【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及聲源識別與定位，更具體地說是一種用于等效源法近場聲全息的fibonacci陣列設計方法及其應用。
技術介紹
1、近場聲全息技術是一種有效的聲源識別和聲場可視化手段，對于各類設備的低噪聲設計具有重要的應用價值。其原理是利用傳聲器陣列測量聲源輻射的聲壓、振速等聲學參數，并通過聲場重建算法，如空間傅里葉變換法、邊界元法、等效源法以及球面/平面波疊加法等，重建出聲源表面或任意三維空間中的聲學量。在眾多重建算法中，等效源法因其理論的簡潔性和適用于任意形狀聲源的優勢而獲得廣泛應用和研究。
2、為了確保等效源法重建聲場的可靠性，一是要提高求解穩定性，二是要確保聲場信息采樣的全面性。影響求解穩定性的關鍵因素是傳遞矩陣條件數和列相關性，其值越小，求解穩定性越好。而傳遞矩陣的性質與傳聲器陣列的分布息息相關。目前，在實際的聲全息測試中，通常采用的常規陣列其傳聲器是按照直角坐標、極坐標、球坐標、柱坐標進行等間隔的均勻分布。此類陣列雖然設計簡單、易于實現，但往往導致傳遞矩陣的條件數和列相關性較高，影響求解穩定性和精度。另一方面，雖然上述陣列的傳聲器在坐標軸上是等間隔均勻分布的，但是其整體分布在空間中并不均勻。例如，按照球坐標等間隔采樣的球面陣列，其兩極附近采樣密集，赤道附近采樣稀疏；按照極坐標等間隔采樣的圓形平面陣列，其中心附近采樣密集，邊緣附近采樣稀疏。這就導致傳聲器無法全面且充分地采樣陣列面內的聲場信息。為了降低列相關性，有研究人員提出使用隨機分布的傳聲器陣列。然而，隨機陣列在實際應用中對聲場覆蓋不均勻，很可能會遺漏關鍵的聲
技術實現思路
1、本專利技術旨在解決現有等效源法近場聲全息技術中傳聲器陣列存在的不足，提供一種用于等效源法近場聲全息的fibonacci陣列設計方法及其應用，使fibonacci陣列兼顧均勻性和較低的傳遞矩陣條件數與列相關性，在全面采集聲場信息的同時，提高求解的穩定性。
2、本專利技術用于等效源法近場聲全息的fibonacci陣列設計方法是按如下步驟進行：
3、步驟a、確定fibonacci陣列的形狀和尺寸，設置所述fibonacci陣列中的傳聲器數量n；
4、所述fibonacci陣列的形狀為圓形平面、矩形平面、球面或圓柱面；
5、所述fibonacci陣列的尺寸為：所述圓形平面的圓半徑r1、所述矩形平面的長寬a×b、所述球面的球半徑r2，以及所述圓柱面的圓柱半徑r3和圓柱高l；
6、所述傳聲器數量n不小于8；
7、步驟b、按照fibonacci陣列的格點生成算法計算獲得與n個傳聲器一一對應的n個陣列格點的坐標，分別是：
8、由式(1)計算獲得形狀為圓形平面的fibonacci陣列的n個陣列格點的坐標：
9、
10、由式(2)計算獲得形狀為矩形平面的fibonacci陣列的n個陣列格點的坐標：
11、
12、由式(3)計算獲得形狀為球面的fibonacci陣列的n個陣列格點的坐標：
13、
14、由式(4)計算獲得形狀為圓柱面的fibonacci陣列的n個陣列格點的坐標：
15、
16、其中：
17、是以n表示第n個fibonacci格點或第n個傳聲器；
18、以x(n)、y(n)和z(n)分別表示第n個fibonacci格點的位置坐標；
19、z0表示設定的陣列高度，z0為常數；
20、mod(n/φ,1)表示n/φ的小數部分；
21、步驟c、在由步驟b計算獲得的fibonacci格點坐標位置上設置傳聲器，獲得用于等效源法近場聲全息的fibonacci陣列。
22、本專利技術等效源法近場聲全息方法是利用本專利技術中fibonacci陣列按如下過程進行：
23、首先，按如下方法檢測獲得頻域聲壓向量ph
24、根據待測聲源的結構確定陣列形狀，按照權利要求1中的步驟b和步驟c的方法得到相應形狀的fibonacci陣列；利用所述fibonacci陣列在待測聲源的近場區域進行測量，獲得由式(5)所表征的頻域聲壓向量ph：
25、
26、其中：
27、rhn表示第n個傳聲器的位置坐標，即rhn＝(x(n),y(n),z(n))；
28、p(rhn)表示第n個傳聲器檢測獲得的頻域聲壓；
29、其次，按如下方法求解等效源源強向量q
30、設置m個等效源點，以m表示第m個等效源點，將所述聲壓向量ph作為等效源法近場聲全息的輸入信息，按式(6)所表征的等效源法近場聲全息的矩陣方程求解等效源源強向量q；
31、ph＝ghq????(6)
32、其中：
33、q＝[q(re1),q(re2),…,q(rem)]t，q(rem)表示第m個等效源點的源強；
34、傳遞矩陣gh為：
35、
36、以[gh]nm表征傳遞矩陣gh中第n行、第m列的元素，其為：
37、
38、|rhn-rem|表示第n個傳聲器位置rhn與第m個等效源點位置rem之間的距離；
39、k為波數；
40、最后，按如下方法計算獲得重建面上的聲壓向量pr
41、根據等效源源強向量q，按式(8)計算獲得重建面上的聲壓向量pr：
42、pr＝grq??????(8)
43、重建面上的聲壓向量pr為：pr＝[p(rr1),p(rr2),…,p(rrw)]t，w表示重建點的總數量；
44、傳遞矩陣gr為：
45、
46、以[gr]wm表征傳遞矩陣gr第w行、第m列的元素，其為：
47、
48、|rrw-rem|表示第w個重建點位置rrw和第m個等效源位置rem之間的距離。
49、本專利技術等效源法近場聲全息方法的特點也在于：
50、所述按式(6)所表征的等效源法近場聲全息的矩陣方程求解等效源源強向量q，是采用如下方法一或方法二進行求解：
51、方法一：當聲源呈現空間連續延展分布時，采用非稀疏框架下的求解方法
52、即利用tikhonov正則化求解式(10)所示的l2范數問題：
53、
54、方法二：當聲源呈現空間離散集中分布時，采用稀疏框架下的求解方法
55、即利用基于cvx工具箱的稀疏正則化求解式(11)所示的1范數問題：
56、
57、在式(10)和式(11)中：
58、表示使其后面的式子達到最小值時q的取值；...
【技術保護點】
1.一種用于等效源法近場聲全息的Fibonacci陣列設計方法，其特征是按如下步驟進行：
2.一種等效源法近場聲全息方法，其特征是利用權利要求1所述Fibonacci陣列按如下過程進行：
3.根據權利要求2所述的等效源法近場聲全息方法，其特征是：
【技術特征摘要】
1.一種用于等效源法近場聲全息的fibonacci陣列設計方法，其特征是按如下步驟進行：
2.一種等效源法近場聲全息方法，其...
【專利技術屬性】
技術研發人員：畢傳興，范羽飛，黃哲科，石梓玉，張小正，徐瀅，朱路，
申請(專利權)人：合肥工業大學，
類型：發明
國別省市：
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