CN116299147B - 一种基于声学相干技术的一维结构内部声源定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及声学检测领域，特别涉及一种基于声学相干技术的一维结构内部声源定位方法。本发明方法主要包括以下步骤：步骤1)在一维结构一端激励，在另一端布置传感器接收；步骤2)获取构件在所扫查频段内的全长度频响函数；步骤3)以同样的频段的信号激励构件内部声源，接收传感器位置不变；步骤4)获取构件在步骤3)激励下，接收点的频响函数；步骤5)将步骤4)得到的频响函数与步骤2)得到的相除，再将得到的结果进行傅里叶变换，即可得到构件内部声源的位置。本发明给出的定位方法无需进行多点测量，也不需要复杂的设备，操作简单，结果明确，易于在实际检测中推广。
Description
技术领域
本发明涉及声学检测领域，特别涉及一种基于声学相干技术的一维结构内部声源定位方法。
背景技术
对目标或声源进行定位是声学检测中经常要面临的需求，目前的定位方法主要有：采用脉冲波进行激励，根据目标反射回波的时间计算目标位置；对声场进行多点(多探头)进行测量，然后采用阵列信号处理技术对声源进行定位；采用外部装置如激光测振仪、机械扫查***获取位置信息，将其与检测信号融合进行定位。上述方法一般需要复杂的装置或繁琐的测量处理流程。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术需要多点测量，或者需要复杂的仪器和繁琐的信号处理流程等问题。
为达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现。
本发明提出了一种基于声学相干技术的一维结构内部声源定位方法，包括：
在一维结构某一端获取全长度频响函数以及待定位声源到该端的部分长度频响函数；
对部分长度频响函数与全长度频响函数的比值进行波数域的傅里叶变换，获得一维结构内部声源的位置。
作为上述技术方案的改进之一，所述方法具体包括以下步骤：
步骤1)在一维结构的某一端布置接收传感器；
步骤2)在一维结构的另一端激励声信号x(t)，通过接收传感器获得接收信号y(t)，并基于x(t)和y(t)获得全长度频响函数FRF0(ω)；
步骤3)以和步骤2)中相同频段的信号激励一维结构内部声源发射声信号x′(t)，通过接收传感器获得接收信号y′(t)，并基于x′(t)和y′(t)获得部分长度频响函数FRFx(ω)；
步骤4)将FRFx(ω)与FRF0(ω)相除得到频响曲线
步骤5)对F(ω)进行波数域的傅里叶变换，获得一维结构内部声源的位置。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤2)中的x(t)和步骤3)中的x′(t)均为扫频信号或单频信号。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤2)中的x(t)和步骤3)中的x′(t)的频段均不低于一维结构一阶纵向共振频率的两倍。
作为上述技术方案的改进之一，所述一阶纵向共振频率f1的计算式为：
其中，c0为一维结构中纵波声速，L为一维结构长度。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤2)获得的全长度频响函数FRF0(ω)表达式为：
其中，Y(ω)为接收信号y(t)的傅里叶变换，X(ω)为发射信号x(t)的傅里叶变换。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤3)获得的部分长度频响函数FRFx(ω)表达式为：
其中，Y'(ω)为接收信号y′(t)的傅里叶变换，X'(ω)为发射信号x′(t)的傅里叶变换。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤5)具体包括：
步骤5-1)将F(ω)曲线的横坐标用声速c0归一化，即转换到波数域，得到F(k)曲线，其中，变量k＝ω/c0；
步骤5-2)对F(k)进行傅里叶变换得到信号频谱，信号频谱对应的横坐标即为一维结构内部声源的位置。
本发明与现有技术相比优点在于：
1、本发明提出的一种基于声学相干技术的定位方法，无需复杂的设备，单点测量，操作简单；
2、本方法可直接得到目标位置信息，结果明确，易于在实际检测中推广。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为典型一维结构及其内部声源，其中L长度为0.3m；
图3为一维结构全长度频响函数(FRF0(ω)，实线)，以及内部声源位置分别为0.15m(FRFL/2(ω)，虚线)和0.1m(FRFL/3(ω)，点划线)时右端面测量点频响函数；
图4为FRFL/2(ω)和FRFL/3(ω)除以全长度频响函数FRF0(ω)的结果。
图5为图3中得到的曲线进行傅里叶变换的结果，可发现在曲线频谱峰值分别在横坐标0.1m和0.15m处。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
申请人经研究发现，对于长度为L的结构，内部声源距左端面为x，若其发射信号波数为k，对于常见的空气中一维固体结构，由于固气界面两侧声阻抗差异较大，结构内部声波在其左右端面产生全反射，声场稳定后，其右表面处的响应为：
当x＝0，即声源位于左表面时，coskx＝1，也即上式中的1/ksinkL项就是当声源位于工件左表面时，其右表面的响应。此项可通过实验测试得到，利用其对式(4)进行处理，可得到coskx，再对得到的信号进行波数域的傅里叶变换，即可获取到x，也即内部声源位置。
基于上述研究，本发明利用声波相干原理，提出一种结构内部声源定位方法，如图1所示，为本发明方法流程图。所述方法包括以下步骤：
步骤1)在结构一端激励声信号，在另一端布置传感器接收；
步骤2)获取结构在所扫查频段内的全长度频响函数FRF0(ω)；
步骤3)以同样的频段的信号激励结构内部声源，接收传感器位置不变；
步骤4)获取结构在步骤3)激励下，接收点的频响函数FRFx(ω)；
步骤5)将步骤4)得到的频响函数与步骤2)得到的相除，再将得到的结果进行傅里叶变换，即可得到结构内部声源的位置。
作为上述方法的一种改进，所述步骤1)中激励和接收点分别位于一维结构的两端面，所述激励信号为x(t)，接收信号为y(t)。
作为上述方法的一种改进，所述步骤1)和步骤3)的激励信号为扫频信号或单频信号。
作为上述方法的一种改进，所述步骤2)和步骤3)中扫查信号的频段应不低于结构一阶纵向共振频率的两倍。
作为上述方法的一种改进，所述一阶纵向共振频率f1：
其中，c0为结构中纵波声速，L为一维结构长度。
作为上述方法的一种改进，所述步骤2)和步骤4)中频响函数FRF(ω)为：
其中，Y(ω)为接收信号y(t)的傅里叶变换，X(ω)为发射信号x(t)的傅里叶变换。
作为上述方法的一种改进，步骤5)中对两个频响函数相除的结果进行傅里叶变换得到的具体步骤为：
步骤5-1)将步骤4)得到的频响函数除以步骤2)得到的频响函数：
步骤5-2)将步骤5-1)得到的曲线横坐标用声速c0归一化，即转换到波数域，则得到F(k)曲线，其中k＝ω/c0；
步骤5-3)对F(k)进行傅里叶变换，信号频谱对应的横坐标即为内部声源位置。
典型一维结构如图2所示，本实例中，结构长度为0.3m，内部声源距结构左端为x。首先在左端激励扫频信号，扫频范围为1kHz～100kHz，在右端测量得到结构在此频段的响应函数(FRF0(ω)，实线)；将内部声源距左端距离设置为0.15m(L/2)，激励此声源发射信号，在右端面接收，得到1kHz～100kHz内的响应函数(FRFL/2(ω)，虚线)；再将内部声源距左端距离设置为0.1m(L/3)，同样得到1kHz～100kHz内的响应函数(FRFL/3(ω)，点划线)，如图3所示。
FRFL/2(ω)和FRFL/3(ω)除以全长度频响函数FRF0(ω)的结果如图4所示，由于上述步骤中得到的频响函数都是取信号的幅度(绝对值)，因此图4中得到的曲线为全波余弦信号。
图5为图4中信号经过波数域转换后的傅里叶变换结果，考虑全波余弦信号频率为原余弦信号的两倍，波数域转换过程中需要对此进行还原，即k＝ω*2/c0。由图5可知，此方法可以直接得到声源的位置分别为0.15m和0.1m。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种基于声学相干技术的一维结构内部声源定位方法，包括：
在一维结构某一端获取全长度频响函数以及待定位声源到该端的部分长度频响函数；
对部分长度频响函数与全长度频响函数的比值F(ω)曲线进行波数域的傅里叶变换，获得一维结构内部声源的位置，包括：将F(ω)曲线的横坐标用声速c0归一化，即转换到波数域，得到F(k)曲线，其中，变量k＝ω/c0；
对F(k)进行傅里叶变换得到信号频谱，信号频谱对应的横坐标即为一维结构内部声源的位置。
2.根据权利要求1所述的基于声学相干技术的一维结构内部声源定位方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
步骤1)在一维结构的某一端布置接收传感器；
步骤2)在一维结构的另一端激励声信号x(t)，通过接收传感器获得接收信号y(t)，并基于x(t)和y(t)获得全长度频响函数FRF0(ω)；
步骤3)以和步骤2)中相同频段的信号激励一维结构内部声源发射声信号x′(t)，通过接收传感器获得接收信号y′(t)，并基于x′(t)和y′(t)获得部分长度频响函数FRFx(ω)；
步骤4)将FRFx(ω)与FRF0(ω)相除得到频响曲线
步骤5)对F(ω)进行波数域的傅里叶变换，获得一维结构内部声源的位置。
3.根据权利要求2所述的基于声学相干技术的一维结构内部声源定位方法，其特征在于，所述步骤2)中的x(t)和步骤3)中的x′(t)均为扫频信号或单频信号。
4.根据权利要求2所述的基于声学相干技术的一维结构内部声源定位方法，其特征在于，所述步骤2)中的x(t)和步骤3)中的x′(t)的频段均不低于一维结构一阶纵向共振频率的两倍。
5.根据权利要求4所述的基于声学相干技术的一维结构内部声源定位方法，其特征在于，所述一阶纵向共振频率f1的计算式为：
其中，c0为一维结构中纵波声速，L为一维结构长度。
6.根据权利要求2所述的基于声学相干技术的一维结构内部声源定位方法，其特征在于，所述步骤2)获得的全长度频响函数FRF0(ω)表达式为：
其中，Y(ω)为接收信号y(t)的傅里叶变换，X(ω)为发射信号x(t)的傅里叶变换。
7.根据权利要求2所述的基于声学相干技术的一维结构内部声源定位方法，其特征在于，所述步骤3)获得的部分长度频响函数FRFx(ω)表达式为：
其中，Y'(ω)为接收信号y′(t)的傅里叶变换，X'(ω)为发射信号x′(t)的傅里叶变换。
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Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2348320A1 (en) * | 2001-05-18 | 2002-11-18 | Centre De Recherche Industrielle Du Quebec | Modal analysis method and apparatus therefor |
| CN102175299A (zh) * | 2011-01-20 | 2011-09-07 | 奇瑞汽车股份有限公司 | 一种噪声频响函数的测量方法及测量*** |
| CN103969636A (zh) * | 2014-05-14 | 2014-08-06 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 一种利用重构回波进行稀疏时频表示的地雷目标鉴别方法 |
| CN103995252A (zh) * | 2014-05-13 | 2014-08-20 | 南京信息工程大学 | 一种三维空间声源定位方法 |
| CN108200524A (zh) * | 2016-12-08 | 2018-06-22 | 浙江吉利控股集团有限公司 | 一种开口声腔模态频率的测试方法及*** |
| CN108344501A (zh) * | 2018-01-29 | 2018-07-31 | 中国科学院声学研究所 | 一种信号相关性应用中共振辨识和消除方法及装置 |
| CN108802203A (zh) * | 2018-06-20 | 2018-11-13 | 中国科学院声学研究所 | 一种基于多模态技术的杆状构件内部缺陷定位方法 |
| JP2019028048A (ja) * | 2017-07-26 | 2019-02-21 | 正宣 神力 | エコー信号に基づく情報取得装置およびレーダ装置並びにパルス圧縮装置 |
| CN114964673A (zh) * | 2022-04-12 | 2022-08-30 | 大连理工大学 | 一种针对频谱泄漏误差的结构频响函数修正方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9453900B2 (en) * | 2013-03-15 | 2016-09-27 | Lockheed Martin Corporation | Method and apparatus for three dimensional wavenumber-frequency analysis |
-
2023
- 2023-03-13 CN CN202310250110.2A patent/CN116299147B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2348320A1 (en) * | 2001-05-18 | 2002-11-18 | Centre De Recherche Industrielle Du Quebec | Modal analysis method and apparatus therefor |
| CN102175299A (zh) * | 2011-01-20 | 2011-09-07 | 奇瑞汽车股份有限公司 | 一种噪声频响函数的测量方法及测量*** |
| CN103995252A (zh) * | 2014-05-13 | 2014-08-20 | 南京信息工程大学 | 一种三维空间声源定位方法 |
| CN103969636A (zh) * | 2014-05-14 | 2014-08-06 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 一种利用重构回波进行稀疏时频表示的地雷目标鉴别方法 |
| CN108200524A (zh) * | 2016-12-08 | 2018-06-22 | 浙江吉利控股集团有限公司 | 一种开口声腔模态频率的测试方法及*** |
| JP2019028048A (ja) * | 2017-07-26 | 2019-02-21 | 正宣 神力 | エコー信号に基づく情報取得装置およびレーダ装置並びにパルス圧縮装置 |
| CN108344501A (zh) * | 2018-01-29 | 2018-07-31 | 中国科学院声学研究所 | 一种信号相关性应用中共振辨识和消除方法及装置 |
| CN108802203A (zh) * | 2018-06-20 | 2018-11-13 | 中国科学院声学研究所 | 一种基于多模态技术的杆状构件内部缺陷定位方法 |
| CN114964673A (zh) * | 2022-04-12 | 2022-08-30 | 大连理工大学 | 一种针对频谱泄漏误差的结构频响函数修正方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 基于频响函数截断奇异值响应面的有限元模型修正;张勇;侯之超;赵永玲;;振动工程学报(03);全文 * |
| 湍流激励下结构振动特性的半解析半数值算法研究;陈美霞;魏建辉;乔志;李飘;;振动工程学报(06);全文 * |
| 考虑任意阻抗壁面条件管腔结构声场特性分析;邢雪;杜敬涛;赵雨皓;刘志刚;;声学学报(03);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116299147A (zh) | 2023-06-23 |
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