一种基于球形测量面的声场分离系统和方法

本发明属于近场声全息，涉及一种基于球形测量面的声场分离系统和方法。

背景技术：

1、在许多声学场景中，由于存在多个声源或者部分散射体，空间特定位置处的声场通常由声源的外向辐射声相互叠加或者与反射声叠加形成。基于声源外向辐射波，利用传统的近场声全息技术直接对声场进行重构，将会产生较大的重建误差，甚至产生错误的结果。为了准确重建声场，需要进行声场分离。

2、已有的声场分离方法中，e.fernandez-granded等基于单层面的矢量传声器阵列实现声场分离，该方法使用的矢量传声器造价较为昂贵。f.ma等利用双层面球阵列测量声压实现声场分离，该方法需要布置两层球形声压传感器阵列，结构复杂。同时，以上声场重建方法采用的测量阵列均为刚性球阵列，分离出的是入射声场以及散射声场，未能对空间中的多个待分离声源进行分离。

3、现有基于稀疏测量的声场分离方法可以减少测点，但需设置两个测量平面；采用单测量面，可以进行声场分离，但前提却需要明确声源的大概位置或进行测前预测。因而，操作较为繁琐。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于球形测量面的声场分离系统和方法，本发明所采用的技术方案是：

2、一种基于球形测量面的声场分离系统，包括：目标声源和干扰声源，所述目标声源和所述干扰声源所产生的混合声场作为待分离声场，所述目标声源和所述干扰声源之间设置有球形测量面，所述球形测量面上布置有测量点；

3、所述球形测量面由球形阵列构成，所述球形阵列的两侧各布置一个半球形的等效源面，所述等效源面上布置有等效源点；

4、将所述球形测量面测量得到的声压信号和所述等效源面的传播函数带入声场信息分离模型，求得等效源强，从而得出所述球形测量面两侧声源产生的声场，实现声场分离。

5、进一步地，所述等效源面的半径相同。

6、一种基于球形测量面的声场分离方法，包括如下步骤：

7、步骤1：由目标声源与干扰声源所产生的混合声场作为待分离声场，在所述目标声源和所述干扰声源之间设置一个球形测量面，以球心为坐标原点，将所述球形测量面随机分为两部分，将两部分所测得声压信号随机分为两组，分别记p1和p2；

8、步骤2：根据所述球形测量面所测得的声压数据获取声源的频率特征，确定对应的声波波数k；

9、步骤3：根据所述球形测量面上测量点的数量、所述球形测量面的半径以及所述声波波数来确定截断阶数n；

10、步骤4：在所述球形测量面的两侧各布置一个半球形的等效源面，所述等效源面上布置有等效源点，等效源强分别记为q1和q2；

11、步骤5：所述球形测量面的测量点与所述等效源点之间的传递矩阵为自由场格林函数；

12、步骤6：建立声场分离模型，得到测量点位置声压；

13、步骤7：求解所述等效源强；

14、步骤8：求得所述目标声源在测量面上的辐射声场，完成声场分离。

15、进一步地，所述步骤1还包括：将所述球形测量面随机分为两部分，分别为第一球形测量面h1和第二球形测量面h2，所述第一球形测量面h1和所述第二球形测量面h2所测得声压信号分别记为p1和p2；其中p1＝p11+p21，p2＝p12+p22，p11和p21表示所述目标声源和所述干扰声源对所述第一球形测量面h1上产生的声压，p12和p22表示所述目标声源和所述干扰声源对所述第二球形测量面h2上产生的声压。

16、进一步地，所述步骤3的截断阶数n：

17、

18、其中，表示向上取整，k为声波波数，rh为球形测量面的半径。

19、进一步地，所述步骤4还包括：在所述球形测量面的两侧各布置一个半径为rs的半球形的等效源面，分别为s1和s2。

20、进一步地，所述步骤5的自由场格林函数为：

21、

22、其中，ωh为测量点的方位角，ωs为等效源点的方位角，j为虚数，k为波数，s为等效源个数，n为截断阶数，jn(·)为n阶第一类贝塞尔函数，hn(·)为n阶第一类汉克尔函数，为n阶m次的球谐函数，上标‘*’为复数共轭。

23、进一步地，所述步骤6还包括：

24、建立声场分离模型，将所述目标声源在所述第一球形测量面h1上产生的声压p11表示为：p11＝g11q1，其中，g11为所述目标声源在所述第一球形测量面h1上产生的自由场格林函数，将所述干扰声源在所述第一球形测量面h1上产生的声压p21表示为：p21＝g21q2，其中，g21为所述干扰声源在所述第一球形测量面h1上产生的自由场格林函数，将所述目标声源在所述第二球形测量面h2产生的声压p21表示为：p12＝g12q2，其中，g12为所述目标声源在所述第二球形测量面h2上产生的自由场格林函数，将所述干扰声源在第二球形测量面h2上产生的声压p22表示为p22＝g22q2其中，g22为所述干扰声源在所述第二球形测量面h2上产生的自由场格林函数；

25、测量点位置声压表示为：

26、

27、进一步地，所述步骤7还包括：求解所述等效源强，将步骤6中的声压向量的表达式写为：ph＝gq，通过稀疏正则化的方法求解等效源强的q的稀疏解min||q||1subject to||ph-gq||2≤ε，其中，ε为本底噪声。

28、进一步地，所述步骤8还包括：根据函数矩阵求得所述目标声源在测量面上的辐射声场，完成声场分离。

29、本发明的有益效果：

30、本发明的声场分离系统和方法均基于球谐函数展开和等效源法，采用单层球面测量面测量声压，利用测得的声压信息，可以实现在较少的测点条件下完成声场分离，并能确切得到声源的辐射信息，具有较高的分离精度，且操作简单方便。

技术特征：

1.一种基于球形测量面的声场分离系统，其特征在于，包括：目标声源和干扰声源，所述目标声源和所述干扰声源所产生的混合声场作为待分离声场，所述目标声源和所述干扰声源之间设置有球形测量面，所述球形测量面上布置有测量点；

2.根据权利要求1所述的基于球形测量面的声场分离系统，其特征在于，所述等效源面的半径相同。

3.一种基于球形测量面的声场分离方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种基于球形测量面的声场分离方法，其特征在于，所述步骤1还包括：将所述球形测量面随机分为两部分，分别为第一球形测量面h1和第二球形测量面h2，所述第一球形测量面h1和所述第二球形测量面h2所测得声压信号分别记为p1和p2；其中p1＝p11+p21，p2＝p12+p22，p11和p21表示所述目标声源和所述干扰声源对所述第一球形测量面h1上产生的声压，p12和p22表示所述目标声源和所述干扰声源对所述第二球形测量面h2上产生的声压。

5.根据权利要求4所述的一种基于球形测量面的声场分离方法，其特征在于，所述步骤3的截断阶数n：

6.根据权利要求5所述的一种基于球形测量面的声场分离方法，其特征在于，所述步骤4还包括：在所述球形测量面的两侧各布置一个半径为rs的半球形的等效源面，分别为s1和s2。

7.根据权利要求6所述的一种基于球形测量面的声场分离方法，其特征在于，所述步骤5的自由场格林函数为：

8.根据权利要求7所述的一种基于球形测量面的声场分离方法，其特征在于，所述步骤6还包括：

9.根据权利要求8所述的一种基于球形测量面的声场分离方法，其特征在于，所述步骤7还包括：求解所述等效源强，将步骤6中的声压向量的表达式写为：ph＝gq，通过稀疏正则化的方法求解等效源强的q的稀疏解min||q||1subject to||ph-gq||2≤ε，其中，ε为本底噪声。

10.根据权利要求9所述的一种基于球形测量面的声场分离方法，其特征在于，所述步骤8还包括：根据函数矩阵求得所述目标声源在测量面上的辐射声场，完成声场分离。

技术总结本发明具体涉及一种基于球形测量面的声场分离系统和方法，该声场分离系统包括目标声源和干扰声源，目标声源和干扰声源所产生的混合声场作为待分离声场；目标声源和干扰声源之间设置有球形测量面，球形测量面上布置有测量点；球形测量面由球形阵列构成，球形阵列的两侧各布置一个半球形的等效源面，等效源面上布置有等效源点；将球形测量面测量得到的声压信号和等效源面的传播函数带入声场信息分离模型，求得等效源强，从而得出球形测量面两侧声源产生的声场，实现声场分离。本发明的声场分离系统和方法采用单层球面测量面测量声压，利用测得的声压信息，可以实现在较少的测点条件下完成声场分离，具有较高的分离精度。技术研发人员：张学勇,魏定源,戴梦超,张学庆,周玉坤受保护的技术使用者：安徽建筑大学技术研发日：技术公布日：2024/1/25