CN110082430B - 一种基于相位的水中声管行波场的建立及自适应控制方法 - Google Patents

一种基于相位的水中声管行波场的建立及自适应控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于相位的水中声管行波场的建立及自适应控制方法，可在水声材料声管中快速并精准的建立行波场，本发明以声管内1号水听器与2号水听器之间的相位差
Figure DDA0002082472080000011
与其满足行波关系时的相位差(‑jkx)做一个差值，作为误差信号调节控制器参数，进而控制次级换能器的输出，次级换能器的输出反过来根据不同的路径影响1号水听器与2号水听器间的相位差，根据
Figure DDA0002082472080000012
的变化再一次调节控制器参数控制次级换能器的输出；以此过程不断循环，直至1号水听器与2号水听器间的相位差满足行波关系时误差信号为0，调节结束；此时次级换能器输出稳定，行波场建立成功，与现有的技术相比，能够同时满足行波场建立的快速和精准两方面的要求。

Description

一种基于相位的水中声管行波场的建立及自适应控制方法
技术领域
本发明涉及声学材料测量技术领域，具体为一种基于相位的水中声管行波场的建立及自适应控制方法。
背景技术
在实验室的环境下测量水声材料的性能参数，主要有两种测量方式，一类是建造一个实验水池模拟海洋环境，另一类是声管。水声材料声管测量方法可分为脉冲法、驻波法、行波法。脉冲法和驻波法一般用于检测水声材料在高频下声学性能，并能够取得很好的效果，对于水声材料在低频下的测量一般采用行波法，但如何在行波管内透射区域实现行波场是行波法急需解决的问题。
朱蓓丽在双水听器驻波管测量方法的基础上在驻波管的末端安装了尖劈吸声末端，以此来保证待测材料后部不存在反射声波，这种被动吸声技术具有很大的局限性，非常依赖于吸声尖劈材料的吸声性能，最重要的是随着测试频率的不断降低，吸声效果逐渐下降，无法成功在材料的后半段建立行波场(噪声与振动控制，朱蓓丽，罗晓辉。驻波管中的隔声量测试方法，噪声与振动控制；1006-1355(2000)06-0041-03)
在原有的驻波声管技术的基础上，又利用最小二乘法逐步逼近计算进行有源吸声处理，建成了国内第一支真正意义上的有源吸声行波声管。逐步逼近法虽然得到了一个精确的行波声场，但是由于采用逐渐逼近，需要大量繁琐的计算，最优解搜索困难，建立时间过长(李水，沈建新等。水声材料低频声性能的行波管测量。声学学报；2007 32(4)；349—355)
芦雪松采用了传递矩阵法进行声管的主动有源吸声控制，其原理是让主发射声源与次级发射声源分别单独工作时，记录水听器组检测到管内的声压与幅值，建立主发射声源和次级发射声源到水听器组的传递矩阵。主发射声源由人为控制，信号已知。根据行波场内水听器检测到的信号，其相位满足行波关系，通过求逆矩阵计算出次级发射声源的幅值与相位，将其加到次级发射声源并构建行波场。尽管传递矩阵法计算方式简单，求解速度快，但是其建立的行波场并不精确，测量中会产生较大的误差。(芦雪松，声管有源吸声控制技术研究。哈尔滨工程大学工学硕士学位论文)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于相位的水中声管行波场的建立及自适应控制方法，可以同时满足建立行波场过程中快速和准确的两方面要求，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于相位的水中声管行波场的建立方法，采用了双前馈的控制结构，根据声管中次级发射换能器同时影响行波区域内两个水听器的特点，利用两个水听器检测到的相位差来控制滤波器的权系数更新，进而控制次级发射换能器的输出；其由水声材料声管内1号水听器和2号水听器间的相位差控制水声材料声管的次级发射换能器的输出，并通过次级换能器的输出根据不同路径反馈到1号水听器和2号水听器使两水听器之间的相位差发生改变，最终使两个水听器之间满足行波关系。
本发明还提供一种技术方案：一种基于相位的水中声管行波场建立的自适应控制方法，包括以下步骤：
S1：通过主发射换能器，发射一定频率、幅值、相位已知的声波，在声管中形成声场；
S2：将两个水听器接受到的信号输送到DSP处理器，数据在DSP中经过自适应处理计算出结果，并将激励信号反馈给次级发射换能器，次级发射换能器发射计算出的在相同频率下一定幅值和相位的声波；
S3：将控制后的声场经由水听器将信号提取并比较水听器之间的相位，判断是否满足行波场的关系式：exp(-jkx),其中k为波数，x为水听器间的距离，若满足，则行波场建立成功；
S4：若不满足，根据误差信号e(n)，控制***自动调节的滤波器的权系数，直至行波场建立成功。
更进一步地，发射结构由两个发射换能器，两个功率放大器，一个信号源构成。
更进一步地，控制***由DSP控制器和相应的数据处理流程构成。
更进一步地，DSP控制器中设计了相应的50％重叠率频域块自适应滤波算法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种基于相位的水中声管行波场的建立及自适应控制方法，在数据处理过程中不需要预先知晓主发射换能器的发射声波，只需要输入行波场内的水听器采集到的信号，简化了控制过程；其次，采用相位双前馈控制方法，这种控制方法可以保证声管内行波建立的准确度，最后控制算法采用了基于相位双前馈下的频域块LMS自适应滤波算法，提高了控制的速度。
附图说明
图1为本发明实施例的行波场建立的控制框图；
图2为本发明实施例的行波场建立的数据接受、处理和发射过程的示意图；
图3为本发明实施例的行波场建立的信号处理流程示意图；
图4为本发明实施例的100Hz下次级发射换能器的输出图；
图5为本发明实施例的100Hz下误差信号的输出图；
图6为本发明实施例的1000Hz下次级发射换能器的输出图；
图7为本发明实施例的1000Hz下误差信号的输出图；
图8为本发明实施例的3000Hz下次级发射换能器的输出图；
图9为本发明实施例的3000Hz下误差信号的输出图。
图中：1、主发射换能器，11、次发射换能器，2、声管外壳，3、3号水听器，31、4号水听器，32、1号水听器，33、2号水听器，4、待测材料，5、信号源，6、功率放大器，61、功率放大器，7、信号采集器，8、DSP控制***。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中：提供一种基于相位的水中声管行波场的建立方法，采用了双前馈的控制结构，根据声管中次级发射换能器同时影响行波区域内两个水听器的特点，利用两个水听器检测到的相位差来控制滤波器的权系数更新，进而控制次级发射换能器的输出；其由水声材料声管内1号水听器和2号水听器间的相位差控制水声材料声管的次级发射换能器的输出，并通过次级换能器的输出根据不同路径反馈到1号水听器和2号水听器使两水听器之间的相位差发生改变，最终使两个水听器之间满足行波关系。
为了进一步更好的解释说明上述实施例，本发明还提供一种技术方案：一种基于相位的水中声管行波场建立的自适应控制方法，包括以下步骤：
第一步：通过主发射换能器，发射一定频率、幅值、相位已知的声波，在声管中形成声场；
第二步：将两个水听器接受到的信号输送到DSP处理器，数据在DSP中经过自适应处理计算出结果，并将激励信号反馈给次级发射换能器，次级发射换能器发射计算出的在相同频率下一定幅值和相位的声波；
第三步：将控制后的声场经由水听器将信号提取并比较水听器之间的相位，判断是否满足行波场的关系式：exp(-jkx),其中k为波数，x为水听器间的距离，若满足，则行波场建立成功；
第四步：若不满足，根据误差信号e(n)，控制***自动调节的滤波器的权系数，直至行波场建立成功。
更为具体地，一种基于相位的水中声管行波场的建立及自适应控制方法，包括相位双前馈控制***框图，数据接受、处理和发射***，信号处理流程；
请参阅图1，给出了相位双前馈的控制***框图，图中当输出y(n)＝0时，1号水听器检测到的信号为x1(n)，2号水听器检测到的信号为x2(n)，此时控制***的输出：
y(n)＝x1(n)*W(z) (1)
y(n)到x1(n)的传递函数为P1(z)，y(n)到x2(n)的传递函数为P2(z)，此时1号水听器检测到的信号为：x1(n)+y(n)*P1(z) (2)
此时2号水听器检测到的信号为：x2(n)+y(n)*P2(n) (3)
将1号水听器检测到的信号整体进行一个相移得到期望信号d(n)，信号改变的相位大小为exp(-jkx)(其中k为波数，x为1号水听器与2号水听器间的距离)，此时期望信号为：d(n)＝[x1(n)+y(n)*P1(z)]*exp(-jkx) (4)
将期望信号d(n)与2号水听器检测到的信号作差值，求出此刻的误差信号e(n)，此时误差信号e(n)为：e(n)＝d(n)-[x2(n)+y(n)*P2(n)] (5)
将误差信号e(n)与x1(n)输入到频域块LMS算法中更新滤波器权系数W(n)，此时权系数更新：W(n+1)＝W(n)-2*μ*e(n)*x1(n) (6)
将更新后的权系数W(n+1)用于求第n+1时刻的输出y(n+1)然后不断重复上一过程直至两个水听器检测到的信号间的相位满足行波关系时更新结束。
请参阅图2，在上述实施例中，数据采集、控制和发射控制***中，1是主发射换能器，11是次级发射换能器，两者都是直径0.2米的圆面活塞换能器，2声管外壳，其材料是0.05米厚度的不锈钢材料，3是待检测材料，3 B&K8103型号的3号水听器，31 B&K8103型号的4号水听器，32 B&K8103型号的1号水听器，33 B&K8103型号的2号水听器，4待检测材料，5是Agilent 33220A型号的信号源，6美国NI公司L6型号的功率放大器，61美国NI公司L6型号的功率放大器，7是B&K3560C信号采集器，8 TMS320C6000系列的DSP控制器：
首先由信号源5发出一定频率、幅值和相位的信号经过功率放大器6输出到主发射换能器1上，主发射换能器1发射的声波在声管内产生声场，外壳2使声管内形成硬边界条件；此时3号水听器3，4号水听器31，1号水听器32，2号水听器33采集声管内4个水听器位置的声音信号并输送到信号采集器7中，信号采集器7把信号进行滤波和放大，同时将处理过的信号输送到DSP控制器8中，DSP控制器8把输入信号按照设定好的算法进行计算并将计算结果经过功率放大器61输入到次级发射换能器11上，次级发射换能器11发射计算出在同一频率下的具有一定幅值、相位的声波，建立行波场，其中3号水听器3和4号水听器4是在驻波区域使用的，在行波区域不需要使用。
请参阅图3，给出了上述实施例中的信号处理过程，该处理过程采用了重叠率为50％的频域块LMS(Frequency-domin Block Least Mean Square，简称FBLMS)自适应滤波算法；在FBLMS自适应滤波算法中需要先将输入信号x1(n)和x2(n)进行分块处理，每块数据包含M个数据，上角标T表示矩阵或矢量的转置，其中x1(k)的含义为将信号x1(n)进行分块后的第k块数据为；
x1(k)＝[x1(kM),x1(kM+1),...x1(kM+M-1)]T (7)
x2(k)的含义为将信号x2(n)进行分块后的第k块数据为；
x2(k)＝[x2(kM),x2(kM+1),...,x2(kM+M-1)]T (8)
由于FBLMS自适应滤波过程是一块一块地进行，所以对每一块的x1(k)信号都有与其相对应的滤波块w(k)，定义第k块滤波器的权系数为：
w(k)＝[wkM,wkM+1,...,wkM+M-1] (9)
由于在FBLMS自适应算法中采用了50％重叠存储法，可以保证循环卷积的速度最快，提高计算速度，因此将滤波器M个权系数用相等数量的零来填补，并采用2M个点FFT来进行计算，其中0M×1是M×1维零向量，因此频域中权向量W(k)是2M×1维向量，表达式如下：
Figure BDA0002082472060000051
下一步将信号x1(n)输入的两个连续数据块第(k-1)块和第k块进行快速傅里叶变换得到2M×2M维的对角阵为：
Figure BDA0002082472060000052
将X1(k)与W(k)进行矩阵运算后的结果进行IFFT变换并将结果的前M个数据废弃掉，得到第k块输出y(k)：
yT(k)＝[y(kM),y(kM+1),...,y(kM+M-1)]＝IFFT[X1(k)W(k)]的后M个元素(12)
接下来计算出第k块的期望信号d(k)，d(k)是x1(k)与经过与传递函数P1的y(k)进行矩阵相加并将相加后的结果进行exp(-jkx)的信号：
d(k)＝[d(kM),d(kM+1),...,d(kM+M+1)]T＝[x1(k)+P1*y(k)]*exp(-jkx) (13)
再算出第k块的误差信号e(k)，e(k)是期望信号d(k)与2号水听器检测到的信号做差值后的信号，其中2号水听器检测到的信号为x2(k)与经过传递函数P2的y(k)进行矩阵相加后的结果：
e(k)＝[e(kM),e(kM+1),...,e(kM+M-1)]＝d(k)-[x2(k)+P2*yT(k)] (14)
将误差信号向量e(k)同过补零后变换到频率域得到E(k)：
Figure BDA0002082472060000061
为了方便表达，下面将梯度表示为Φ(k)，Φ(k)由X1(k)的转置矩阵与误差矩阵E(k)进行矩阵相乘运算后舍弃后M个元素得到，由于(12)式中废弃了前面的M个元素，所以在下式中舍弃了其后M个元素：
Φk＝IFFT[(X1 T(k)E(k)]的前M个元素 (16)
由于(4)式中频域权向量W(k)定义中权向量w(k)后面跟着M个零元素，因此FBLMS滤波器的权系数频域更新表达式如下，其中μ为收敛系数：
Figure BDA0002082472060000062
将更新第k+1块权矢量用于得到第k+1块的输出y(k+1)，不断循环直至其梯度Φ(k)＝0循环结束。
基于上述实施例描述，其基于相位的水中声管行波场建立的自适应控制方法，步骤如下：
第一步，信号源5发射一定的信号，通过功率放大器6施加给主发射换能器1一个激励，主发射换能器1发射一定幅值和相位的声波，一段时间后在管内形成稳定的声场；
第二步，将1号水听器检测32到的信号与2号水听器33检测到的信号通过数据采集器处理后输送到DSP控制器8的算法中，将处理后的信号作为输出信号；
第三步，将输出信号经过功率放大器61后施加到次级换能器2上，次级换能器发射计算后的具有一定幅值和相位的声波，改变声管内的声场。
在上述实施例中，还包括其仿真结果，根据圆柱形管发射辐射声场为非对轴声波导管截止频率计算公式：
Figure BDA0002082472060000063
式(18)中f为截止频率，声管半径a＝0.1m，管内介质为水时声速c＝1500(m/s)，此时管内截止频率f＝4396Hz，仿真频率的选择分别为100Hz、1000Hz、3000Hz；主发射换能器1发射声波的声压幅值为1Pa，相角为0rad：
100Hz下，图4为次级发射换能器11的输出波形，图5为误差信号的输出波形，由图4和图5可以看出在0.7秒后次级换能器2的输出开始稳定，误差信号e(n)＝0，该结果说明0.7秒后1号水听器和2号水听器检测到的信号满足行波关系，行波场建立成功。
1000Hz下，图6为下次级发射换能器11的输出波形，图7为误差信号的输出波形，由图6和图7可以看出在0.01秒后次级换能器2的输出开始稳定，e(n)＝0，该结果说明0.01秒后1号水听器和2号水听器检测到的信号满足行波关系，行波场建立成功。
3000Hz下，图8为下次级发射换能器2的输出波形，图9为误差信号的输出波形，由图8和图9可以看出在0.2秒后次级换能器2的输出开始稳定，误差信号e(n)＝0，该结果说明0.2秒后1号水听器和2号水听器检测到的信号满足行波关系，行波场建立成功。
综上：由以上3个频率下的仿真结果证明了本发明提供的一种基于相位的水中声管行波场的建立及自适应控制方法在声管中可以快速并精确的建立行波场，是完全可行的。
设计原理：本发明提供的一种基于相位的水中声管行波场的建立及自适应控制方法，可在水声材料声管中快速并精准的建立行波场，本发明以声管内1号水听器与2号水听器之间的相位差
Figure BDA0002082472060000071
与其满足行波关系时的相位差(-jkx)做一个差值，作为误差信号调节控制器参数，进而控制次级换能器的输出，次级换能器的输出反过来根据不同的路径影响1号水听器与2号水听器间的相位差，根据
Figure BDA0002082472060000072
的变化再一次调节控制器参数控制次级换能器的输出；以此过程不断循环，直至1号水听器与2号水听器间的相位差满足行波关系时误差信号为0，调节结束；此时次级换能器输出稳定，行波场建立成功，与现有的技术相比，能够同时满足行波场建立的快速和精准两方面的要求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于相位的水中声管行波场建立的自适应控制方法，其特征在于，采用了双前馈的控制结构，根据声管中次级发射换能器同时影响行波区域内两个水听器的特点，利用两个水听器检测到的相位差来控制滤波器的权系数更新，进而控制次级发射换能器的输出；由水声材料声管内1号水听器和2号水听器间的相位差控制水声材料声管的次级发射换能器的输出，并通过次级换能器的输出根据不同路径反馈到1号水听器和2号水听器使两水听器之间的相位差发生改变，最终使两个水听器之间满足行波关系；
其中，相位双前馈控制流程为输出y(n)=0，1号水听器检测到的信号为x 1(n)，2号水听器检测到的信号为x 2(n)，控制***的输出为y(n)= x 1(n)*W(z) （1），
y(n)到x 1(n)的传递函数为P 1(z)，y(n)到x 2(n)的传递函数为P 2(z)，1号水听器检测到的信号为：x 1(n)+ y(n)* P 1(z) （2），2号水听器检测到的信号为：x 2(n)+ y(n)* P 2(z) （3），
将1号水听器检测到的信号整体进行一个相移得到期望信号d(n)，信号改变的相位大小为exp(-jkx)，期望信号为：d(n)=[ x 1(n)+ y(n)* P 1(z)]* exp(-jkx) （4），
将期望信号d(n)与2号水听器检测到的信号作差值，求出此刻的误差信号e(n)，误差信号e(n)为：e(n)= d(n)-[ x 2(n)+ y(n)* P 2(z)] （5），
将误差信号e(n)与x 1(n)输入到频域块LMS算法中更新滤波器权系数W(n)，权系数更新：W(n+1)= W(n)-2*μ*e(n)* x 1(n) （6），
将更新后的权系数W(n+1)用于求第n+1时刻的输出y(n+1)然后不断重复上一过程直至两个水听器检测到的信号间的相位满足行波关系时更新结束；
基于相位的水中声管行波场建立的自适应控制方法包括以下步骤：
S1：通过主发射换能器，发射一定频率、幅值、相位已知的声波，在声管中形成声场；
S2：将两个水听器接受到的信号输送到DSP处理器，数据在DSP中经过自适应处理计算出结果，并将激励信号反馈给次级发射换能器，次级发射换能器发射计算出的在相同频率下一定幅值和相位的声波；
S3：将控制后的声场经由水听器将信号提取并比较水听器之间的相位，判断是否满足行波场的关系式：exp(-jkx)，其中k为波数，x为1号水听器与2号水听器间的距离，若满足，则行波场建立成功；
S4：若不满足，根据误差信号e(n)，控制***自动调节的滤波器的权系数，直至行波场建立成功。
2.如权利要求1所述的一种基于相位的水中声管行波场建立的自适应控制方法，其特征在于，发射结构由两个发射换能器，两个功率放大器，一个信号源构成。
3.如权利要求1所述的一种基于相位的水中声管行波场建立的自适应控制方法，其特征在于，控制***由DSP控制器和相应的数据处理流程构成。
4.如权利要求3所述的一种基于相位的水中声管行波场建立的自适应控制方法，其特征在于，DSP控制器中设计了相应的50%重叠率频域块LMS自适应滤波算法。
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