CN114630260B - 一种半空间均匀流中声场重建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半空间均匀流中声场重建方法，包括如下四个步骤：1、将半空间均匀流中声场重建问题转换为自由空间均匀流中多源声场重建问题；2、在实际声源和镜像声源处分别布置等效源，使用若干等效源来等效实际声源和镜像声源；在实际声源近场选定全息测量面；3、构建均匀流中多声源辐射声场数学模型；根据全息面声压计算出包含对流效应的所有等效源源强；4、提取出对应于实际声源的等效源源强，并确定重建面位置，利用提取出的等效源和自由空间均匀流中NAH进行声场重建。本发明既能够去除半空间反射声的影响，又能够充分考虑因媒质流动而产生的流动效应，实现半空间均匀流中声源的识别和声场的精确重建。
Description
技术领域
本发明属于噪声源识别方法领域，具体涉及一种半空间均匀流中声场的重建方法。
背景技术
为了解决处于运动媒质中声场的重建和声源识别问题，例如针对声学风洞中的试验件、风机和风力发电机等情形，近年来发展出了流动媒质中近场声全息(Nearfieldacoustic holography,NAH)。同时，流动媒质中NAH还适用于移动声源的识别及其声场重建，例如行驶的汽车和高铁等交通工具，此时只需要将声压测量阵列固定于声源上保持同步运动即可。因此，流动媒质中NAH是一种应用前景较为广阔的技术方法。然而，目前已开发的流动媒质中NAH均假设在没有反射面的自由空间。
但实际问题中存在很多半空间情形，例如汽车和高铁等声源都会受到地面反射的影响，半消声室里的声学风洞试验也会受到地面反射的影响，此时如果使用现有的流动媒质中NAH进行声场重建将会出现较大的误差。
实际上，在静态媒质中也存在半空间问题，且开发出了静态媒质中半空间NAH，用以解决地面反射等问题，但该技术由于没有考虑流动效应，不能适用于流动媒质中声源或移动声源的识别及其声场重建。同时，现有的静态媒质中半空间NAH方法概念上较为复杂，例如等效源的配置方案较繁琐或需要知道反射面的声阻抗信息等。
因此，现有的技术方案存在以下不足或缺陷：(1)流动媒质中NAH限制于自由空间，不能适用于半空间声场重建和声源识别；(2)静态媒质中半空间NAH没有考虑流动效应，不能适用于流动媒质中声源或移动声源的识别及其声场重建，且实施方案较为复杂。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提出一种半空间均匀流中声场重建方法，使得该方法既能够解决半空间反射问题，又能够适用于媒质流动或声源移动的情形，且具有方案实施、操作简单的特点。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种半空间均匀流中声场重建方法，包括如下步骤：
步骤1)：对半空间均匀流中声场重建问题进行等效处理：一方面将实际声源关于半空间中反射面对称镜像，将半空间声场重建问题转换为自由空间多源声场重建问题；另一方面，将实际均匀流关于半空间中反射面对称镜像，得到镜像均匀流，将镜像声源转换到与实际声源相同的流场环境；
步骤2)：在实际声源和镜像声源处分别布置等效源，使用若干等效源来等效实际声源和镜像声源；在实际声源近场选定全息测量面；
步骤3)：构建均匀流中多声源辐射声场数学模型；根据全息面声压计算出包含对流效应的所有等效源源强；
步骤4)：提取出对应于实际声源的等效源源强，并确定重建面位置，利用提取出的等效源和自由空间均匀流中NAH进行声场重建，进而得到消除半空间影响且考虑了对流效应的实际声源所产生声场的重建结果。
进一步的，所述的步骤1)包括以下步骤：
步骤1.1)：将潜在的实际声源关于半空间中反射面对称镜像，得到镜像声源及其空间分布信息，将反射声视为镜像声源辐射产生，进而将半空间声场重建问题转换为自由空间多源声场重建问题；
步骤1.2)：考虑到反射声也受到流动效应的影响，将实际均匀流关于半空间中反射面对称镜像，得到镜像均匀流，其流速大小和方向与实际均匀流相同，进而将反射声受到流动媒质的影响视为镜像声源受到流动媒质的影响。
进一步的，所述的步骤2)包括以下步骤：
步骤2.1)：根据等效源法的基本思想，即任意形状声源所辐射的声场可以由一系列具有不同源强的等效源所辐射声场的叠加来近似，在实际声源和镜像声源处分别布置等效源，使用若干等效源来等效实际声源和镜像声源，等效源布置方案按照常规的基于等效源法的NAH来进行；
步骤2.2)：在实际声源近场选定全息测量面，对全息面进行等距网格划分，并确保全息面网格点数大于或等于实际声源和镜像声源对应等效源的数量之和，以保证等效源源强解的唯一性；
进一步的，所述的步骤3)包括以下步骤：
步骤3.1)：构建均匀流中多声源辐射声场的数学模型，获得全息声压与流动媒质中等效源源强的关系，具体过程如下：
建立笛卡尔直角坐标系，假设半空间中反射面位于x-o-y平面，媒质沿着平行于反射面的正x方向流动，流动速度以马赫数M表示，则半空间均匀流中全息面上任一网格点r＝(x，y，z)处声压可视为对应于实际声源和镜像声源的等效源在自由空间均匀流中辐射声压的叠加，其表达式为：
式中，q(rl)表示实际声源的第l个等效源源强，qm(rj)为镜像声源的第j个等效源源强。L是对应于实际声源的等效源数量，J是对应于镜像声源的等效源数量，推荐取L＝J；g(r，rl)为实际声源的第l个等效源到场点r处的自由空间对流传递函数，其表达式为：
其中，i是虚数单位，ρ为空气密度，c为声速，k为波数；
gm(r，rj)为镜像声源的第j个等效源到场点r处的自由空间对流传递函数，其表达式与g(r，rl)的表达式相似，只需要将公式(2)、(3)和(4)中下标“l”替换为下标“m”即可。
由于全息面等距划分为多个网格点作为声压采样点，则全息面声压根据(1)式写成矩阵形式为：
式中G和Gm分别为由自由空间对流传递函数g(r，rl)和gm(r，rj)构成的声压传递矩阵，P为全息面上包含对流效应的声压向量，Q和Qm分别为由源强q(rl)和qm(rj)组成的向量，上标“T”表示矩阵转置；公式(5)即为均匀流中多声源辐射声场的数学模型，由于声压传递矩阵中考虑了对流效应，因此可以精确地描述流动媒质中声场的传递关系；
步骤3.2)：根据全息面声压计算出包含对流效应的所有等效源源强，具体过程如下：
根据公式(5)可得包含所有等效源源强的向量：
式中上标“+”表示矩阵的广义逆运算。由于逆矩阵通常具有病态性质，且全息声压数据不可避免地包含噪声，因此在计算等效源源强时需要采用正则化处理，来抑制求解过程中噪声放大的问题，这里采用Tikhonov正则化方法，则(6)式为：
式中，上标“H”表示矩阵的共轭转置，E为单位矩阵，λ为正则化参数，可由广义交叉验证(Generalized Cross Validation,GCV)方法进行自动选择；
进一步的，所述的步骤4)包括以下步骤：
步骤4.1)：提取出对应于实际声源的等效源源强：由公式(7)已计算出包含所有等效源源强的向量同时根据公式(5)可知，该向量由对应于实际声源的源强向量Q和对应于镜像声源的源强向量Qm组成，因此可以从/>中提取出源强向量Q；
步骤4.2)：在获得对应于实际声源的源强向量Q后，利用该部分等效源和自由空间均匀流中NAH进行声场重建，选定重建面的位置，对重建面进行等距网格划分，网格点数可根据需要来确定，重建面上任一网格点处声压的计算表达式为：
式中为实际声源的第l个等效源到重建点/>处的自由空间对流传递函数，其表达式为：
其中，
由于重建面上划分为多个网格点作为重建点，则重建面上所有重建点声压根据(8)式写成矩阵形式为：
Ps＝GsQ (12)
式中Ps为重建面上包含对流效应的声压向量，Gs是由自由空间对流传递函数构成的声压传递矩阵；由公式(12)可以看出，重建面声压取决于对应于实际声源的等效源源强向量Q，而与对应于镜像声源的等效源无关，因此重建面声压不包含反射声，实际声源产生的声场得到精确重建，进而可以根据重建面声压实现对实际声源的识别。
与现有技术相比，本发明的一种半空间均匀流中声场重建方法既能够去除半空间反射声的影响，又能够充分考虑因媒质流动而产生的流动效应，能够实现半空间均匀流中声源的识别和声场的精确重建。该方法概念简单，等效源配置方案可按照常规等效源法进行；同时，不需要半空间反射面的声阻抗信息，因此适用于具有任意声学特性边界的半空间声场重建。本发明的成果可以应用于诸如声学风洞试验或风力发电设备等处于流动媒质中的声源识别及其声场重建，也可以应用于诸如汽车或高铁等交通工具的声源识别及其声场重建，进而为这类产品的减振降噪和低噪声设计提供重要的依据和指导。特别地，若在上述步骤中令媒质流动速度为M＝0，则本发明还可以应用于静态媒质半空间中声源识别及其声场重建。
附图说明
图1为本发明实施例的半空间均匀流中声场重建几何示意图。
图2为本发明实施例1在流速为0.3马赫时重建面上声压重建的结果：(a)理论声压；(b)本方法重建声压；(c)自由空间流动媒质中NAH重建声压；(d)静态媒质中半空间NAH重建声压。
图3为本发明实施例2在流速为0.5马赫时，重建声压与理论声压的比较：(a)理论声压；(b)本方法重建声压；(c)自由空间流动媒质中NAH重建声压；(d)静态媒质中半空间NAH重建声压。
图4为本发明实施例3在流速为0马赫时，重建声压与理论声压的比较：(a)理论声压；(b)本方法重建声压；(c)自由空间流动媒质中NAH重建声压；(d)静态媒质中半空间NAH重建声压。
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。
一种半空间均匀流中声场重建方法，其几何示意图如图1所示，包括如下步骤：
步骤1)：对半空间均匀流中声场重建问题进行等效处理：一方面将实际声源关于半空间中反射面对称镜像，得到镜像声源空间分布，将反射声视为由镜像声源所产生，进而将半空间声场重建问题转换为自由空间多源声场重建问题；另一方面，将实际均匀流关于半空间中反射面对称镜像，得到镜像均匀流，其流速大小和方向与实际均匀流相同，进而将反射声受到流动媒质的影响视为镜像声源受到流动媒质的影响；具体步骤为：
步骤1.1)：将实际声源关于半空间中反射面对称镜像，得到镜像声源及其空间分布信息，将反射声视为镜像声源辐射产生，进而将半空间声场重建问题转换为自由空间多源声场重建问题；
步骤1.2)：考虑到反射声也受到流动效应的影响，将实际均匀流关于半空间中反射面对称镜像，得到镜像均匀流，其流速大小和方向与实际均匀流相同，进而将反射声受到流动媒质的影响视为镜像声源受到流动媒质的影响。
步骤2)：在实际声源和镜像声源处分别布置等效源，使用若干等效源来等效实际声源和镜像声源；在实际声源近场选定全息测量面，对全息面进行等距网格划分，并确保全息面网格点数大于或等于实际声源和镜像声源对应等效源的数量之和，用以保证等效源源强解的唯一性；具体步骤为：
步骤2.1)：根据等效源法的基本思想，即任意形状声源所辐射的声场可以由一系列具有不同源强的等效源所辐射声场的叠加来近似，在实际声源和镜像声源处分别布置等效源，例如使用源强为Q＝[q1，q2，…，ql，…，qL]的等效源来等效实际声源，使用源强为Qm＝[q1，q2，…，qj，…，qJ]的等效源来等效镜像声源，等效源布置方案按照常规的基于等效源法的NAH来进行，等效源面可根据声源面的形状来确定，可以是封闭的或非封闭的，例如当声源面为平面时，等效源面可以是平面形状；
步骤2.2)：在实际声源近场选定全息测量面，对全息面进行等距网格划分，并确保全息面网格点数大于或等于实际声源和镜像声源对应等效源的数量之和，以保证等效源源强解的唯一性；
步骤3)：构建均匀流中多声源辐射声场数学模型；根据全息面声压计算出包含对流效应的所有等效源源强；具体步骤为：
步骤3.1)：构建均匀流中多声源辐射声场的数学模型，获得全息声压与流动媒质中等效源源强的关系，其矩阵形式的表达式为
式中G和Gm分别为由自由空间对流传递函数g(r，rl)和gm(r，rj)构成的声压传递矩阵，P为全息面上包含对流效应的声压向量，上标“T”表示矩阵转置；g(r，rl)为实际声源的第l个等效源到场点r处的自由空间对流传递函数，其表达式为：
其中，i是虚数单位，ρ为空气密度，c为声速，k为波数；
gm(r，rj)为镜像声源的第j个等效源到场点r处的自由空间对流传递函数，其表达式与g(r，rl)的表达式相似，只需要将公式(2)、(3)和(4)中下标“l”替换为下标“m”即可。
步骤3.2)：根据全息面声压计算出包含对流效应的所有等效源源强；在求解过程中，为了抑制测量噪声放大的问题，采用Tikhonov正则化方法后的源强解为
式中，上标“H”表示矩阵的共轭转置，上标“+”表示矩阵的广义逆运算，E为单位矩阵，λ为正则化参数，可由广义交叉验证(Generalized Cross Validation,GCV)方法进行自动选择。
步骤4)：提取出对应于实际声源的等效源源强，并确定重建面位置，利用提取出的等效源和自由空间均匀流中NAH进行声场重建，进而得到消除半空间影响且考虑了对流效应的实际声源所产生声场的重建结果；具体步骤为：
步骤4.1)：提取出对应于实际声源的等效源源强：由公式(7)已计算出包含所有等效源源强的向量同时根据公式(5)可知，该向量由对应于实际声源的源强向量Q和对应于镜像声源的源强向量Qm组成，因此可以从/>中提取出源强向量Q；
步骤4.2)：在获得对应于实际声源的源强向量Q后，利用该部分等效源和自由空间均匀流中NAH进行声场重建。选定重建面的位置，对重建面进行等距网格划分，网格点数可根据需要来确定。重建面声压计算表达的矩阵形式为：
Ps＝GsQ (12)
式中Ps为重建面上包含对流效应的声压向量，Gs是由自由空间对流传递函数构成的声压传递矩阵。/>为实际声源的第l个等效源到重建点/>处的自由空间对流传递函数，其表达式为：
其中，
所得的结果Ps即为不包含反射声影响且考虑了流动效应的重建声压。本发明方法由于不需要半空间反射面声阻抗信息，因此可以适用于具有任意声学特性边界的半空间声场重建。考虑到反射面为刚性面时声场存在解析解，便于方法验证，以下实施例以刚性面进行说明，并通过实施例1至实施例3进行仿真验证，做更进一步的说明。
实施例1
以均匀流中两个单极子组成的复合声源为例，声源频率为2000Hz，半空间边界面是位于z＝0处的刚性面，流速设定为0.3马赫，与高铁的巡航速度相接近。
步骤1.1)：将实际声源关于半空间中反射面对称镜像，得到镜像声源及其空间分布信息，将反射声视为镜像声源辐射产生，进而将半空间声场重建问题转换为自由空间多源声场重建问题；
步骤1.2)：考虑到反射声也受到流动效应的影响，将实际均匀流关于半空间中反射面对称镜像，得到镜像均匀流，其流速方向与实际均匀流相同，流速大小也为0.3马赫，进而将反射声受到流动媒质的影响视为镜像声源受到流动媒质的影响。
步骤2.1)：在实际声源和镜像声源处分别布置等效源，使用源强为Q＝[q1，q2，…，ql，…，qL]的等效源来等效实际声源，使用源强为Qm＝[q1，q2，…，qj，…，qJ]的等效源来等效镜像声源，等效源布置方案按照常规的基于等效源法的NAH来进行：本实施例中声源面为平面，等效源面也布置为平面形状，这里取L＝J＝144，即对应于实际声源和镜像声源的等效源分别布置在12×12的网格点上，等效源源面距离声源面为0.05m；
步骤2.2)：在实际声源近场选定全息测量面y＝0.1m，对全息面在x和z方向上进行等距离散，间隔取为0.05m，形成24×12个网格点,全息面网格点数等于实际声源和镜像声源对应等效源的数量之和，可以保证等效源源强解的唯一性；
步骤3.1)：构建均匀流中多声源辐射声场的数学模型，获得全息声压与流动媒质中等效源源强的关系，其矩阵形式的表达式为：
式中G和Gm分别为由自由空间对流传递函数g(r，rl)和gm(r，rl)构成的声压传递矩阵，维数均为144×144；P为全息面上包含对流效应的声压向量，维数为144×1；上标“T”表示矩阵转置；g(r，rl)为实际声源的第l个等效源到场点r处的自由空间对流传递函数，其表达式为：
其中，
gm(r，rj)为镜像声源的第j个等效源到场点r处的自由空间对流传递函数，其表达式与g(r，rl)的表达式相似，只需要将公式(2)、(3)和(4)中下标“l”替换为下标“m”即可。
步骤3.2)：根据全息面声压计算出包含对流效应的所有等效源源强；本实施例中，为模拟实际测量环境，在全息声压数据中添加信噪比为30dB的高斯白噪声；在求解过程中，为了抑制测量噪声放大的问题，采用Tikhonov正则化方法后的源强解为：
式中，上标“H”表示矩阵的共轭转置，上标“+”表示矩阵的广义逆运算，E为单位矩阵，λ为正则化参数，可由广义交叉验证(Generalized Cross Validation,GCV)方法进行自动选择。这里，得到的的维数为288×1；
步骤4.1)：提取出对应于实际声源的等效源源强：由公式(7)已计算出包含所有等效源源强的向量同时根据公式(5)可知，该向量由对应于实际声源的源强向量Q和对应于镜像声源的源强向量Qm组成，因此可以从/>中提取出源强向量Q，该向量的维数为144×1；
步骤4.2)：在获得对应于实际声源的源强向量Q后，利用该部分等效源和自由空间均匀流中NAH进行声场重建。选定重建面的位置为y＝0.03m，对重建面进行等距网格划分，网格点数为12×12。重建面声压计算表达的矩阵形式为：
Ps＝GsQ (12)
式中Ps为重建面上包含对流效应的声压向量，Gs是由自由空间对流传递函数构成的声压传递矩阵。/>为实际声源的第l个等效源到重建点/>处的自由空间对流传递函数，其表达式为：
其中，
所得的维数为144×1的向量Ps即为不包含反射声影响且考虑了流动效应的重建声压。此声压向量还可进一步重新排列为维数为12×12的矩阵形式，从而与重建点在空间顺序上对应。
根据重建面上的理论声压矩阵和利用本方法重建的声压矩阵，可以绘制出对应的声压分布图，对比如图2所示，为更好地说明本方法的有效性，将使用现有的自由空间流动媒质中NAH和静态媒质中半空间NAH重建的声压分布也给出进行比较。可以看出，本方法重建声压(如图2(b))与理论声压分布(图2(a))吻合地较好，而现有的自由空间流动媒质中NAH重建声压(如图2(c))与理论声压分布差异较大，在图的底部也就是靠近反射面的位置出现了明显的反射声。使用静态媒质中半空间NAH重建的声压分布(如图2(d))与理论声压分布完全不同，这是因为没有考虑流动效应。此外，使用本方法的重建结果可以分辨出两个单极子声源，而使用另外两种技术方法的重建结果都不能分辨出。为了进行定量的比较分析，定义了重建误差，计算表达式为：
式中，N表示重建面上点的数目，pri表示场点理论声压值，psi表示场点重建声压值。经计算，本方法重建误差为9.87％。现有的自由空间流动媒质中NAH重建误差为36.03％。静态媒质中半空间NAH重建误差超过100％。因此，使用本方法重建误差较小，能够实现较为精确的半空间均匀流中声场重建。
实施例2
本实施例考察其它流速下本方法的有效性，设置流速为0.5马赫，其它参数与实施例1参数设置相同，实施步骤与实施例1相同且使用的计算表达式相同。重建面上理论声压和使用本方法重建声压空间分布对比如图3所示，这里使用现有的自由空间流动媒质中NAH和静态媒质中半空间NAH重建的声压分布也给出进行比较。可以看出，本方法重建声压(如图3(b))与理论声压分布(图3(a))吻合地较好。现有的自由空间流动媒质中NAH重建声压(如图3(c))与理论声压分布差异较大，受到了明显的反射声影响。使用静态媒质中半空间NAH重建的声压分布(如图3(d))与理论声压分布完全不同。此外，使用本方法的重建结果可以分辨出两个单极子声源，而使用另外两种技术方法的重建结果都不能分辨出。利用公式(13)计算误差可得本方法重建误差为9.61％。现有的自由空间流动媒质中NAH重建误差为56.36％。静态媒质中半空间NAH重建误差超过100％。因此，使用本方法重建误差较小，能够实现较为精确的半空间均匀流中声场重建。
实施例3
特别地，本方法在设置流速为0马赫时，还适用于静态媒质中半空间声场重建。在本实施例中，除流速外，其它参数与实施例1参数设置相同，实施步骤与实施例1相同且使用的计算表达式相同。重建面上理论声压和使用本方法重建声压空间分布对比如图4所示，这里使用现有的自由空间流动媒质中NAH和静态媒质中半空间NAH重建的声压分布也给出进行比较。可以看出，本方法重建声压(如图4(b))与理论声压分布(如图4(a))吻合地较好。现有的自由空间流动媒质中NAH重建声压(如图4(c))与理论声压分布差异较大，受到了反射声的干扰。使用静态媒质中半空间NAH重建的声压分布(如图4(d))与理论声压吻合地较好。此外，使用本方法和静态媒质中半空间NAH的重建结果可以分辨出两个单极子声源。而使用其它方法的重建结果对图片底部(即靠近反射面处)单极子不能较好的识别。经定量计算误差，本方法重建误差为7.67％。现有的自由空间流动媒质中NAH重建误差为32.62％。静态媒质中半空间NAH重建误差为7.67％。因此，本方法和静态媒质中半空间NAH均能较精确地重建声场，且重建误差相同，这是因为流速为0马赫时，本方法等价于静态媒质中半空间NAH。
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揭露的技术范围内，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 (2)
1.一种半空间均匀流中声场重建方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1)：对半空间均匀流中声场重建问题进行等效处理：一方面将实际声源关于半空间中反射面对称镜像，将半空间声场重建问题转换为自由空间多源声场重建问题；另一方面，将实际均匀流关于半空间中反射面对称镜像，得到镜像均匀流，将镜像声源转换到与实际声源相同的流场环境；
步骤2)：在实际声源和镜像声源处分别布置等效源，使用若干等效源来等效实际声源和镜像声源；在实际声源近场选定全息测量面；
步骤3)：构建均匀流中多声源辐射声场数学模型；根据全息面声压计算出包含对流效应的所有等效源源强；
步骤4)：提取出对应于实际声源的等效源源强，并确定重建面位置，利用提取出的等效源和自由空间均匀流中NAH进行声场重建，进而得到消除半空间影响且考虑了对流效应的实际声源所产生声场的重建结果；
所述的步骤1)包括以下步骤：
步骤1.1)：将潜在的实际声源关于半空间中反射面对称镜像，得到镜像声源及其空间分布信息，将反射声视为镜像声源辐射产生，进而将半空间声场重建问题转换为自由空间多源声场重建问题；
步骤1.2)：考虑到反射声也受到流动效应的影响，将实际均匀流关于半空间中反射面对称镜像，得到镜像均匀流，其流速大小和方向与实际均匀流相同，进而将反射声受到流动媒质的影响视为镜像声源受到流动媒质的影响；
所述的步骤2)包括以下步骤：
步骤2.1)：根据等效源法的基本思想，即任意形状声源所辐射的声场可以由一系列具有不同源强的等效源所辐射声场的叠加来近似，在实际声源和镜像声源处分别布置等效源，使用若干等效源来等效实际声源和镜像声源，等效源布置方案按照常规的基于等效源法的NAH来进行；
步骤2.2)：在实际声源近场选定全息测量面，对全息面进行等距网格划分，并确保全息面网格点数大于或等于实际声源和镜像声源对应等效源的数量之和，以保证等效源源强解的唯一性。
所述的步骤3)包括以下步骤：
步骤3.1)：构建均匀流中多声源辐射声场的数学模型，获得全息声压与流动媒质中等效源源强的关系，具体过程如下：
建立笛卡尔直角坐标系，假设半空间中反射面位于x-o-y平面，媒质沿着平行于反射面的正x方向流动，流动速度以马赫数M表示，则半空间均匀流中全息面上任一网格点r＝(x，y，z)处声压可视为对应于实际声源和镜像声源的等效源在自由空间均匀流中辐射声压的叠加，其表达式为：
式中，q(rl)表示实际声源的第l个等效源源强，qm(rj)为镜像声源的第j个等效源源强；L是对应于实际声源的等效源数量，J是对应于镜像声源的等效源数量，推荐取L＝J；g(r，rl)为实际声源的第l个等效源到场点r处的自由空间对流传递函数，其表达式为：
其中，i是虚数单位，ρ为空气密度，c为声速，k为波数；
gm(r，rj)为镜像声源的第j个等效源到场点r处的自由空间对流传递函数，其表达式与g(r，rl)的表达式相似，只需要将公式(2)、(3)和(4)中下标“l”替换为下标“m”即可；
由于全息面等距划分为多个网格点作为声压采样点，则全息面声压根据(1)式写成矩阵形式为：
式中G和Gm分别为由自由空间对流传递函数g(r，rl)和gm(r，rj)构成的声压传递矩阵，P为全息面上包含对流效应的声压向量，Q和Qm分别为由源强q(rl)和qm(rj)组成的向量，上标“T”表示矩阵转置；公式(5)即为均匀流中多声源辐射声场的数学模型，由于声压传递矩阵中考虑了对流效应，因此可以精确地描述流动媒质中声场的传递关系；
步骤3.2)：根据全息面声压计算出包含对流效应的所有等效源源强，具体过程如下：
根据公式(5)可得包含所有等效源源强的向量：
式中上标“+”表示矩阵的广义逆运算；由于逆矩阵通常具有病态性质，且全息声压数据不可避免地包含噪声，因此在计算等效源源强时需要采用正则化处理，来抑制求解过程中噪声放大的问题，这里采用Tikhonov正则化方法，则(6)式为：
式中，上标“H”表示矩阵的共轭转置，E为单位矩阵，λ为正则化参数，可由广义交叉验证(Generalized Cross Validation，GCV)方法进行自动选择。
2.根据权利要求1所述的一种半空间均匀流中声场重建方法，其特征在于：所述的步骤4)包括以下步骤：
步骤4.1)：提取出对应于实际声源的等效源源强：由公式(7)已计算出包含所有等效源源强的向量同时根据公式(5)可知，该向量由对应于实际声源的源强向量Q和对应于镜像声源的源强向量Qm组成，因此可以从/>中提取出源强向量Q；
步骤4.2)：在获得对应于实际声源的源强向量Q后，利用该部分等效源和自由空间均匀流中NAH进行声场重建，选定重建面的位置，对重建面进行等距网格划分，网格点数可根据需要来确定，重建面上任一网格点处声压的计算表达式为：
式中为实际声源的第l个等效源到重建点/>处的自由空间对流传递函数，其表达式为：
其中，
由于重建面上划分为多个网格点作为重建点，则重建面上所有重建点声压根据(8)式写成矩阵形式为：
Ps＝GsQ (12)
式中Ps为重建面上包含对流效应的声压向量，Gs是由自由空间对流传递函数构成的声压传递矩阵；由公式(12)可以看出，重建面声压取决于对应于实际声源的等效源源强向量Q，而与对应于镜像声源的等效源无关，因此重建面声压不包含反射声，实际声源产生的声场得到精确重建，进而可以根据重建面声压实现对实际声源的识别。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105323684A (zh) * | 2014-07-30 | 2016-02-10 | 索尼公司 | 声场合成近似方法、单极贡献确定装置及声音渲染*** |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105323684A (zh) * | 2014-07-30 | 2016-02-10 | 索尼公司 | 声场合成近似方法、单极贡献确定装置及声音渲染*** |
| JP2020030376A (ja) * | 2018-08-24 | 2020-02-27 | 本田技研工業株式会社 | 音響シーン再構成装置、音響シーン再構成方法、およびプログラム |
| CN109885945A (zh) * | 2019-02-26 | 2019-06-14 | 哈尔滨工程大学 | 一种半空间环境下的边界元法近场声全息变换方法 |
| CN110763328A (zh) * | 2019-11-18 | 2020-02-07 | 湖北文理学院 | 一种半空间声场重建方法和装置 |
| CN110765673A (zh) * | 2019-12-30 | 2020-02-07 | 上海索辰信息科技有限公司 | 基于等效源法的噪声声场重建方法 |
Non-Patent Citations (2)
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|---|
| 均匀流动媒质中近场声全息技术方法研究;董必春;《中国博士学位论文全文数据库 基础科学辑》(第第01期期);A005-11 正文第3章第3.1节 * |
| 多源相干/不相干声场的分离与重建方法研究;景文倩;《中国博士学位论文全文数据库 基础科学辑》(第第02期期);A005-30，正文第二章第2.1节 * |
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