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一種多普勒效應(yīng)消除方法

閱讀:840發(fā)布:2020-05-13

專利匯可以提供一種多普勒效應(yīng)消除方法專利檢索,專利查詢,專利分析的服務(wù)。并且本 發(fā)明 公開了一種 多普勒效應(yīng) 消除方法,其特征是在空間中分別建立固定 坐標(biāo)系 和移動(dòng)坐標(biāo)系;在移動(dòng)聲源 輻射 聲場中設(shè)置固定坐標(biāo)系下的測量面,利用 傳聲 器測量獲得接收時(shí)刻測量面中各測量點(diǎn)含有多普勒效應(yīng)的聲壓 信號 ;根據(jù)坐標(biāo)系之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,建立各測量點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系下坐標(biāo)值的相對關(guān)系;根據(jù)測量聲壓信號在兩個(gè)坐標(biāo)系下相等的先驗(yàn)條件,并結(jié)合兩個(gè)坐標(biāo)系的相對關(guān)系計(jì)算出含有多普勒效應(yīng)的聲壓信號與不含多普勒效應(yīng)的聲壓信號在時(shí)域— 波數(shù) 域的相對關(guān)系;根據(jù)各測量點(diǎn)測得的含有多普勒效應(yīng)的聲壓信號,結(jié)合數(shù)值 傅立葉變換 運(yùn)算,獲得各測量點(diǎn)不含多普勒效應(yīng)的聲壓信號;最終實(shí)現(xiàn)多普勒效應(yīng)的消除。本發(fā)明方法無需預(yù)知聲源數(shù)量與 位置 ,高效準(zhǔn)確。,下面是一種多普勒效應(yīng)消除方法專利的具體信息內(nèi)容。

1.一種多普勒效應(yīng)消除方法,其特征是按如下步驟進(jìn)行:
步驟1、在空間中建立兩個(gè)坐標(biāo)系,一個(gè)是靜止的固定坐標(biāo)系of(xf,yf,zf),另一個(gè)是隨聲源以相同速度運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)坐標(biāo)系om(xm,ym,zm);兩個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)在t=0時(shí)刻位于同一位置;在空間中放置一聲源,聲源在xfofyf平面內(nèi)做直線移動(dòng);在移動(dòng)聲源輻射聲場中設(shè)置固定坐標(biāo)系下的測量面,在測量面上等間隔均勻分布N個(gè)測量點(diǎn);N個(gè)測量點(diǎn)中第n個(gè)測量點(diǎn)在固定坐標(biāo)系下坐標(biāo)為 第n個(gè)測量點(diǎn)在移動(dòng)坐標(biāo)系下坐標(biāo)為 第n個(gè)測
量點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系下坐標(biāo)的相對關(guān)系為:
其中vx表示聲源移動(dòng)速度在xf軸正方向上的分量,vy表示聲源移動(dòng)速度在yf軸正方向上的分量;
步驟2、將N個(gè)傳聲器一一對應(yīng)地放置在所述N個(gè)測量點(diǎn)處進(jìn)行測量,獲得聲壓信號,包括:
在接收時(shí)刻t,各測量點(diǎn)處在固定坐標(biāo)系下的聲壓信號一一對應(yīng)為:
將所有N個(gè)測量點(diǎn)處的聲壓信號
Pf表征為:
在接收時(shí)刻t,各測量點(diǎn)處在移動(dòng)坐標(biāo)系下的聲壓信號一一對應(yīng)為:
將所有N個(gè)測量點(diǎn)在移動(dòng)坐標(biāo)系
下聲壓信號Pm表征為:
在接收時(shí)刻t,各測量點(diǎn)處不含多普勒效應(yīng)的聲壓信號一一對應(yīng)為:
將所有N個(gè)測量點(diǎn)不含多普勒效
應(yīng)的聲壓信號Pd表征為:
步驟3、根據(jù)N個(gè)測量點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系下坐標(biāo)的相對關(guān)系,將N個(gè)測量點(diǎn)在移動(dòng)坐標(biāo)系下的聲壓信號Pm表征為:
步驟4、根據(jù)測量點(diǎn)處聲壓信號在任一坐標(biāo)系下不變的先驗(yàn)條件Pm=Pf,計(jì)算獲得各測量點(diǎn)含有多普勒效應(yīng)的聲壓信號Pf與不含多普勒效應(yīng)的聲壓信號Pd在時(shí)域—波數(shù)域的相對關(guān)系表征為:F(Pf)=exp(-jkxvxt)×exp(-jkyvyt)×F(Pd),其中,F(xiàn)表示空間傅立葉變換運(yùn)算,exp表示指數(shù)運(yùn)算,kx表示在xf方向上的波數(shù)劃分,ky表示在yf方向上的波數(shù)劃分,j表示虛數(shù)單位;
步驟5、根據(jù)各測量點(diǎn)測得的含有多普勒效應(yīng)的聲壓信號Pf,結(jié)合數(shù)值傅立葉變換運(yùn)算,計(jì)算獲得各測量點(diǎn)不含多普勒效應(yīng)的聲壓信號表征為:
Pd=F-1[exp(jkxvxt)×exp(jkyvyt)×F(Pf)],
其中F-1表示空間逆傅立葉變換運(yùn)算,從而實(shí)現(xiàn)多普勒效應(yīng)的消除。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多普勒效應(yīng)消除方法,其特征是:所述N個(gè)測量點(diǎn)是在平面上等間隔均勻分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多普勒效應(yīng)消除方法,其特征是:聲源移動(dòng)速度為固定值或隨時(shí)間變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多普勒效應(yīng)消除方法,其特征是:所述聲源為一個(gè)或多個(gè),聲源信號為穩(wěn)態(tài)信號或非穩(wěn)態(tài)信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多普勒效應(yīng)消除方法,其特征是:所述空間坐標(biāo)系為三維坐標(biāo)系或二維坐標(biāo)系。

說明書全文

一種多普勒效應(yīng)消除方法

技術(shù)領(lǐng)域

[0001] 本發(fā)明涉及物理專業(yè)中噪聲類領(lǐng)域多普勒效應(yīng)消除方法,更具體地說是在時(shí)域—波數(shù)域消除多普勒效應(yīng)的一種方法。

背景技術(shù)

[0002] 噪聲分析是機(jī)械零部件狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的一個(gè)重要方法。但當(dāng)機(jī)械零部件處于移動(dòng)狀態(tài)時(shí),其診斷的有效性將大大降低,主要原因就是機(jī)械零部件與傳聲器之間的相對運(yùn)動(dòng)引起的多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)會對采集到的聲信號造成幅值畸變和頻率偏移,這會對診斷效果造成嚴(yán)重影響。因此如何準(zhǔn)確地消除多普勒效應(yīng)對移動(dòng)機(jī)械零部件的診斷有重要意義。目前消除多普勒效應(yīng)的方法主要有頻域方法和時(shí)域方法。頻域方法能夠準(zhǔn)確地消除多普勒效應(yīng),但通常只能對穩(wěn)態(tài)信號進(jìn)行計(jì)算。時(shí)域方法直接在時(shí)域進(jìn)行計(jì)算,不僅可以計(jì)算穩(wěn)態(tài)信號,還可對非穩(wěn)態(tài)信號進(jìn)行計(jì)算。目前消除多普勒效應(yīng)的時(shí)域計(jì)算方法主要有重采樣方法,非線性時(shí)間映射方法以及基于完整Morse聲學(xué)模型的去多普勒效應(yīng)方法。但這些方法在消除多普勒效應(yīng)時(shí)都有一些缺陷,比如重采樣方法需要對信號進(jìn)行插值擬合計(jì)算,計(jì)算效率較低,非線性時(shí)間映射方法和基于完整Morse聲學(xué)模型的去多普勒效應(yīng)方法需要聲源的初始位置信息,使其在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。

發(fā)明內(nèi)容

[0003] 本發(fā)明為彌補(bǔ)重采樣方法的計(jì)算效率低以及非線性時(shí)間映射方法和基于完整Morse聲學(xué)模型的去多普勒效應(yīng)方法需要聲源初始位置信息的不足,提供一種高效、無需聲源初始位置的多普勒效應(yīng)消除方法。
[0004] 本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是:
[0005] 本發(fā)明多普勒效應(yīng)消除方法的特點(diǎn)是按如下步驟進(jìn)行:
[0006] 步驟1、在空間中建立兩個(gè)坐標(biāo)系,一個(gè)是靜止的固定坐標(biāo)系of(xf,yf,zf),另一個(gè)是隨聲源以相同速度運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)坐標(biāo)系om(xm,ym,zm);兩個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)在t=0時(shí)刻位于同一位置;在空間中放置一聲源,聲源在xfofyf平面內(nèi)做直線移動(dòng);在移動(dòng)聲源輻射聲場中設(shè)置固定坐標(biāo)系下的測量面,在測量面上等間隔均勻分布N個(gè)測量點(diǎn);N個(gè)測量點(diǎn)中第n個(gè)測量點(diǎn)在固定坐標(biāo)系下坐標(biāo)為 第n個(gè)測量點(diǎn)在移動(dòng)坐標(biāo)系下坐標(biāo)為 第n個(gè)測量點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系下坐標(biāo)的相對關(guān)系為:
[0007]
[0008] 其中vx表示聲源移動(dòng)速度在xf軸正方向上的分量,vy表示聲源移動(dòng)速度在yf軸正方向上的分量;
[0009] 步驟2、將N個(gè)傳聲器一一對應(yīng)地放置在所述N個(gè)測量點(diǎn)處進(jìn)行測量,獲得聲壓信號,包括:
[0010] 在接收時(shí)刻t,各測量點(diǎn)處在固定坐標(biāo)系下的聲壓信號一一對應(yīng)為:
[0011] 將所有N個(gè)測量點(diǎn)處的聲壓信號Pf表征為:
[0012] 在接收時(shí)刻t,各測量點(diǎn)處在移動(dòng)坐標(biāo)系下的聲壓信號一一對應(yīng)為:
[0013] 將所有N個(gè)測量點(diǎn)在移動(dòng)坐標(biāo)系下聲壓信號Pm表征為:
[0014] 在接收時(shí)刻t,各測量點(diǎn)處不含多普勒效應(yīng)的聲壓信號一一對應(yīng)為:
[0015] 將所有N個(gè)測量點(diǎn)不含多普勒效應(yīng)的聲壓信號Pd表征為:
[0016] 步驟3、根據(jù)N個(gè)測量點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系下坐標(biāo)的相對關(guān)系,將N個(gè)測量點(diǎn)在移動(dòng)坐標(biāo)系下的聲壓信號Pm表征為:
[0017]
[0018] 步驟4、根據(jù)測量點(diǎn)處聲壓信號在任一坐標(biāo)系下不變的先驗(yàn)條件Pm=Pf,計(jì)算獲得各測量點(diǎn)含有多普勒效應(yīng)的聲壓信號Pf與不含多普勒效應(yīng)的聲壓信號Pd在時(shí)域—波數(shù)域的相對關(guān)系表征為:F(Pf)=exp(-jkxvxt)×exp(-jkyvyt)×F(Pd),其中,F(xiàn)表示空間傅立葉變換運(yùn)算,exp表示指數(shù)運(yùn)算,kx表示在xf方向上的波數(shù)劃分,ky表示在yf方向上的波數(shù)劃分,j表示虛數(shù)單位;
[0019] 步驟5、根據(jù)各測量點(diǎn)測得的含有多普勒效應(yīng)的聲壓信號Pf,結(jié)合數(shù)值傅立葉變換運(yùn)算,計(jì)算獲得各測量點(diǎn)不含多普勒效應(yīng)的聲壓信號表征為:
[0020] Pd=F-1[exp(jkxvxt)×exp(jkyvyt)×F(Pf)],
[0021] 其中F-1表示空間逆傅立葉變換運(yùn)算,從而實(shí)現(xiàn)多普勒效應(yīng)的消除。
[0022] 本發(fā)明多普勒效應(yīng)消除方法的特點(diǎn)也在于:所述N個(gè)測量點(diǎn)是在平面上等間隔均勻分布。
[0023] 本發(fā)明多普勒效應(yīng)消除方法的特點(diǎn)也在于:聲源移動(dòng)速度為固定值或隨時(shí)間變化。
[0024] 本發(fā)明多普勒效應(yīng)消除方法的特點(diǎn)也在于:所述聲源為一個(gè)或多個(gè),聲源信號為穩(wěn)態(tài)信號或非穩(wěn)態(tài)信號。
[0025] 本發(fā)明多普勒效應(yīng)消除方法的特點(diǎn)也在于:所述空間坐標(biāo)系為三維坐標(biāo)系或二維坐標(biāo)系。
[0026] 與已有技術(shù)相比,本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在:
[0027] 1、本發(fā)明方法無需插值擬合計(jì)算,計(jì)算效率較高;
[0028] 2、本發(fā)明方法無需聲源初始位置的先驗(yàn)信息,能夠準(zhǔn)確消除未知初始位置聲源的多普勒效應(yīng)。附圖說明
[0029] 圖1為本發(fā)明方法中固定坐標(biāo)系、移動(dòng)坐標(biāo)系、聲源S及測量點(diǎn)位置示意圖;
[0030] 圖2a為在聲源移動(dòng)時(shí)測量點(diǎn)A接收時(shí)域信號與利用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的時(shí)域信號的對比,圖2a中以點(diǎn)表征的曲線為實(shí)際測量得到的時(shí)域信號,以實(shí)線表征的曲線為采用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的時(shí)域信號;
[0031] 圖2b為在聲源移動(dòng)時(shí)測量點(diǎn)A接收信號的頻譜與利用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的信號頻譜的對比,圖2b中以點(diǎn)表征的曲線為實(shí)際測量得到的信號頻譜,以實(shí)線表征的曲線為采用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的信號頻譜;
[0032] 圖2c為在聲源移動(dòng)時(shí)測量點(diǎn)B接收時(shí)域信號與利用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的時(shí)域信號的對比,圖2c中以點(diǎn)表征的曲線為實(shí)際測量得到的時(shí)域信號,以實(shí)線表征的曲線為采用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的時(shí)域信號;
[0033] 圖2d為在聲源移動(dòng)時(shí)測量點(diǎn)B接收信號的頻譜與利用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的信號頻譜的對比,圖2d中以點(diǎn)表征的曲線為實(shí)際測量得到的信號頻譜,以實(shí)線表征的曲線為采用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的信號頻譜。

具體實(shí)施方式

[0034] 本實(shí)施例中多普勒效應(yīng)消除方法是按如下步驟進(jìn)行:
[0035] 步驟1、如圖1所示,在空間中建立兩個(gè)坐標(biāo)系,一個(gè)是靜止的固定坐標(biāo)系of(xf,yf,zf),以f表示固定坐標(biāo)系,另一個(gè)是隨聲源以相同速度運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)坐標(biāo)系om(xm,ym,zm),以m表示移動(dòng)坐標(biāo)系;兩個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)在t=0時(shí)刻位于同一位置;在空間中放置一聲源,聲源在xfofyf平面內(nèi)做直線移動(dòng),具體實(shí)施中,聲源S以速度v做勻速直線移動(dòng);在移動(dòng)聲源輻射聲場中設(shè)置固定坐標(biāo)系下的測量面,在測量面上等間隔均勻分布N個(gè)測量點(diǎn),具體實(shí)施中,測量點(diǎn)組成一個(gè)平面陣列,并與xfofyf平面平行;N個(gè)測量點(diǎn)中第n個(gè)測量點(diǎn)在固定坐標(biāo)系下坐標(biāo)為 第n個(gè)測量點(diǎn)在移動(dòng)坐標(biāo)系下坐標(biāo)為 第n個(gè)測量點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系下坐標(biāo)的相對關(guān)系為:
[0036]
[0037] 其中vx表示聲源移動(dòng)速度在xf軸正方向上的分量,vy表示聲源移動(dòng)速度在yf軸正方向上的分量。
[0038] 步驟2、將N個(gè)傳聲器一一對應(yīng)地放置在N個(gè)測量點(diǎn)處進(jìn)行測量,獲得聲壓信號,包括:
[0039] 在接收時(shí)刻t,各測量點(diǎn)處在固定坐標(biāo)系下的聲壓信號一一對應(yīng)為:
[0040] 將所有N個(gè)測量點(diǎn)處的聲壓信號Pf表征為:
[0041] 在接收時(shí)刻t,各測量點(diǎn)處在移動(dòng)坐標(biāo)系下的聲壓信號一一對應(yīng)為:
[0042] 將所有N個(gè)測量點(diǎn)在移動(dòng)坐標(biāo)系下聲壓信號Pm表征為:
[0043] 在接收時(shí)刻t,各測量點(diǎn)處不含多普勒效應(yīng)的聲壓信號一一對應(yīng)為:
[0044] 將所有N個(gè)測量點(diǎn)不含多普勒效應(yīng)的聲壓信號Pd表征為:
以d表示消除多普勒效應(yīng)后的信號。
[0045] 步驟3、根據(jù)N個(gè)測量點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系下坐標(biāo)的相對關(guān)系,將N個(gè)測量點(diǎn)在移動(dòng)坐標(biāo)系下的聲壓信號Pm表征為:
[0046]
[0047] 步驟4、根據(jù)測量點(diǎn)處聲壓信號在任一坐標(biāo)系下不變的先驗(yàn)條件Pm=Pf,計(jì)算獲得各測量點(diǎn)含有多普勒效應(yīng)的聲壓信號Pf與不含多普勒效應(yīng)的聲壓信號Pd在時(shí)域—波數(shù)域的相對關(guān)系表征為:F(Pf)=exp(-jkxvxt)×exp(-jkyvyt)×F(Pd),其中,F(xiàn)表示空間傅立葉變換運(yùn)算,具體實(shí)施中:
[0048]exp表示指數(shù)運(yùn)算,kx表示在xf方向上的波數(shù)劃分,ky表示在yf方向上的波數(shù)劃分,j表示虛數(shù)單位。
[0049] 步驟5、根據(jù)各測量點(diǎn)測得的含有多普勒效應(yīng)的聲壓信號Pf,結(jié)合數(shù)值傅立葉變換運(yùn)算,計(jì)算獲得各測量點(diǎn)不含多普勒效應(yīng)的聲壓信號表征為:
[0050] Pd=F-1[exp(jkxvxt)×exp(jkyvyt)×F(Pf)],
[0051] 其中F-1表示空間逆傅立葉變換運(yùn)算,具體實(shí)施中:
[0052]π為圓周率,從而實(shí)現(xiàn)多普勒效應(yīng)的消除。
[0053] 為了進(jìn)行空間傅立葉變換運(yùn)算,N個(gè)測量點(diǎn)是在平面上等間隔均勻分布,聲源移動(dòng)速度為固定值或隨時(shí)間變化,聲源為一個(gè)或多個(gè),聲源信號為穩(wěn)態(tài)信號或非穩(wěn)態(tài)信號,空間坐標(biāo)系為三維坐標(biāo)系或二維坐標(biāo)系。
[0054] 具體實(shí)施中,聲源S采用一個(gè)單極子,在固定坐標(biāo)系of(xf,yf,zf)中位于(0.5m,0.5m,0m),聲源移動(dòng)速度v在xf軸正方向上的分量為vx=60m/s,在yf軸正方向上的分量為vy=60m/s。測量陣列位于zf=0.2m的平面上,陣列包含121×121個(gè)等間隔均勻分布的測量點(diǎn),相鄰兩個(gè)測量點(diǎn)之間距離為0.05m。聲源S輻射三個(gè)頻率組合的正弦信號,其表達(dá)式為:
[0055] s(t)=sin(2πf1t)+sin(2πf2t)+sin(2πf3t)??(1)
[0056] 在式(1)中,頻率f1=960Hz,f2=1000Hz,f3=1040Hz。時(shí)域信號采樣頻率為10.24kHz,采樣點(diǎn)數(shù)為512。
[0057] 為檢驗(yàn)本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)的效果,選取了兩個(gè)測量點(diǎn),即測量點(diǎn)A和測量點(diǎn)B,其位置分別為A(0.5m,0.5m,0.2m)、B(1m,1m,0.2m)。圖2a和圖2c分別表示測量點(diǎn)A和測量點(diǎn)B接收時(shí)域信號與利用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的時(shí)域信號的對比,圖中以點(diǎn)表征的曲線為實(shí)際測量得到的時(shí)域信號,以實(shí)線表征的曲線為采用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的時(shí)域信號;圖2b和圖2d分別表示測量點(diǎn)A和測量點(diǎn)B接收信號的頻譜與利用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的信號頻譜的對比,圖中以點(diǎn)表征的曲線為實(shí)際測量得到的信號頻譜,以實(shí)線表征的曲線為采用本發(fā)明方法消除多普勒效應(yīng)后的信號頻譜。比較圖中的實(shí)線和點(diǎn)線可以看出,采用本發(fā)明方法可以很好地修正多普勒效應(yīng)帶來的幅值畸變和頻率偏移,消除測量信號中的多普勒效應(yīng)。
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