管道內(nèi)聲源定位系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種信號(hào)處理系統(tǒng)和方法，并采用了聲學(xué)麥克風(fēng)陣列和信號(hào)同步采集 儀的管道內(nèi)聲源定位系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 燃?xì)廨啓C(jī)作為一種高效清潔的動(dòng)力產(chǎn)生裝置，在電力、石油、化工以及飛機(jī)、船艦 等交通運(yùn)輸領(lǐng)域中的動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)中扮演著越來(lái)越重要的角色。發(fā)展先進(jìn)的燃燒技術(shù)一直 是發(fā)展燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分，而燃燒不穩(wěn)定則是發(fā)展先進(jìn)燃燒技術(shù)過(guò)程中 需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題，其中一個(gè)比較關(guān)鍵的問(wèn)題是燃燒振蕩現(xiàn)象。當(dāng)燃燒室內(nèi)的放熱 率脈動(dòng)和某一個(gè)或多個(gè)模態(tài)的壓力脈動(dòng)耦合并滿足瑞利準(zhǔn)則時(shí)即會(huì)發(fā)生燃燒振蕩現(xiàn)象。振 蕩燃燒會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)度的壓力脈動(dòng)，影響燃機(jī)控制系統(tǒng)的正常工作，產(chǎn)生高強(qiáng)度噪聲甚至造 成燃機(jī)部件的損壞。常用的燃燒振蕩的控制措施分為主動(dòng)控制和被動(dòng)控制。其中，主動(dòng)控制 基于一定控制模型，借助測(cè)量裝置、計(jì)算控制元件及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃 燒室內(nèi)燃燒狀態(tài)，采取相應(yīng)的控制措施，改變?nèi)紵抑袎毫γ}動(dòng)和放熱率脈動(dòng)的耦合關(guān)系， 從而抑制振蕩燃燒的發(fā)生。燃燒室內(nèi)的聲源定位技術(shù)可確定聲源（火焰）的位置，為主動(dòng) 控制提供重要信息。此處，將燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室模化為管道，管道內(nèi)聲源定位技術(shù)的發(fā)展對(duì)于 抑制燃燒振蕩具有重要的意義。
[0003] 目前管道內(nèi)的聲源定位方法主要有等效源法和波束形成法。等效源法的基本原理 是假定聲源可能存在的幾個(gè)位置（將聲源當(dāng)成一系列點(diǎn)聲源的組合），然后建立這幾個(gè)點(diǎn) 聲源與聲壓測(cè)量點(diǎn)間的關(guān)系并寫成傳遞矩陣的形式，通過(guò)聲壓的測(cè)量以及對(duì)傳遞矩陣的轉(zhuǎn) 逆過(guò)程，即可得到假定位置處的聲源強(qiáng)度信息。然而，它需要事先假定聲源分布的位置，如 果假定的聲源位置和真實(shí)的聲源位置有偏差，會(huì)造成聲源定位結(jié)果的錯(cuò)誤，同時(shí)假定的聲 源位置數(shù)目必須小于測(cè)量壓力的麥克風(fēng)的數(shù)目。而采用波束形成法則可避免等效源法中出 現(xiàn)的問(wèn)題。波束形成法是一種基于陣列信號(hào)處理的聲源定位技術(shù)，其基本原理是在空間特 定位置布置麥克風(fēng)陣列，對(duì)采集到的聲壓信號(hào)進(jìn)行相位的延遲相加平均，通過(guò)對(duì)特定方向 入射的平面波（球面波）進(jìn)行相位的延遲相加平均來(lái)求取聲源的等效分布。
[0004] 在管道內(nèi)采用波束形成法進(jìn)行聲源定位時(shí)，定位結(jié)果與管道內(nèi)傳播的聲波頻率有 很大的關(guān)系，研究表明，當(dāng)管道內(nèi)的頻率接近于管道本身的截止頻率時(shí)，采用波束形成法進(jìn) 行聲源定位會(huì)有很大的誤差。因此，對(duì)基本的波束形成法進(jìn)行改進(jìn)，使之適用于所有的頻率 段，對(duì)于管道內(nèi)的聲源定位具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，確有必要提供一種在管道截止頻率附近時(shí)能實(shí)現(xiàn)聲源準(zhǔn)確定位的管道 內(nèi)聲源定位系統(tǒng)和方法。
[0006] -種管道內(nèi)聲源定位系統(tǒng)，其包括：聲源單元、麥克風(fēng)陣列、信號(hào)采集單元以及顯 示器。所述麥克風(fēng)陣列安裝在管道壁面，用于接收管道內(nèi)的聲壓信號(hào)；所述信號(hào)采集單元用 于完成麥克風(fēng)信號(hào)的多路同步采集模擬輸入；所述顯示器連接于所述信號(hào)采集單元。
[0007] -種管道內(nèi)聲源定位方法，包括以下步驟：提供一如前所述的管道內(nèi)聲源定位系 統(tǒng)；對(duì)管道內(nèi)聲源到聲場(chǎng)的格林函數(shù)和采集到的壓力信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，消除最大模態(tài) 的影響。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明所提供的管道內(nèi)聲源定位系統(tǒng)和方法，其一采用改進(jìn) 后的波束形成法使得在所有頻率范圍內(nèi)都可以實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)聲源的定位。由于波束形成法自 身的缺陷，使其在管道截止頻率附近時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)聲源的定位，通過(guò)對(duì)截止頻率附近 時(shí)管道格林函數(shù)和聲壓信號(hào)的處理，消除其中最大聲學(xué)模態(tài)的影響，從而提高波束形成法 的適用范圍。其二構(gòu)建的聲學(xué)模型考慮了管道兩端邊界反射的影響，可以應(yīng)用于實(shí)際中有 限長(zhǎng)度管道內(nèi)的聲源定位。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的管道內(nèi)聲源定位系統(tǒng)的數(shù)值模擬示意圖。
[0010] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的管道內(nèi)聲源定位系統(tǒng)橫截面的數(shù)值模擬示意圖。
[0011] 圖3A和圖3B是應(yīng)用改進(jìn)算法前后的周向聲源定位效果的對(duì)比圖。
[0012] 圖4A和圖4B是聲源位于定位平面的z= 0. 3m，r= -0. 04m處，選取截止頻率f =7800Hz(接近模態(tài)（7, 1)的截止頻率7736Hz)時(shí)，聲源定位結(jié)果處理前后的對(duì)比圖。
[0013] 圖5A和圖5B是聲源位于定位平面的z= 0. 3m，r= -0. 04m處，選取截止頻率f =8700Hz(模態(tài)（8, 1)的截止頻率）時(shí)，聲源定位結(jié)果處理前后的對(duì)比圖。
[0014] 主要元件符號(hào)說(shuō)明
[0015] 管道內(nèi)聲源定位系統(tǒng)10
[0016] 聲源單元 11
[0017] 麥克風(fēng)陣列 12
[0018] 信號(hào)采集單元 13
[0019] 顯示器 14
[0020] 信號(hào)發(fā)生器 110
[0021] 功率放大器 111
[0022] 揚(yáng)聲器 112
[0023] 如下【具體實(shí)施方式】將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明提供的管道內(nèi)聲源定位系統(tǒng)和方法作進(jìn) 一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0025] 請(qǐng)參閱圖1和圖2,本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于波束形成法的管道內(nèi)聲源定位系 統(tǒng)10,包括聲源單元11、麥克風(fēng)陣列12、信號(hào)采集單元13和顯示器14。聲源單元11由信 號(hào)發(fā)生器110,功率放大器111和揚(yáng)聲器112組成，該揚(yáng)聲器112為動(dòng)圈式揚(yáng)聲器，信號(hào)發(fā) 生器110用于產(chǎn)生電信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大器111后輸入動(dòng)圈式揚(yáng)聲器，用于產(chǎn)生管道內(nèi)的聲 場(chǎng)。
[0026] 麥克風(fēng)陣列12安裝在管道壁面上，用于接收管道內(nèi)的聲壓信號(hào)，可以根據(jù)需要呈 一圈或者多圈環(huán)形均勻分布，每圈的麥克風(fēng)數(shù)目等于或高于管道內(nèi)聲壓的周向模態(tài)數(shù)。在 本實(shí)施例中，麥克風(fēng)陣列12呈二圈環(huán)形均勻分布。
[0027] 信號(hào)采集單元13用于完成麥克風(fēng)信號(hào)的多路同步采集模擬輸入，可采用NI的模 塊化測(cè)試測(cè)量與控制標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)PXI，并安裝相應(yīng)的同步采集模塊。本實(shí)施例中，采用PXI數(shù) 據(jù)同步采集器。
[0028] 顯示器14連接于所述信號(hào)采集單元13,在本實(shí)施例中，所述顯示器14連接于PXI 數(shù)據(jù)同步采集器。
[0029] 利用采集到的管道內(nèi)壓力信號(hào)，采用波束形成法進(jìn)行管道內(nèi)聲源定位計(jì)算。管道 內(nèi)的聲壓場(chǎng)可以表述為一系列聲學(xué)模態(tài)的疊加形式，當(dāng)管道內(nèi)的聲壓頻率接近于管道的截 止頻率時(shí)，聲壓中的某個(gè)聲學(xué)模態(tài)會(huì)在聲壓中占主導(dǎo)地位，從而影響波束形成法的使用，此 時(shí)，對(duì)管道內(nèi)聲源到聲場(chǎng)的格林函數(shù)和采集到的壓力信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，消除最大模態(tài) 的影響，使得波束形成法在截止頻率附近也有較好的準(zhǔn)確度。
[0030] 本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)際應(yīng)用效果：
[0031] 周向聲源定位
[0032] 考慮在圖2的周向上進(jìn)行聲源定位，半徑為r= 0.04m，聲源所在的周向位置為 (p= 1 80°。聲源的頻率從2000Hz至9600Hz。聲源定位效果如圖3B所示。
[0033] 從圖3A可以看出，在管道的截止頻率附近時(shí)，聲源定位會(huì)出現(xiàn)非常多的旁瓣，對(duì) 真實(shí)聲源的識(shí)別造成干擾，當(dāng)應(yīng)用了改進(jìn)算法后，聲源定位的旁瓣消失（如圖3B所示），在 大部分頻率下可識(shí)別出聲源的位置在周向(p= 1 80°。
[0034] 軸向聲源定位
[0035] 軸向聲源定位的平面為如圖1所示的重建區(qū)域所在的平面。聲源位于定位平面的 z= 0. 3m，r= -0. 04m處。此處選取兩個(gè)截止頻率為例進(jìn)行說(shuō)明。分別為f= 7800Hz(接 近模態(tài)（7, 1)的截止頻率7736Hz)和f= 8700Hz(模態(tài)（8, 1)的截止頻率）。
[0036] 從圖4A和圖4B的對(duì)比以及圖5A和圖5B的對(duì)比可以看出，進(jìn)行軸向聲源定位，在 截止頻率附近時(shí)，聲源定位的效果不好，而應(yīng)用了改進(jìn)算法后，即可成功識(shí)別聲源的位置。
[0037] 本發(fā)明實(shí)施例提供的管道內(nèi)聲源定位系統(tǒng)和方法，其一采用改進(jìn)后的波束形成法 使得在所有頻率范圍內(nèi)都可以實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)聲源的定位。由于波束形成法自身的缺陷，使其 在管道截止頻率附近時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)聲源的定位，通過(guò)對(duì)截止頻率附近時(shí)管道格林函數(shù) 和聲壓信號(hào)的處理，消除其中最大聲學(xué)模態(tài)的影響，從而提高波束形成法的適用范圍。其二 構(gòu)建的聲學(xué)模型考慮了管道兩端邊界反射的影響，可以應(yīng)用于實(shí)際中有限長(zhǎng)度管道內(nèi)的聲 源定位。其三相比一般的數(shù)據(jù)同步采集器而言，采用的PXI多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有更高 的同步采樣速率和更強(qiáng)的靈活性，可以根據(jù)實(shí)際需求中，麥克風(fēng)陣列中的麥克風(fēng)數(shù)目來(lái)加 裝不同數(shù)目的PXI動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀模塊。
[0038]另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，這些依據(jù)本發(fā)明精神 所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種管道內(nèi)聲源定位系統(tǒng)，其包括： 一聲源單元； 一麥克風(fēng)陣列，該麥克風(fēng)陣列安裝在管道壁面，用于接收管道內(nèi)的聲壓信號(hào)； 一信號(hào)采集單元，該信號(hào)采集單元用于完成麥克風(fēng)信號(hào)的多路同步采集模擬輸入；以 及 一顯示器，該顯示器連接于所述信號(hào)采集單元。2. 如權(quán)利要求1所述的管道內(nèi)聲源定位系統(tǒng)，其特征在于，所述麥克風(fēng)陣列呈一圈或 者多圈環(huán)形分布在管道壁面。3. 如權(quán)利要求2所述的管道內(nèi)聲源定位系統(tǒng)，其特征在于，每圈的麥克風(fēng)數(shù)目等于或 高于管道內(nèi)聲壓的周向模態(tài)數(shù)。4. 如權(quán)利要求1所述的管道內(nèi)聲源定位系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)采集單元采用NI 的模塊化測(cè)試測(cè)量與控制標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)PXI，并安裝相應(yīng)的同步采集模塊。5. 如權(quán)利要求4所述的管道內(nèi)聲源定位系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)采集單元采用PXI 數(shù)據(jù)同步采集器。6. 如權(quán)利要求1所述的管道內(nèi)聲源定位系統(tǒng)，其特征在于，所述聲源單元由信號(hào)發(fā)生 器，功率放大器和揚(yáng)聲器組成。7. 如權(quán)利要求1所述的管道內(nèi)聲源定位系統(tǒng)，其特征在于，所述揚(yáng)聲器為動(dòng)圈式揚(yáng)聲 器。8. 如權(quán)利要求7所述的管道內(nèi)聲源定位系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生 電信號(hào)，經(jīng)過(guò)所述功率放大器后輸入所述動(dòng)圈式揚(yáng)聲器，用于產(chǎn)生管道內(nèi)的聲場(chǎng)。9. 一種管道內(nèi)聲源定位方法，其包括以下步驟： 提供一如權(quán)利要求1至8任意一項(xiàng)所述的管道內(nèi)聲源定位系統(tǒng)； 對(duì)管道內(nèi)聲源到聲場(chǎng)的格林函數(shù)和采集到的壓力信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，消除最大模態(tài) 的影響。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種管道內(nèi)聲源定位系統(tǒng)，其包括：聲源單元、麥克風(fēng)陣列、信號(hào)采集單元以及顯示器。所述麥克風(fēng)陣列安裝在管道壁面，用于接收管道內(nèi)的聲壓信號(hào)；所述信號(hào)采集單元用于完成麥克風(fēng)信號(hào)的多路同步采集模擬輸入；所述顯示器連接于所述信號(hào)采集單元。另外，本發(fā)明提供一種管道內(nèi)聲源定位方法。
【IPC分類】G01S5/18
【公開號(hào)】CN105203997
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510600323
【發(fā)明人】鐘迪, 朱民, 翁方龍, 李少帥, 景李玥
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)
【公開日】2015年12月30日
【申請(qǐng)日】2015年9月18日