CN107367325A - 一种自动获取空间坐标位置的声强测试*** - Google Patents

一种自动获取空间坐标位置的声强测试*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自动获取空间坐标位置的声强测试***，属于声学测试领域。本发明在传统声强测试***的基础上增加了三维空间定位单元和卡尔曼滤波器，其中三维空间定位单元主要由陀螺仪和三维低频加速度传感器构成，能够实现在声学测试过程中快速获取测点的空间坐标位置，避免测试前繁琐的测点位置建模工作，提高测试效率。卡尔曼滤波器添加在数据采集单元，可以将声强测试单元获得的声学参数信号和三维空间定位单元获得的测点位置信号同时进行滤波处理，高效、可靠的滤掉干扰信号，提高测试信号的信噪比，从而提高测试***的精度，使本发明可以有效应用于声源的快速识别与精确定位。

Description

一种自动获取空间坐标位置的声强测试***
技术领域
本发明涉及一种自动获取空间坐标位置的声强测试***，属于声学测试领域。
背景技术
在车辆领域，节能与环保是目前关注的主要问题，低噪声作为乘坐舒适性的一部分，已成为评价汽车品质的重要指标。为了实现噪声的有效控制，需要对噪声源进行快速识别和精确定位。随着现代信号处理技术的发展，声强测量法、波束成型以及近场声全息方法得到了快速发展。其中，声强测量法是目前应用较为广泛的一种噪声测量方法，其最大的优点在于环境适应性强，不需要消声室等专业的声学测试环境，可以实现在工作场地进行实时测量。
声强测量技术虽然具有成本相对较低，环境适用性强等优点，但在实际应用中存在操作过程繁琐、空间定位精度较低等问题。应用离散测点法进行声强测试时，需要提前建立声学测量网格，将网格的中心点作为测点进行声强测试。此外，在测试软件中需要提前建立相应的测点位置模型，对于大型的声源设备，往往需要建立几百个测点位置，使得声强测试的前期准备工作十分繁琐。针对声强测试技术，国内外学者已经开展了多年的研究工作，近年来相关的中国专利文件中也包括多件声强测试的专利申请，分别是：专利号ZL200920071356.9，名称为“声场测量仪”；申请号：201510681532.0，名称为“一种声源定位方法及***”；申请号：201510760639.4，名称为“一种声强测量校准装置及方法”；申请号：201610025584.7，名称为“一种发动机进气口噪声声功率测试***及测试方法”。然而，这些专利均未涉及自动获取空间坐标位置的问题，并且均未说明如何对测点进行快速定位以及提高测试精度的方法，未能改善现有声强测量技术操作过程繁琐、空间定位精度较低的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术在测试前需要进行繁琐的测点位置建模工作，提供一种能够自动获取空间坐标位置的声强测试***，在测量过程中可以快速获得测点的空间位置，适用于测量结构的辐射噪声，提高结构表面声强、声功率等参数的测试效率。
本发明的另一目的在于提供一种测量精度更高的声强测试***，在测量过程中可以快速、准确的获得测点的空间位置，并且提高声学参数测试结果的精度，适用于声源的快速识别与精确定位。
为达到上述目的，本发明提供一种自动获取空间坐标位置的声强测试***，该***包括：声强测试单元、三维空间定位单元、数据采集单元以及声强分析单元。声强测试单元包含两个传声器和前置放大器，通过P-P算法获得声学参数；三维空间定位单元包含陀螺仪和三维低频加速度传感器，能够自动获得测点的空间坐标位置；数据采集单元包含卡尔曼(Kalman)滤波器和数据采集仪，通过对声学参数和测点空间位置信息进行滤波处理，提高测试结果的精度；声强分析单元包含声强测试分析软件，能够实现声学参数的进一步分析与后处理。
各单元的连接关系为：声强测试单元的传声器和前置放大器组装在一起，形成声强探头，通过数据线将测试获得的声学参数传输到数据采集单元；三维空间定位单元安装在声强探头的手柄上，并且位于手柄的中间位置，测试获得的测点空间位置信号同样传输到数据采集单元；Kalman滤波器安装在数据采集单元，能够同时对声强参数信号和测点空间位置信号进行滤波处理；此外，增添Kalman滤波功能的数据采集仪通过网线与电脑相连接。
声强测试单元的双传声器探头在安装时需保持距离，该距离决定了声强测试***的频率范围。采用有限差分近似的方法，获得测点的声强参数，信号经过前置放大器传输到数据采集单元。
三维空间定位单元以牛顿力学定律为基础，通过测量测点在惯性参考系的加速度，并对时间进行积分后变换到参考坐标系中，从而获得测点的位置信息。其中陀螺仪的作用是建立一个惯性参考坐标系，使加速度传感器的测量轴稳定在该坐标系中，而三维低频加速度传感器用来测量测点在低速运动过程中的加速度，经过积分获得位移信息，从而获取测点的空间坐标位置。
数据采集单元增添的Kalman滤波器是现代数字滤波器的一种，具有高精度、高可靠性以及便于集成的特点，声强测试单元获得的测量参数信号以及三维空间定位单元获得的测点位置信号，经过数据采集单元的Kalman滤波器，可以有效滤掉干扰信号，提高测试信号的信噪比，获得精度更高的可靠结果。
滤波处理后的信号经过数据采集仪和声强分析***可以获得指定带宽范围内的声强级、声压级和声功率级等声学参数，还可以获得各个测量表面的声强映射云图，从而实现声源的快速识别和精确定位。
一种自动获取空间坐标位置的声强测试***，其测试步骤如下：
步骤一：建立测试表面。依据声源外轮廓大小建立声强测试表面，保证能够包络声源轮廓。此外依据声源频率范围确定测试表面距声源表面的距离以及测点之间的距离。
步骤二：测试声源的声学参数。打开数据采集仪并且启动电脑里的SoundIntensity Testing软件，对传声器灵敏度和声强探头的相位进行标定，测试声强探头的残余声强指数。此外设置各个相关的测试参数，采取离散点测试法对声源进行测量，同时采集声强探头的声学信号和三维空间定位***的测点位置信号。
步骤三：测试结果后处理。通过声强探头采集到的声学信号，以及通过三维空间定位***采集到的测点空间位置信号，经过数据采集单元的滤波，然后传输到电脑里。通过操作Sound Intensity Testing软件，可以快速获得测量表面的声强级、声压级和声功率级等声学参数,以及测点的空间位置信息。此外调整软件操作可以将声源测量表面的声强映射云图进行可视化。
有益效果
1.在声强测试***中引入测点三维空间定位单元，通过陀螺仪和三维低频加速度传感器，实现自动获取声强探头测点的空间位置，避免测试前期在声学软件中进行繁重的声学网格模型的建立工作，能够提高声强测试***的工作效率。
2.在数据采集单元增添Kalman滤波器，可以高效、可靠的滤掉干扰信号，提高测试信号的信噪比，从而提高测试***的精度。同时可以实现在测量过程中快速准确的获得测点的空间位置，适用于声源的快速识别与精确定位。
附图说明
图1为传统声强测试***示意图；
图2为一种自动获取空间坐标位置的声强测试***示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明涉及的一种自动获取空间坐标位置的声强测试***如图2所示，与图1传统声强测试***相比增添了两个主要环节。一个是由陀螺仪和三维低频加速度传感器组成的三维空间定位环节，其中陀螺仪可以建立一个惯性坐标***，而三维低频加速度传感器可以测量获得测点在低速运动过程中的位移信息，从而实现测试过程中自动获取测点的空间坐标位置。另一个是在数据采集环节增添的Kalman滤波器，将声强测试信号和测点位置信号进行高效可靠的数字滤波，滤除干扰信号，提高测试信号的信噪比，因此有效提高了测试***的精度。
参阅附图2的声强测试单元，传声器A和B为基于P-P算法的双传声器探头，两传声器A与B安装得相距一小段距离，设两传声器的声学中心的连线方向为x，当声波沿x方向行进时，所测出的两个声压PA(t)及PB(t)之间存在着梯度。根据声波的运动方程式有：
设两传声器声学中心之间的距离为d，当d远远小于波长λ时，可以近似的改写为这种近似称为有限差分近似，于是上式可写为：
两传声器之间中点的声压可以认为是PA(t)及PB(t)的平均值：
则x方向上的瞬时声强为：
取其时间平均就可以得到x方向的有效声强。
参阅附图2的三维空间定位单元，以陀螺仪和加速度传感器为敏感单元，基于牛顿力学定律，通过测量测点在惯性参考系的加速度，并对时间进行积分后变换到参考坐标系中，从而获得测点的位置信息。该单元根据陀螺的输出建立一个惯性参考坐标系，以加速度传感器的输出解算出测点在惯性坐标系中的空间位置。由于声强探头在测试过程中运动的速度较慢，因此选择三维低频加速度传感器可以获得更好的动态信息，实现在测试过程中自动获取测点的空间坐标位置。
参阅附图2的数据采集单元，可实现声学参数测试信号以及测点空间位置信号的采集、滤波与传输功能。增添的Kalman滤波器是现代数字滤波器的一种，它可以从一组有限的并且包含噪声的物***置观察序列(可能有偏差)预测出物体的位置坐标及速度，从而实现声强测试过程中对测点的快速空间定位。此外，声学参数信号在测试过程中往往夹杂着一些干扰信号，Kalman滤波器利用信号的随机性本质，通过统计特征估计出测试信号本身，一旦信号被估计出，得到的信号本身比原来的信噪比高出许多。具有高精度、高可靠性以及便于集成的Kalman滤波器使声强测试结果具有更高的精度。
参阅附图2的声学分析单元，在电脑中安装Sound Intensity Testing软件。滤波处理后的信号经过声强分析***可以获得指定带宽范围内的声强级、声压级和声功率级等声学参数，还可以根据实际需求获得各个测量表面的声强映射云图，从而实现声源的快速识别和精确定位。
以发动机为测试对象实例，应用本发明一种自动获取空间坐标位置的声强测试***进行声源识别的具体操作步骤如下：
1.建立测试表面
测试表面的面积取决于声源外轮廓的大小，即保证测试表面包络声源轮廓。实际测试中常用铁丝搭建外框架。
测试表面与声源表面的距离依据以下公式进行计算。
采用离散点法测量声强，声学网格的单元尺寸计算方法如下：
其中x为声学网格单元尺寸，z为测试表面距离声源表面的尺寸。
比如声源频率上限在5000Hz，则：
0.01m<x<0.06m
z最大取值为
根据计算，可取值为：x＝0.025m，z＝0.01m。
2.选择定距柱尺寸
依据声源频率范围选择定距柱(Spacer)，相应尺寸对应的频率范围如表1所示。
表1四种定距柱对应工作频率范围
3.组装声强测试***
传声器和前置放大器组装为一体，安装时要轻拿轻放，以免损坏传声器灵敏度。声强探头的传声器A连到数据采集仪的1通道，传声器B连到数据采集仪的2通道。陀螺仪和三维低频加速度传感器组成的三维空间定位***安装在声强探头的移动手柄上，同样需要连接到数据采集仪的输入端。用网线将含有Kalman滤波功能的数据采集仪与电脑相连接。
4.标定与校准
在进行声源的声学参数测试之前，需要对测试***元件进行标定与校准。打开数据采集仪并且启动电脑里的Sound Intensity Testing软件，对传声器灵敏度进行标定，标定以后的灵敏度值会自动更新到声学测试软件中。声强探头的相位标定需要采用专门的标定器，其目的是为了补偿在测量中使用的两个麦克风的误差。此外还需要在声强测试前测试声强探头的残余声强指数，即声强探头测试的频率下限，而声强探头测试的频率上限取决于定距柱的选择。
5.设置测试参数
在声学测试软件中进行测试通道的设置，将声强探头的A与B传声器分别接在数采的1和2通道上，三维空间定位***接到其它输入端。设置灵敏度、量程范围以及采样频率等，采用离散点测量法对测点进行声学测试。测试时传声器A靠近声源表面，并且声强探头垂直声源表面测试。
6.声学参数分析
含有Kalman滤波器的数据采集仪同时将声学参数信号和测点位置信号传输到电脑中，操作声学测试软件，可以直接计算出各个测点以及测量表面的声压、声强、声功率等声学参数。选择分析频率，调整软件参数可以提取声强映射云图，从而实现声源的快速识别与精确定位。

Claims (3)

1.一种自动获取空间坐标位置的声强测试***，其特征在于：包括：声强测试单元、三维空间定位单元、数据采集单元以及声强分析单元；
所述声强测试单元包含两个传声器和前置放大器；所述三维空间定位单元包含陀螺仪和三维低频加速度传感器；所述数据采集单元包含卡尔曼(Kalman)滤波器和数据采集仪；所述声强分析单元包含声强测试分析软件。
声强测试单元的传声器和前置放大器组装在一起，形成声强探头，通过数据线将测试获得的声学参数传输到数据采集单元；三维空间定位单元安装在声强探头的手柄上，并且位于手柄的中间位置，测试获得的测点空间位置信号同样传输到数据采集单元；Kalman滤波器安装在数据采集单元，能够同时对声强参数信号和测点空间位置信号进行滤波处理；此外，增添Kalman滤波功能的数据采集仪通过网线与电脑相连接。
2.如权利要求1所述的一种自动获取空间坐标位置的声强测试***，其特征在于：所述声强测试单元的双传声器探头在安装时需保持距离。
3.如权利要求1所述的一种自动获取空间坐标位置的声强测试***，其特征在于：测试步骤如下：
步骤一：建立测试表面；依据声源外轮廓大小建立声强测试表面，保证能够包络声源轮廓；此外依据声源频率范围确定测试表面距声源表面的距离以及测点之间的距离；
步骤二：测试声源的声学参数；打开数据采集仪并且启动电脑里的Sound IntensityTesting软件，对传声器灵敏度和声强探头的相位进行标定，测试声强探头的残余声强指数；此外设置各个相关的测试参数，采取离散点测试法对声源进行测量，同时采集声强探头的声学信号和三维空间定位***的测点位置信号；
步骤三：测试结果后处理；通过声强探头采集到的声学信号，以及通过三维空间定位***采集到的测点空间位置信号，经过数据采集单元的滤波，然后传输到电脑里；通过操作Sound Intensity Testing软件，可以快速获得测量表面的声强级、声压级和声功率级等声学参数,以及测点的空间位置信息；此外调整软件操作可以将声源测量表面的声强映射云图进行可视化。
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