一种实现旋转声源追踪识别与相位角修正的方法

1.本发明涉及声源识别技术领域，具体涉及一种实现旋转声源追踪识别与相位角修正的方法。


背景技术：

2.旋转机械广泛应用于生产生活的各个方面，其在运行过程中产生的噪声不仅给设备周边进行生产生活的人群造成影响，而且旋转机械发出的噪声也能体现出机械本身的结构健康状态，故开展旋转机械的噪声机理分析显得尤为重要。
3.在探究旋转机械噪声产生机理及降噪途径中，转子周围声源的准确定位与识别是基础内容之一。声阵列是一种由多个声学接收器按照一定拓补结构排布的声学信号采集装置，研究中常使用声阵列采集目标声源发射的声信号，然后配合后处理计算方法对旋转声源进行识别，但运行转子与周围流体相互作用所产生的声源跟随叶片处于旋转状态，采用常规的稳定声源识别方法定位转子周围的声源时，可以得到声源的径向位置，却无法定位转子气动噪声沿圆周方向的准确相对方位角关系，致使声源的相位角信息无法获取，进而限制声源发声机理深入研究。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提供了一种实现旋转声源追踪识别与相位角修正的方法。
5.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
6.一种实现旋转声源追踪识别与相位角修正的方法，包括如下步骤：
7.步骤1：布置声阵列和触发装置，并设置采样距离与时间，根据试验方法获得不同转速下的旋转机械的声压数据；
8.步骤2：输入关注频段、采样频率、采样时间和通带波纹值，设计切比雪夫1型数字滤波器对初始声压数据进行滤波；
9.步骤3：根据傅里叶变换计算幅值最大处对应的频率，以该频率为前提使用延迟求和方法得到声源试验径向位置与相位角；
10.步骤4：输入追踪角度、声源转速计算追踪声压数据的提取拍数；
11.步骤5：布置频率与位置已知的点声源、声阵列、触发装置，设置采样距离与时间，根据试验方法获得已知声源的声压数据，重复步骤3与步骤4，计算试验相位角与实际相位角的差值记作修正相位角，改变转速获得一系列声源相位角数据，以转速作为自变量，转速对应的修正相位角为因变量，根据最小二乘法计算两者之间的函数关系式，使用修正函数对旋转机械的噪声相位信息进行修正计算，得到一系列按照追踪角度确定的瞬时声源相位信息。
12.进一步地，所述的步骤1中，测试距离的选择依据瑞利准则，选择光电传感器与反光片配合使用达到触发效果；
[0013][0014]
式中，r(φ)表示分辨率；d表示阵列直径；z表示测试距离；λ表示波长；φ表示阵列法线与声源之间的夹角；α是与声阵列拓补结构有关的参数。
[0015]
进一步地，所述的步骤2具体包括以下步骤：
[0016]
步骤2-1：根据关注频段计算过渡带宽度与归一化的通带边界角频率与阻带边界角频率
[0017][0018][0019]
其中，α为过渡带宽，ω为归一化的角频率，fs为采样率；
[0020]
步骤2-2：给定通带波纹值δ1，通过下式确定波动系数；
[0021][0022]
步骤2-3：根据下式计算滤波器阶数n；
[0023][0024]
其中，通带左边界ω1，通带右边界ω2，阻带左起始界ω3，阻带右起始边界ω4，a是阻带最小衰减，r
p
是通带最大衰减；
[0025]
步骤2-4：根据滤波器参数计算归一化的模拟滤波器传递函数：
[0026][0027]
其中cn(x)表示n阶切比雪夫多项式，定义为：
[0028][0029]
步骤2-5：进行模拟到数字的频响变换，得到数字滤波器的传递函数；
[0030][0031][0032]
其中，t表示采样周期，z、s为变换因子，wc表示滤波器通带中心角频率：
[0033]
步骤2-6：依据下式对时域声压数据m进行滤波，排除无关频率与噪声的影响；
[0034][0035][0036]
其中，n表示采样点数，m表示麦克风数目。m表示声压数据矩阵，p
nm
记录了第m个麦克风在采样点n处的声压。
[0037]
进一步地，所述的步骤3具体包含以下步骤：
[0038]
步骤3-1：将滤波后的数据进行傅里叶变换，找到幅值最大对应的频率f
max
[0039][0040]fmax
＝max(y(w))；
[0041]
其中，y(n)表示经过滤波以后的声压时域数据，w表示角频率：w＝2πf，y(w)为时域声压数据转换到频域的结果，记录了零至二分之一采样频率下每个频率所对应的幅值与相位信息。
[0042]
步骤3-2：根据声源的旋转状态将声源平面设置为圆面，径向r0划分成j段，方位角θ0划分成i段，则声源平面的网格矩阵为：
[0043][0044]
步骤3-3：基于延迟求和方法计算声源面上每个网格点处的声压幅值：
[0045][0046]
步骤3-4：找到声压幅值中的最大幅值对应的索引，根据索引定位到平面网格矩阵的坐标，即为声源瞬时径向位置与相位角。
[0047]
进一步地，所述的步骤4中，依据下式确定拍数l：
[0048][0049]
其中，拍数l处的声压值代表声源旋转到θ处时，m个通道麦克风接收到的瞬时声信号。l∈[1，2，
…
，n]，m
l
＝[p
l1
，p
l2
，
…
，p
lm
]。
[0050]
进一步地，所述步骤5具体包含以下步骤：
[0051]
步骤5-1：将点声源固定在径向位置与相位角已知的位置处，以光电触发器与反光片作为触发装置，通过控制声源的旋转速度q，得到一系列转速q与声源位置识别结果(r
′0，θ
′0)，得到延时相位角等于实际位置θ0与识别位置θ
′0之间的差值，即为：
[0052]
θ＝θ
0-θ
′0；
[0053]
设转速为自变量x(n)，延时相位角为因变量y(n)，采用最小二乘法建立转速与延时相位角之间的经验函数f(x)，通过最小化误差e的平方和，来找到最优的a解；
[0054]
f(x)＝a0+a1x+a2x2+
…
+anxn；
[0055][0056]
其中an表示n阶多项式的系数，xi表示第i个转速的值，yi表示第i个转速对应的实际的修正相位角，f(xi)表示拟合曲线预测的修正相位角。
[0057]
e为误差矩阵，定义为：
[0058][0059]
令其求导后等于0，
[0060][0061]
得到系数矩阵x与常数向量a之间的关系式：
[0062]
xa＝y；
[0063][0064][0065]
通过决定系数r2来验证拟合结果的可靠性和可信度，r2的值越接近1说明可信度越高；
[0066][0067]
其中yi表示实际的修正相位角；f(xi)表示拟合曲线的预测的修正相位角；表示修正相位角预测值的均值。
[0068]
步骤5-2：将转速q带入经验公式f(x)得到修正相位角，识别角度减去修正角即为最终的声源方位角位置，改变l的取值如下式，通过改变l即得到一系列按照设定追踪角度θ进行识别的声源瞬态位置，给出l的选择方法：
[0069][0070]
上述方案中，针对旋转声源难以实现精确定位相位角焦点问题，基于经典波束形成理论，通过施加叶片旋转瞬时角速度和延时相位角进行算法修正，改善原算法识别迟滞缺陷并提高识别相位角精度，成功定位旋转声源展向位置及相位角，为旋转机械降噪分析与故障诊断提供准确的数据支撑。
附图说明
[0071]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0072]
图1为本发明实施例一种旋转声源实时追踪识别与相位角修正方法的流程图。
[0073]
图2为本发明实施例中滤波器设计流程图。
[0074]
图3为本发明实施例中延迟求和计算原理图。
[0075]
图4为本发明实施例中切比雪夫滤波器的频响函数图。
[0076]
图5为本发明实施例中的触发方案布置图。
[0077]
图6为本发明实施例中相位角修正的对比图。
[0078]
图7为本发明实施例中按照60
°
进行追踪识别时声源旋转一周的结果；
[0079]
图中：(a)第一次追踪；(b)第二次追踪；(c)第三次追踪；(d)第四次追踪；(e)第五次追踪；(f)第六次追踪。
[0080]
图8为本发明实施例中延时相位角曲线拟合示意图。
[0081]
图9为本发明实施例中运行风力机声学数据采集实验布置示意图。
具体实施方式
[0082]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0083]
本实施例中，以旋转机械一风力发电机为典型分析对象，追踪识别其气动噪声的位置信息，从而对一种旋转声源实时追踪识别与相位角修正方法进行具体说明。
[0084]
如图5所示，进行包括点声源、声阵列和触发装置的声学数据采集实验装置的布置，其中，声源频率2596hz，声阵列为60通道轮型，测试距离为1m，触发位置为0
°
方位角。
[0085]
由于该阶段使用的声源为已知频率的声源故不需要进行滤波处理，根据将时域声压数据进行傅里叶变换计算幅值最大处对应的频率，以该频率为前提使用延迟求和方法得到声源试验径向位置与相位角见(图6)左。具体地，
[0086]
步骤3-1：将时域声压数据进行傅里叶变换，找到幅值最大对应的频率f
max
[0087][0088]fmax
＝max(y(w))；
[0089]
步骤3-2：根据声源的旋转状态将声源平面设置为圆面，径向r0划分成j段，方位角θ0划分成i段，则声源平面的网格矩阵为：
[0090][0091]
步骤3-3：基于延迟求和方法计算声源面上每个网格点处的声压幅值：
[0092][0093]
步骤3-4：找到声压幅值中的最大幅值对应的索引，根据索引定位到平面网格矩阵的坐标，即为声源瞬时径向位置与相位角。
[0094]
然后，计算试验相位角与实际相位角的差值记作修正相位角，以转速作为自变量，转速对应的修正相位角为因变量，计算两者之间的函数关系式，具体地，
[0095]
步骤5-1：将点声源固定在径向位置与相位角已知的位置处，以光电触发器与反光片作为触发装置，通过控制声源的旋转速度q，得到一系列转速q与声源位置识别结果(r
′0，θ
′0)，得到延时相位角等于实际位置θ0与识别位置θ
′0之间的差值，即为：
[0096]
θ＝θ
0-θ
′0；
[0097]
设转速为自变量x(n)，延时相位角为因变量y(n)，采用最小二乘法建立转速与延时相位角之间的经验函数f(x)，通过最小化误差e的平方和，来找到最优的a解；
[0098]
f(x)＝a0+a1x+a2x2+
…
+anxn；
[0099][0100]
e为误差矩阵，定义为：
[0101][0102]
令其求导后等于0，
[0103][0104]
得到系数矩阵x与常数向量a之间的关系式：
[0105]
xa＝y；
[0106][0107][0108]
通过决定系数r2来验证拟合结果的可靠性和可信度，r2的值越接近1说明可信度越高；
[0109][0110]
步骤5-2：将转速q带入经验公式f(x)得到修正相位角，识别角度减去修正角即为最终的声源方位角位置，改变l的取值如下式，通过改变l即得到一系列按照设定追踪角度θ
进行识别的声源瞬态位置，给出l的选择方法：
[0111][0112]
图8显示了曲线拟合结果，得到转速与修正相位角之间的关系为：
[0113]
f(x)＝-3.8e-5
x2+0.079x+1.3607
[0114]
使用经验修正函数对初始识别结果的相位信息进行修正计算，最后得到修正后的声源识别结果(图6)右，方位角识别精度提高了约72％。
[0115]
将图9获得的风机的时域声压数据输入到该方法中进行计算，由于风力机气动噪声一般处在1000-2000hz的频段内，故滤波器的通带频率设置为1000-2000hz，进行滤波器的设计，得到的滤波器频响函数曲线如图4。具体地，
[0116]
步骤2-1：根据关注频段计算过渡带宽度与归一化的通带边界角频率与阻带边界角频率
[0117][0118][0119]
其中，α为过渡带宽，ω为归一化的角频率，fs为采样率；
[0120]
步骤2-2：给定通带波纹值δ1，通过下式确定波动系数；
[0121][0122]
步骤2-3：根据下式计算滤波器阶数n；
[0123][0124]
其中，通带左边界ω1，通带右边界ω2，阻带左起始界ω3，阻带右起始边界ω4，a是阻带最小衰减，r
p
是通带最大衰减；
[0125]
步骤2-4：根据滤波器参数计算归一化的模拟滤波器传递函数：
[0126][0127]
其中cn(x)表示切比雪夫多项式，定义为：
[0128][0129]
步骤2-5：进行模拟到数字的频响变换，得到数字滤波器的传递函数；
[0130]
[0131][0132]
步骤2-6：依据下式对时域声压数据m进行滤波，排除无关频率与噪声的影响；
[0133][0134][0135]
其中，n表示采样点数，m表示麦克风数目。
[0136]
最后根据傅里叶变换计算幅值最大处对应的频率，以该频率为前提使用延迟求和方法得到声源试验径向位置与相位角；输入追踪角度、声源转速计算追踪声压数据的提取拍数，并结合上面得到的修正函数就得到了一系列按照追踪角度60
°
的风力机叶片旋转一周的声源成像图，如图7。其中，依据下式确定拍数l：
[0137][0138]
其中，拍数l处的声压值代表声源处在θ处时，m个通道麦克风接收到的瞬时声信号。l∈[1，2，
…
，n]，m
l
＝[p
l1
，p
l2
，
…
，p
lm
]。
[0139]
根据本发明提出的一种旋转声源实时追踪识别与相位角修正方法，运用声阵列采集已知旋转声源的时域声学信号，通过延迟求和方法并改变转速就得到一系列声源识别的相位角数据，借助最小二乘法拟合相位角与转速之间的修正函数；在实际的应用中使用切比雪夫1型滤波器在滤除背景噪声，将延迟求和得到的声源相位角进行修正并通过计算拍数就得到了定义追踪角度下的声源瞬时位置。该方法可应用于各种旋转机械的噪声源定位识别，相位角识别精度高，且能够实现定义角度的追踪识别，为旋转机械降噪分析与故障诊断提供准确的数据支撑。
[0140]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

技术特征：
1.一种实现旋转声源追踪识别与相位角修正的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：布置声阵列和触发装置，并设置采样距离与时间，根据试验方法获得旋转机械的声压数据；步骤2：输入关注频段、采样频率、采样时间和通带波纹值，设计切比雪夫1型数字滤波器对初始声压数据进行滤波；步骤3：根据傅里叶变换计算幅值最大处对应的频率，以该频率为前提使用延迟求和方法得到声源试验径向位置与相位角；步骤4：输入追踪角度、声源转速计算追踪声压数据的提取拍数；步骤5：布置频率与位置已知的点声源、声阵列、触发装置，设置采样距离与时间，根据试验方法获得已知声源的声压数据，重复步骤3与步骤4，计算试验相位角与实际相位角的差值记作修正相位角，改变转速获得一系列声源相位角数据，以转速作为自变量，转速对应的修正相位角为因变量，根据最小二乘法计算两者之间的函数关系式，使用修正函数对旋转机械的噪声相位信息进行修正计算，得到一系列按照追踪角度确定的瞬时声源相位信息。2.根据权利要求1所述的一种实现旋转声源追踪识别与相位角修正的方法，其特征在于，所述的步骤1中，测试距离的选择依据瑞利准则，选择光电传感器与反光片配合使用达到触发效果；式中，r(φ)表示分辨率；d表示阵列直径；z表示测试距离；λ表示波长；φ表示阵列法线与声源之间的夹角；α是与声阵列拓补结构有关的参数。3.根据权利要求1所述的一种实现旋转声源追踪识别与相位角修正的方法，其特征在于，所述的步骤2具体包括以下步骤：步骤2-1：根据关注频段计算过渡带宽度与归一化的通带边界角频率与阻带边界角频率率其中，α为过渡带宽，ω为归一化的角频率，f
s
为采样率；步骤2-2：给定通带波纹值δ1，通过下式确定波动系数；步骤2-3：根据下式计算滤波器阶数n；其中，通带左边界ω1，通带右边界ω2，阻带左起始界ω3，阻带右起始边界ω4，a是阻带最小衰减，r
p
是通带最大衰减；步骤2-4：根据滤波器参数计算归一化的模拟滤波器传递函数：
其中c
n
(x)表示第n阶切比雪夫多项式，定义为：步骤2-5：进行模拟到数字的频响变换，得到数字滤波器的传递函数；得到数字滤波器的传递函数；其中，t表示采样周期，z、s为变换因子，w
c
表示滤波器通带中心角频率：步骤2-6：依据下式对时域声压数据m进行滤波，排除无关频率与噪声的影响；排除无关频率与噪声的影响；其中，n表示采样点数，m表示麦克风数目，m表示声压数据矩阵，记录了第m个麦克风在采样点n处的声压。4.根据权利要求1所述的一种实现旋转声源追踪识别与相位角修正的方法，其特征在于，所述的步骤3具体包含以下步骤：步骤3-1：将滤波后的数据进行傅里叶变换，找到幅值最大对应的频率f
max
f
max
＝max(y(w))；其中，y(n)表示经过滤波以后的声压时域数据，w表示角频率：w＝2πf，y(w)为时域声压数据转换到频域的结果，记录了零至二分之一采样频率下每个频率所对应的幅值与相位信息；步骤3-2：根据声源的旋转状态将声源平面设置为圆面，径向r0划分成j段，方位角θ0划分成i段，则声源平面的网格矩阵为：
步骤3-3：基于延迟求和方法计算声源面上每个网格点处的声压幅值：步骤3-4：找到声压幅值中的最大幅值对应的索引，根据索引定位到平面网格矩阵的坐标，即为声源瞬时径向位置与相位角。5.根据权利要求1所述的一种实现旋转声源追踪识别与相位角修正的方法，其特征在于，所述的步骤4中，依据下式确定拍数l：其中，拍数l处的声压值代表声源旋转到θ处时，m个通道麦克风接收到的瞬时声信号，l∈[1，2，
…
，n]，m
l
＝[p
l1
，p
l2
，
…
，p
lm
]。6.根据权利要求1所述的一种实现旋转声源追踪识别与相位角修正的方法，其特征在于，所述步骤5具体包含以下步骤：步骤5-1：将点声源固定在径向位置与相位角已知的位置处，以光电触发器与反光片作为触发装置，通过控制声源的旋转速度q，得到一系列转速q与声源位置识别结果(r
′0，θ
′0)，得到延时相位角等于实际位置θ0与识别位置θ
′0之间的差值，即为：θ＝θ
0-θ
′0；设转速为自变量x(n)，延时相位角为因变量y(n)，采用最小二乘法建立转速与延时相位角之间的经验函数f(x)，通过最小化误差e的平方和，来找到最优的a解；f(x)＝a0+a1x+a2x2+
…
+a
n
x
n
；其中a
n
表示n阶多项式的系数，x
i
表示第i个转速的值，y
i
表示第i个转速对应的实际的修正相位角，f(x
i
)表示拟合曲线预测的修正相位角；e为误差矩阵，定义为：令其求导后等于0，得到系数矩阵x与常数向量a之间的关系式：xa＝y；xa＝y；
通过决定系数r2来验证拟合结果的可靠性和可信度，r2的值越接近1说明可信度越高；其中y
i
表示实际的修正相位角；f(x
i
)表示拟合曲线的预测的修正相位角；表示修正相位角预测值的均值；步骤5-2：将转速q带入经验公式f(x)得到修正相位角，识别角度减去修正角即为最终的声源方位角位置，改变l的取值如下式，通过改变l即得到一系列按照设定追踪角度θ进行识别的声源瞬态位置，给出l的选择方法：

技术总结
本发明公开了一种实现旋转声源追踪识别与相位角修正的方法，包括如下步骤：布置声阵列与触发装置，获取旋转机械的声压数据；设计切比雪夫1型数字滤波器对初始声压数据进行滤波，并计算追踪声压数据的拍数；根据傅里叶变换计算幅值最大处对应的频率，以该频率为前提使用延迟求和方法得到声源试验径向位置与相位角；以试验相位角与实际相位角的差值为修正相位角，以转速作为自变量，转速对应的修正相位角为因变量，根据最小二乘法计算两者之间的函数关系式，最后进行修正计算，得到一系列按照追踪角度确定的瞬时声源相位信息。该方法对旋转声源的识别精度高，可实现给定旋转角度下声源瞬时位置的捕捉，修正转速变化对声源相位角识别造成的误差。角识别造成的误差。角识别造成的误差。


技术研发人员：高志鹰 苏日娜 王鹏 张翠青 张立茹 东雪青 马剑龙 温彩凤 白叶飞 汪建文
受保护的技术使用者：内蒙古工业大学
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/24