CN105021702A - 一种基于复倒谱的水声材料声反射系数自由场宽带测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复倒谱的水声材料声反射系数自由场宽带测量方法。包括以下步骤，生成宽带压缩脉冲信号作为发射信号；声压水听器接收信号，并对接收信号进行截取，剔除待测水声材料边缘衍射波，获得直达波信号与反射波信号的混合信号；获得直达波信号的重构信号；获得待测水声材料的声反射系数。本发明利用宽带压缩脉冲信号作为发射信号形式，克服了自由场测量中待测样本的边缘衍射效应，实现在较大角度入射情况下水声材料声反射系数的测量。提出了基于复倒谱的测量方法，避免了实倒谱法中反射信号实倒谱提取与补零带来的误差。本发明只需一次测量即可得到测量频带的声反射系数，操作应更加方便易行。

Description

一种基于复倒谱的水声材料声反射系数自由场宽带测量方法

技术领域

本发明属于水声测量领域，尤其涉及一种基于复倒谱的水声材料声反射系数自由场宽带测量方法。

背景技术

目前测量水声材料声反射系数的方法有多种，从测量样本几何尺寸可分为声管法和自由场法。与声管法相比较，自由场法的测量结果可以更好地反映水声材料或构件在实际应用中的声学性能，并且可以得到斜入射情况的声反射系数。但由于待测样本尺寸有限，自由场方法均会受到待测样本边缘衍射效应的影响。针对这一问题，人们提出了多种改进的测量方法，如李水在2005年第25卷第3期声学学报上发表的“水声材料性能的自由场宽带压缩脉冲叠加法测量”中提出的自由场宽带压缩脉冲叠加法。该方法首先将水听器偏心放置，再利用高指向性的发射换能器阵发射信号，减小样本边缘衍射效应，最后利用最小平方反滤波技术对测量***进行处理，使发射换能器辐射的声脉冲信号得到一定程度的压缩，来测量样本的声反射系数。该方法可以减小边缘衍射效应的影响，但其需要分别对无待测样本的直达声信号与有待测样本的信号分别多次测量，操作繁琐。国内外专家Bolton.J.S、朱从云等人将实倒谱信号处理技术应用于空气声学材料的声反射系数宽带测量，其中国外专家Bolton.J.S与E.Gold在1984年第93卷第2期Journal of Sound and Vibration.上发表的“The Application ofCepstral Techniques to The Measurement of Transfer Function and Acoustic ReflectionCoefficients”中较早地提出利用实倒谱技术测量声学材料声反射系数的现场测量方法。该方法使用线性调频信号作为发射信号，将实倒谱算法作为处理数据手段，在倒谱域上利用递归滤波器提取待测样本表面的单位冲激响应，并对其补零，进而计算待测样本表面的声反射系数。但是该方法测量声反射系数相位存在一定困难，并且要求测量***具有很高的采样频率。国内专家黄其柏、朱从云等人在2004年第32卷第4期华中科技大学学报(自然科学版)上发表的“基于倒频谱分析的吸声系数测量的一种新方法”中提出了利用倒频谱技术测量声学材料吸声系数的方法，该方法将待测样本敷贴在刚性壁上，利用宽带噪声信号作为发射信号，首先测量扬声器发出的声波经待测样本反射后麦克风处的声压，将其变换成实倒谱，再与取消待测样本后麦克风测得的声压变换成的实倒谱对比，得到待测样本的声反射系数，从而得到吸声材料样本的吸声系数。但是该方法需要两次测量，操作较繁琐，其发扬声器与麦克风均置于待测样本的正前方，测量的是法向的吸声系数，并且该方法对待测样本的声反射系数相位测量并未涉及。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简单的，基于复倒谱的水声材料声反射系数自由场宽带测量方法。

一种基于复倒谱的水声材料声反射系数自由场宽带测量方法，包括以下步骤，

步骤一：生成宽带压缩脉冲信号作为发射信号；

步骤二：声压水听器接收信号，并对接收信号进行截取，剔除待测水声材料边缘衍射波，获得直达波信号与反射波信号的混合信号P(t)；

步骤三：获得直达波信号的重构信号

步骤四：获得待测水声材料的声反射系数：

$\tilde{R}=F\[P\left(t\right)-{\hat{P}}_i\left(t\right)\]/F\[{\hat{P}}_i\left(t\right)\].$

本发明一种基于复倒谱的水声材料声反射系数自由场宽带测量方法，还可以包括：

1、生成宽带压缩脉冲信号的方法为：

(1)根据声波入射角与测量***参数计算衍射波信号与反射波信号的时延，确定发射信号的脉冲宽度；

(2)根据测量频带与发射信号的脉冲宽度确定线性调频信号：

$u\left(t\right)=A\·rect\left(\frac{t}{\mathrm{\τ}}\right)\·e^{j(2{\mathrm{\πf}}_{0}t+\frac{1}{2}{\mathrm{\μt}}^2)}$

其中， $rect\left(\frac{t}{\mathrm{\τ}}\right)=\left\{\begin{array}{c}1,\left|t\right|\≤\frac{\mathrm{\τ}}{2}\\ 0,\left|t\right|>\frac{\mathrm{\τ}}{2}\end{array}\right.,$ A为幅值，f₀为中心频率，Δf为调制频偏，τ为调频时间；

对线性调频信号进行脉冲压缩处理，得到压缩后的输出信号：

$u_0\left(t\right)=A\·\sqrt{D}\·\frac{sin\left(\mathrm{\π}Bt\right)}{\mathrm{\π}Bt}\·cos\left(2{\mathrm{\πf}}_{0}t\right)$

其中，B为信号频带宽度，D＝Bτ为信号的脉冲压缩比；

(3)对压缩后的线性调频信号进行截断，取出能量集中部分作为发射信号。

2、获得直达波信号的重构信号的方法为：

(1)计算直达波信号与反射波信号的混合信号P(t)的复倒谱；

(2)在倒谱域上将反射波信号的能量滤除，获取直达波信号复倒谱

(3)获得直达波信号的重构信号

${\hat{P}}_i\left(t\right)=F^{-1}\[e^{fft\left(c_{pi}\left(t\right)\right)}\].$

有益效果：

一方面利用宽带压缩脉冲信号作为发射信号形式，克服了自由场测量中待测样本的边缘衍射效应，实现在较大角度入射情况下水声材料声反射系数的测量。另一方面，针对实倒谱法测量样本声反射系数相位的困难，提出了基于复倒谱的测量方法，该测量方法避免了实倒谱法中反射信号实倒谱提取与补零带来的误差，实现水声材料声反射系数相位的测量。最后，该测量方法只需一次测量即可得到测量频带的声反射系数，操作应更加方便易行。

附图说明

图1复反射系数自由场宽带测量模型示意图；

图2(a)发射声压信号形式发射声压信号，图2(b)发射声压信号功率谱发射声压信号；

图3接收信号示意图；

图4声压信号复倒谱示意图；

图5(a)声波入射角度θ为0°时复倒谱法重构直达声信号仿真结果图，图5(b)声波入射角度θ为60°时复倒谱法重构直达声信号仿真结果图；

图6(a)声波入射角度θ为0°时复倒谱法测量水声材料声反射系数模值，图6(b)声波入射角度θ为0°时复倒谱法测量水声材料声反射系数相位；

图7(a)声波入射角度θ为30°时复倒谱法测量水声材料声反射系数模值，图7(b)声波入射角度θ为30°时复倒谱法测量水声材料声反射系数相位；

图8(a)声波入射角度θ为60°时复倒谱法测量水声材料声反射系数模值，图8(b)声波入射角度θ为60°时复倒谱法测量水声材料声反射系数相位；

图9复倒谱法测量水声材料声反射系数数据处理流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的目的在于提出一种在中低频段(500Hz-10kHz)测量水声材料声反射系数的自由场宽带测量方法，只需一次测量即可准确获得水声材料声反射系数的模值与相位信息。其技术方案是：该方法将线性调频信号的脉冲压缩技术与复倒谱算法相结合，首先利用宽带压缩脉冲作为发射信号形式，在时间上分开待测样本边缘衍射波，避免其影响，再通过复倒谱算法重构直达波信号，然后分离直达波信号与反射波信号，最后将二者相比较求得待测水声材料样本的声反射系数。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)生成宽带压缩脉冲信号作为发射信号形式；

(2)剔除样本边缘衍射波：声压水听器接收信号为发射换能器发射的直达波信号、反射波信号、样本边缘衍射波信号等，首先在时间上去除待测样本边缘衍射波信号等干扰，获得直达波信号与反射波信号的混合信号P(t)；

(3)重构直达波信号：计算P(t)的复倒谱，在倒谱域上将反射波信号的能量滤除，获取直达波信号复倒谱，并对其进行复倒谱运算的逆运算，获得直达波信号的重构信号再分离直达波信号与反射波信号；

(4)获取水声材料样本的声反射系数：通过比较法获得样本的复反射系数，即：

$\tilde{R}=F\[P\left(t\right)-{\hat{P}}_i\left(t\right)\]/F\[{\hat{P}}_i\left(t\right)\].$

利用宽带压缩脉冲信号作为发射信号形式，在时间上分离样本边缘衍射波，规避其影响。宽带压缩脉冲信号的具体生成过程如下：首先根据声波入射角度与测量***参数计算衍射波信号与反射波信号的时延，确定发射信号的脉冲宽度；然后，根据测量频带与发射信号脉冲宽度选择合适的线性调频信号的调频时间与频带宽度，并对其进行脉冲压缩处理；最后截取线性调频信号脉冲压缩输出信号的能量集中的部分作为发射信号形式。

利用复倒谱算法重构直达波信号，再将其与反射波信号分离，最后通过比较获得样本的声反射系数。

本发明涉及一种基于复倒谱算法的水声材料声反射系数的自由场宽带测量方法，该方法将线性调频信号的脉冲压缩技术与复倒谱算法相结合，首先通过线性调频信号的脉冲压缩技术获得宽带压缩脉冲信号，将其作为发射信号形式，在时间上分开样本边缘衍射波，再利用复倒谱算法重构直达波信号，将其与反射波信号进行分离，最后将二者相比较求得水声材料待测样本的声反射系数。该方法克服了实倒谱法相位测量的困难，并且有效避免了样本边缘衍射效应的影响，获得了较低的测量频带下限，实现了宽带、大角度入射情况的声反射系数自由场测量；该方法实操作简便，只需一次测量即可得到关心频带内的样本声反射系数。本方法适用于水声材料声反射系数的大样本自由场宽带测量，同样适用于空气声学材料的测量。

复倒谱测量水声材料声反射系数自由场测量模型如图1所示，本发明的具体技术方案如下，如图9所示：

第一步，生成宽带压缩脉冲信号。发射信号形式为宽带压缩脉冲信号，由线性调频信号脉冲压缩技术获得，具体步骤如下所述：

1)线性调频信号的脉冲压缩：线性调频信号的时域表达式为：

$u\left(t\right)=A\·rect\[\frac{t}{\mathrm{\τ}}\]\·e^{j(2{\mathrm{\πf}}_{0}t+\frac{1}{2}{\mathrm{\μt}}^2)}---\left(1\right)$

式中， $rect\left(\frac{t}{\mathrm{\τ}}\right)=\left\{\begin{array}{c}1,\left|t\right|\≤\frac{\mathrm{\τ}}{2}\\ 0,\left|t\right|>\frac{\mathrm{\τ}}{2}\end{array}\right.,$ A为幅值，f₀为中心频率，Δf为调制频偏，τ为调频时间。经匹配滤波器后，输出信号为：

$u_0\left(t\right)=A\·\sqrt{D}\·\frac{sin\left(\mathrm{\π}Bt\right)}{\mathrm{\π}Bt}\·cos\left(2{\mathrm{\πf}}_{0}t\right)---\left(2\right)$

式中，B为信号频带宽度，D＝Bτ为信号的脉冲压缩比。可见，线性调频信号经匹配滤波输出信号包络为sinc函数，旁瓣峰值呈f(x)＝1/x规律衰减，曲线零点间的时间间隔为1/B秒。

2)截取输出线性调频信号脉冲压缩信号：LFM信号脉冲压缩输出信号的能量主要集中于信号主瓣，其旁瓣幅值振荡衰减。为了防止待测样本边缘衍射波信号与反射波信号发生混叠，所以对线性调频信号脉冲压缩输出信号进行截断，取出能量集中的部分作为发射信号形式，其时域波形与频谱如图2所示。

第二步，去除衍射波信号。声压水听器接收到的信号波形示意图如图3所示。可见，样本边缘衍射波与样本表面反射波在时间上是分开的，可对信号截取避免待测样本边缘衍射效应的影响。

第三步，重构直达波信号。

忽略样本厚度，图1中S为发射换能器，R为声压水听器，r_i为发射换能器与水听器的距离，r_r＝r_i+d为虚源与声压水听器的距离，水听器到材料表面距离为d，P_i、P_r分别表示发射换能器发射信号和样本表面反射波信号，声波按球面波规律扩展。重构直达波信号的具体步骤如下所述：

1)计算信号复倒谱。设样本的反射系数的单位冲激响应函数为h(t)，则水听器接收到的信P(t)为：

P(t)＝P_i(t)+P_r(t)＝P_i(t)+(r_i/r_r)·h(t)*P_i(t-τ_r)    (3)

式中，τ_r＝(r_r-r_i)/c，c为水中声速。将(3)进行傅里叶变换，得到：

$\begin{array}{c}P\left(\mathrm{\ω}\right)=P_i\left(\mathrm{\ω}\right)+\frac{r_i}{r_r}h\left(\mathrm{\ω}\right)\·P_i\left(\mathrm{\ω}\right)\·e^{-{\mathrm{j\ω\τ}}_r}\\ =P_i\left(\mathrm{\ω}\right)\left(1+\frac{r_i}{r_r}h\left(\mathrm{\ω}\right)\·e^{-{\mathrm{j\ω\τ}}_r}\right)\end{array}---\left(4\right)$

将(4)式取自然对数得到：

$ln\[P\left(\mathrm{\ω}\right)\]=ln\[P_i\left(\mathrm{\ω}\right)\]+ln\[1+\frac{r_i}{r_r}h\left(\mathrm{\ω}\right)\·e^{-{\mathrm{j\ω\τ}}_r}\]---\left(5\right)$

因为 $|\frac{r_i}{r_r}h\left(\mathrm{\&omega;}\right)\&CenterDot;e^{-{\mathrm{j\&omega;\&tau;}}_r}|<1,$ 将(5)式中 $ln\&lsqb;1+\frac{r_i}{r_r}h\left(\mathrm{\&omega;}\right)\&CenterDot;e^{-{\mathrm{j\&omega;\&tau;}}_r}\&rsqb;$ 展开为泰勒级数，有：

$ln\&lsqb;P\left(\mathrm{\&omega;}\right)\&rsqb;=ln\&lsqb;P_i\left(\mathrm{\&omega;}\right)\&rsqb;+\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\&infin;}}{\&Sigma;}}\frac{{(-1)}^n}{n+1}{(\frac{r_i}{r_r}H\left(\mathrm{\&omega;}\right)\&CenterDot;e^{-{\mathrm{j\&omega;\&tau;}}_r})}^{n+1}---\left(6\right)$

将(6)式进行傅里叶反变换，得到：

$\begin{array}{c}{c}_p\left(t\right)=c_{p_i}\left(t\right)+\frac{r_i}{r_r}H\left(t-{\mathrm{\&tau;}}_r\right)-\frac{1}{2}{\left(\frac{r_i}{r_r}\right)}^{2}H\left(t-{\mathrm{\&tau;}}_r\right)*H\left(t-{\mathrm{\&tau;}}_r\right)\\ +\frac{1}{3}{\left(\frac{r_i}{r_r}\right)}^{3}H\left(t-{\mathrm{\&tau;}}_r\right)*H\left(t-{\mathrm{\&tau;}}_r\right)*H\left(t-{\mathrm{\&tau;}}_r\right)+L\\ =c_{p_i}\left(\mathrm{\&tau;}\right)+\frac{r_i}{r_r}H\left(t\right)\&CenterDot;\mathrm{\&delta;}\left(t-{\mathrm{\&tau;}}_r\right)-\frac{1}{2}{\left(\frac{r_i}{r_r}\right)}^{2}H\left(t\right)*H\left(t\right)\&CenterDot;\mathrm{\&delta;}\left(t-2{\mathrm{\&tau;}}_r\right)\\ +\frac{1}{3}{\left(\frac{r_i}{r_r}\right)}^{3}H\left(t\right)*H\left(t\right)*H\left(t\right)\mathrm{\&delta;}\left(t-3{\mathrm{\&tau;}}_r\right)+L\end{array}---\left(7\right)$

式中，为直达波信号的复倒谱。信号复倒谱计算结果示意图如图4所示，可见，反射波信号在倒谱域上表现为一系列的脉冲信号，脉冲出现时间即为反射波到达时延。计算时，为了避免DFT带来的相位卷绕，必须对式(5)信号对数频谱的虚部进行相位修正并且去除线性相位分量。修正系数公式为：

φ(0)＝0；

2)去除反射波信号复倒谱。根据测量***参数与声波入射角度计算反射波复倒谱出现的时延，加窗将反射信号复倒谱滤除，得到

3)获得直达波重构信号。最后对其进行逆运算就可以获得直达波的重构信号即：

${\hat{P}}_i\left(t\right)=F^{-1}\&lsqb;e^{fft\left(c_{p_i}\left(t\right)\right)}\&rsqb;---\left(9\right)$

第四步，获取待测样本声反射系数。

综上所述，测量频带内的声反射系数为：

$\tilde{R}=F\&lsqb;P\left(t\right)-{\hat{P}}_i\left(t\right)\&rsqb;/F\&lsqb;{\hat{P}}_i\left(t\right)\&rsqb;---\left(10\right)$

下面通过数值仿真计算对本发明做进一步描述。

仿真说明：待测样本为铝板，板厚0.006m，几何边长1m×1m，水听器到材料表面距离d＝0.1m，声源到样本距离H＝0.5m，测量信号为宽带压缩脉冲信号，信号起始频率为50Hz，带宽为50kHz，采样频率f_s＝1×10⁶Hz，发射信号脉宽0.1ms，信噪比为60dB，水中声速c＝1500m/s，分析声波入射角度θ为0°、30°和60°时声反射系数测量结果。

图5～图8分别给出了上述仿真条件下的直达波信号重构结果和水声材料样本的声反射系数测量结果。数值计算结果表明：(1)本发明利用宽带压缩脉冲信号作为发射信号形式达到了避免样本边缘衍射效应的目的；(2)本发明利用复倒谱算法完成了直达波信号的重构，达到了反射波信号与直达波信号分离的目的，实现了较大角度入射情况下声反射系数模值与相位的自由场宽带测量。(3)该方法操作简便，一次测量即可得到关心频带内的水声材料声反射系数。

Claims (3)

1.一种基于复倒谱的水声材料声反射系数自由场宽带测量方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一：生成宽带压缩脉冲信号作为发射信号；

步骤二：声压水听器接收信号，并对接收信号进行截取，剔除待测水声材料边缘衍射波，获得直达波信号与反射波信号的混合信号P(t)；

步骤三：获得直达波信号的重构信号

步骤四：获得待测水声材料的声反射系数：

$\tilde{R}=F\&lsqb;P\left(t\right)-{\hat{P}}_i\left(t\right)\&rsqb;/F\&lsqb;{\hat{P}}_i\left(t\right)\&rsqb;.$

2.根据权利要求1所述的一种基于复倒谱的水声材料声反射系数自由场宽带测量方法，其特征在于：所述的生成宽带压缩脉冲信号的方法为：

(1)根据声波入射角与测量***参数计算衍射波信号与反射波信号的时延，确定发射信号的脉冲宽度；

(2)根据测量频带与发射信号的脉冲宽度确定线性调频信号：

$u\left(t\right)=A\&CenterDot;rect\left(\frac{t}{\mathrm{\&tau;}}\right)\&CenterDot;e^{j(2{\mathrm{\&pi;f}}_{0}t+\frac{1}{2}{\mathrm{\&mu;t}}^2)}$

其中， $rect\left(\frac{t}{\mathrm{\&tau;}}\right)=\left\{\begin{array}{c}1,\left|t\right|\&le;\frac{\mathrm{\&tau;}}{2}\\ 0,\left|t\right|>\frac{\mathrm{\&tau;}}{2}\end{array}\right.,$ A为幅值，f₀为中心频率，Δf为调制频偏，τ为调频时间；

对线性调频信号进行脉冲压缩处理，得到压缩后的输出信号：

$u_0\left(t\right)=A\&CenterDot;\sqrt{D}\&CenterDot;\frac{sin\left(\mathrm{\&pi;}Bt\right)}{\mathrm{\&pi;}Bt}\&CenterDot;cos\left(2{\mathrm{\&pi;f}}_{0}t\right)$

其中，B为信号频带宽度，D＝Bτ为信号的脉冲压缩比；

(3)对压缩后的线性调频信号进行截断，取出能量集中部分作为发射信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于复倒谱的水声材料声反射系数自由场宽带测量方法，其特征在于：所述的获得直达波信号的重构信号的方法为：

(1)计算直达波信号与反射波信号的混合信号P(t)的复倒谱；

(2)在倒谱域上将反射波信号的能量滤除，获取直达波信号复倒谱

(3)获得直达波信号的重构信号

${\hat{P}}_i\left(t\right)=F^{-1}\&lsqb;e^{fft\left(c_{pi}\left(t\right)\right)}\&rsqb;.$