一种多普勒效应恢复方法

摘要

本发明公开了一种多普勒效应恢复方法，其特征是在空间中分别建立固定坐标系和移动坐标系；在静止声源辐射声场中设置固定坐标系下测量面，利用传声器测量获得接收时刻测量面中各测量点不含多普勒效应的声压信号；根据坐标系之间的运动关系，建立各测量点在两个坐标系下坐标值的相对关系；根据测量声压信号在两个坐标系下相等的先验条件，并结合两个坐标系的相对关系计算出含有多普勒效应的声压信号与不含多普勒效应的声压信号在时域—波数域的相对关系；根据各测量点测得的不含多普勒效应的声压信号，结合数值傅立叶变换运算，获得各测量点含有多普勒效应的声压信号；最终实现多普勒效应的恢复。本发明方法无需预知声源数量与位置，高效准确。

权利要求

1.一种多普勒效应恢复方法，其特征是按如下步骤进行；

步骤1、在空间建立两个坐标系，一个是静止的固定坐标系of(xf,yf,zf)，另一个是以速度v运动的移动坐标系om(xm,ym,zm)；两个坐标系原点在t＝0时刻位于同一位置；在空间中放置一静止声源；在静止声源辐射声场中设置固定坐标系下的测量面，在测量面上等间隔均匀分布N个测量点；N个测量点中第n个测量点在固定坐标系下坐标为 第n个测量点在移动坐标系下坐标为 第n个测量点在两个坐标系下坐标的相对关系为：其中vx表示v在xf轴负方向上的分量，vy表示v在yf轴负方向上的分量；

步骤2、将N个传声器一一对应地放置在所述N个测量点处进行测量，获得声压信号，包括：在接收时刻t，各测量点处在固定坐标系下的声压信号一一对应为：将所有N个测量点处的声压信号Pf表

征为：

在接收时刻t，各测量点处在移动坐标系下的声压信号一一对应为：将所有N个测量点在移动坐标系下声

压信号Pm表征为：

在接收时刻t，当声源以速度v沿与移动坐标系运动相反方向移动时，各测量点处含有多普勒效应的声压信号一一对应为：将所有N个测量点含有多普勒效应的声压信号Pd表征为：步骤3、根据N个测量点在两个坐标系下坐标的相对关系，将N个测量点在移动坐标系下的声压信号Pm表征为：步骤4、根据测量点处声压信号在任一坐标系下不变的先验条件Pm＝Pf，计算获得各测量点不含多普勒效应的声压信号Pf与含有多普勒效应的声压信号Pd在时域—波数域的相对关系表征为：F(Pf)＝exp(jkxvxt)×exp(jkyvyt)×F(Pd)，其中，F表示空间傅立叶变换运算，exp表示指数运算，kx表示在xf方向上的波数划分，ky表示在yf方向上的波数划分，j表示虚数单位；

步骤5、根据各测量点测得的不含多普勒效应的声压信号Pf，结合数值傅立叶变换运算，计算获得各测量点含有多普勒效应的声压信号表征为：Pd＝F-1[exp(-jkxvxt)×exp(-jkyvyt)×F(Pf)]，其中F-1表示空间逆傅立叶变换运算，从而实现多普勒效应的恢复。

2.根据权利要求1所述的多普勒效应恢复方法，其特征是：所述N个测量点是在平面上等间隔均匀分布。

说明书

一种多普勒效应恢复方法

技术领域

[0001] 本发明涉及物理专业中噪声类领域多普勒效应恢复方法，更具体地说是在时域—波数域恢复多普勒效应的一种方法。

背景技术

[0002] 汽车通过噪声的测量与控制是汽车行业的一个热门课题。目前汽车通过噪声的测量已形成一系列标准，主要可分为室外测量方法和室内测量方法。室外测量方法是通过对汽车在实际行驶过程中产生的噪声进行测量，因此能够较准确地获得车辆的通过噪声。但室外测量方法的测量条件严苛，对试验人员(特别是司机)和试验设备要求高，且试验数据的有效率较低，据相关调查仅为30％。室内测量方法是在消声室内测量转毂上的汽车噪声来等效室外测量的通过噪声，其中最直接的算法是时域交叉合成算法。该算法的一个重要步骤是恢复汽车移动状态时的多普勒效应。已有的标准方法是通过对多个传声器测量的时域信号进行截断再组合来恢复汽车移动时的多普勒效应，但该方法首先需要选取参考点对不同测量点的测量信号幅值进行修正，并且存在信号截断处的幅值不连续的问题，使得该方法在实际应用中存在限制。

发明内容

[0003] 本发明为弥补时域交叉合成算法需要选取参考点和信号截断处幅值不连续的不足，提供一种高效、无需参考点的多普勒效应恢复方法。

[0004] 本发明为解决技术问题采用的技术方案是：

[0005] 本发明多普勒效应恢复方法的特点是按如下步骤进行；

[0006] 步骤1、在空间建立两个坐标系，一个是静止的固定坐标系of(xf,yf,zf)，另一个是以速度v运动的移动坐标系om(xm,ym,zm)；两个坐标系原点在t＝0时刻位于同一位置；在空间中放置一静止声源；在静止声源辐射声场中设置固定坐标系下的测量面，在测量面上等间隔均匀分布N个测量点；N个测量点中第n个测量点在固定坐标系下坐标为 第n个测量点在移动坐标系下坐标为 第n个测量点在两个坐标系下坐标的相对关系为：

[0007]

[0008] 其中vx表示v在xf轴负方向上的分量，vy表示v在yf轴负方向上的分量；

[0009] 步骤2、将N个传声器一一对应地放置在所述N个测量点处进行测量，获得声压信号，包括：

[0010] 在接收时刻t，各测量点处在固定坐标系下的声压信号一一对应为：

[0011] 将所有N个测量点处的声压信号Pf表征为：

[0012] 在接收时刻t，各测量点处在移动坐标系下的声压信号一一对应为：

[0013] 将所有N个测量点在移动坐标系下声压信号Pm表征为：

[0014] 在接收时刻t，当声源以速度v沿与移动坐标系运动相反方向移动时，各测量点处含有多普勒效应的声压信号一一对应为：

[0015] 将所有N个测量点含有多普勒效应的声压信号Pd表征为：

[0016] 步骤3、根据N个测量点在两个坐标系下坐标的相对关系，将N个测量点在移动坐标系下的声压信号Pm表征为：

[0017]

[0018] 步骤4、根据测量点处声压信号在任一坐标系下不变的先验条件Pm＝Pf，计算获得各测量点不含多普勒效应的声压信号Pf与含有多普勒效应的声压信号Pd在时域—波数域的相对关系表征为：F(Pf)＝exp(jkxvxt)×exp(jkyvyt)×F(Pd)，其中，F表示空间傅立叶变换运算，exp表示指数运算，kx表示在xf方向上的波数划分，ky表示在yf方向上的波数划分，j表示虚数单位；

[0019] 步骤5、根据各测量点测得的不含多普勒效应的声压信号Pf，结合数值傅立叶变换运算，计算获得各测量点含有多普勒效应的声压信号表征为：

[0020] Pd＝F-1[exp(-jkxvxt)×exp(-jkyvyt)×F(Pf)]，

[0021] 其中F-1表示空间逆傅立叶变换运算，从而实现多普勒效应的恢复。

[0022] 本发明多普勒效应恢复方法的特点也在于：所述N个测量点是在平面上等间隔均匀分布。

[0023] 本发明多普勒效应恢复方法的特点也在于：速度v为固定值或随时间变化。

[0024] 本发明多普勒效应恢复方法的特点也在于：所述声源为一个或多个，声源信号为稳态信号或非稳态信号。

[0025] 本发明多普勒效应恢复方法的特点也在于：所述空间坐标系为三维坐标系或二维坐标系。

[0026] 与已有技术相比，本发明有益效果体现在：本发明方法无需选取参考点，无需对多个传声器的测量信号进行截断组合。

附图说明

[0027] 图1为本发明方法中固定坐标系、移动坐标系、声源S及测量点位置示意图；

[0028] 图2a为测量点A含有多普勒效应信号的理论频谱与利用本发明方法恢复多普勒效应后的信号频谱的对比，图2a中以点表征的曲线为理论频谱，以实线表征的曲线为采用本发明方法恢复多普勒效应后的信号频谱；

[0029] 图2b为测量点B含有多普勒效应信号的理论频谱与利用本发明方法恢复多普勒效应后的信号频谱的对比，图2b中以点表征的曲线为理论频谱，以实线表征的曲线为采用本发明方法恢复多普勒效应后的信号频谱。

具体实施方式

[0030] 本实施例中多普勒效应恢复方法是按如下步骤进行：

[0031] 步骤1、如图1所示，在空间中建立两个坐标系，一个是静止的固定坐标系of(xf,yf,zf)，以f表示固定坐标系，另一个是以速度v运动的移动坐标系om(xm,ym,zm)，以m表示移动坐标系；两个坐标系原点在t＝0时刻位于同一位置；在空间中放置一静止声源；在静止声源辐射声场中设置固定坐标系下的测量面，在测量面上等间隔均匀分布N个测量点；N个测量点中第n个测量点在固定坐标系下坐标为 第n个测量点在移动坐标系下坐标为第n个测量点在两个坐标系下坐标的相对关系为：

[0032]

[0033] 其中vx表示v在xf轴负方向上的分量，vy表示v在yf轴负方向上的分量。

[0034] 步骤2、将N个传声器一一对应地放置在N个测量点处进行测量，获得声压信号，包括：

[0035] 在接收时刻t，各测量点处在固定坐标系下的声压信号一一对应为：

[0036] 将所有N个测量点处的声压信号Pf表征为：

[0037] 在接收时刻t，各测量点处在移动坐标系下的声压信号一一对应为：

[0038] 将所有N个测量点在移动坐标系下声压信号Pm表征为：

[0039] 在接收时刻t，当声源以速度v沿与移动坐标系运动相反方向移动时，各测量点处含有多普勒效应的声压信号一一对应为：

[0040] 将所有N个测量点含有多普勒效应的声压信号Pd表征为：
以d表示含有多普勒效应的信号。

[0041] 步骤3、根据N个测量点在两个坐标系下坐标的相对关系，将N个测量点在移动坐标系下的声压信号Pm表征为：

[0042]

[0043] 步骤4、根据测量点处声压信号在任一坐标系下不变的先验条件Pm＝Pf，计算获得各测量点不含多普勒效应的声压信号Pf与含有多普勒效应的声压信号Pd在时域—波数域的相对关系表征为：F(Pf)＝exp(jkxvxt)×exp(jkyvyt)×F(Pd)，其中，F表示空间傅立叶变换运算，具体实施中：

[0044]exp表示指数运算，kx表示在xf方向上的波数划分，ky表示在yf方向上的波数划分，j表示虚数单位。

[0045] 步骤5、根据各测量点测得的不含多普勒效应的声压信号Pf，结合数值傅立叶变换运算，计算获得各测量点含有多普勒效应的声压信号表征为：

[0046] Pd＝F-1[exp(-jkxvxt)×exp(-jkyvyt)×F(Pf)]，

[0047] 其中F-1表示空间逆傅立叶变换运算，具体实施中：

[0048]π为圆周率，从而实现多普勒效应的恢复。

[0049] 为了进行空间傅立叶变换运算，N个测量点在平面上等间隔均匀分布，速度v为固定值或随时间变化，声源为一个或多个，声源信号为稳态信号或非稳态信号，空间坐标系为三维坐标系或二维坐标系。

[0050] 具体实施中，静止声源S采用一个单极子，在固定坐标系of(xf,yf,zf)中位于(1.5m,1.5m,0m)。移动坐标系移动速度v在xf轴负方向分量为vx＝20m/s，在yf轴负方向分量为vy＝20m/s，相当于恢复多普勒效应后的信号是声源沿移动坐标系运动相反方向以速度v移动时在各测量点产生的信号。测量阵列位于zf＝0.2m的平面上，阵列包含61×61个等间隔均匀分布的测量点，相邻两个测量点之间距离为0.05m。静止声源S辐射三个频率组合的正弦信号，其表达式为：

[0051] s(t)＝sin(2πf1t)+sin(2πf2t)+sin(2πf3t)  (1)

[0052] 在式(1)中，频率f1＝100Hz，f2＝1000Hz，f3＝2000Hz。时域信号采样频率为10.24kHz，采样点数为512。

[0053] 为检验本发明方法恢复多普勒效应的效果，选取了两个测量点，即测量点A和测量点B，其位置分别为A(1.5m,1.5m,0.2m)、B(2m,2m,0.2m)。图2a和图2b分别表示测量点A和测量点B在声源移动时测得的含有多普勒效应信号的理论频谱与利用本发明方法恢复多普勒效应后的信号频谱的对比，图中以点表征的曲线为理论频谱，以实线表征的曲线为采用本发明方法恢复多普勒效应后的信号频谱。比较图中的实线和点线可以看出，采用本发明方法可以很好地恢复声源移动时的多普勒效应。