 Hz,832 Hz作循環(huán)譜密度組合切片,見圖32,α=800 Hz時(shí),調(diào)頻頻率32 Hz被分離出來,選α=800 Hz,f=32 Hz進(jìn)行全息重建,結(jié)果見圖33,此時(shí)重建面全息圖仍能準(zhǔn)確反映兩音箱聲源位置,重建用時(shí)437.6 s。利用本文方法,通過復(fù)解析小波解調(diào)后的聲功率見圖34,此時(shí)調(diào)制頻率32 Hz已得到較好分離,重建面聲壓幅值分布見圖35,兩音箱聲源準(zhǔn)確地得到重建,用時(shí)24.3 s。
對(duì)比三種方法解調(diào)后全息重建圖不難發(fā)現(xiàn),采用復(fù)解析小波變換解調(diào)的全息重建圖能準(zhǔn)確反映兩音箱聲源位置,優(yōu)于經(jīng)Hilbert解調(diào)后的全息重建圖,但利用循環(huán)譜解調(diào)的全息重建圖重建效果更好,與仿真結(jié)果一致。雖采用循環(huán)譜解調(diào)方法也能實(shí)現(xiàn)音響聲源定位,對(duì)調(diào)頻聲源白噪聲抑制能力強(qiáng)于采用復(fù)解析小波解調(diào)方法,但計(jì)算量偏大,且循環(huán)頻率選取較困難,不利于工程實(shí)際應(yīng)用。因此,在有噪聲干擾條件下,采用復(fù)解析小波變換先對(duì)調(diào)頻聲源調(diào)制信號(hào)及噪聲信號(hào)分離,再對(duì)其邊際譜進(jìn)行SONAH重建方法更準(zhǔn)確、快速,更適合工程實(shí)際應(yīng)用。
圖28 調(diào)頻信號(hào)聲功率
圖31 hilbert解調(diào)后重建面聲壓
圖34 復(fù)解析小波解調(diào)后聲功率
(1) 仿真、實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在有噪聲干擾情況下,先通過復(fù)解析小波變換對(duì)調(diào)制聲場信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理,將調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)分離,再對(duì)調(diào)制成分進(jìn)行SONAH重建分析,重建結(jié)果能準(zhǔn)確識(shí)別、定位調(diào)制聲源,計(jì)算量小,對(duì)加性白噪聲有較強(qiáng)抗干擾能力。
(2) 本文方法可提取常規(guī)NAH技術(shù)所不能提取的信息,對(duì)調(diào)制聲場特征提取的準(zhǔn)確性及全息重建精度優(yōu)于Hilbert變換方法。
(3) 循環(huán)譜解調(diào)方法雖在調(diào)頻聲場全息重建的精度優(yōu)于本文方法,但計(jì)算量較大,且特征提取困難。采用復(fù)解析小波變換的調(diào)制聲源近場聲全息分析方法更適應(yīng)于工程應(yīng)用,對(duì)NAH技術(shù)推廣應(yīng)用有積極意義。
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