论文题目：基于非同步测量的低频声源高分辨率定位方法研究
摘要：机械系统的噪声分布与机械结构设计和特定运行工况息息相关。单个传声器可以采集噪声信号进行时频域分析,但是难以获得噪声空间分布特性,利用传声器阵列可以根据声源信号到达不同传声器的时间差,对噪声信号的空间分布进行反演,从而达到声源定位的目的。但是在实际的场景中,受限于传声器阵列的孔径限制和其他噪声干扰,低频声源定位结果的分辨率不够高。在旋转机械中,由于叶片的周期性激励作用,低频线谱广泛存在于机械系统的辐射噪声中,低频噪声源的识别对机械系统的故障预警和消声与降噪设计可以起到有效地辅助作用。本文从声学测量的角度对低频声源的定位问题展开研究,并将其进一步应用于离心式鼓风机设备中。主要内容如下:（1）基于远场条件下阵列孔径对于低频声源定位的限制,采用非同步测量方法对低频声源进行测量。对于频域的声源定位算法而言,声源定位效果主要取决于传声器阵列的阵型和声源定位频率两大因素。声源定位频率的下限取决于阵列孔径大小,为了拓宽声源定位算法的低频工作范围,本文引入了非同步测量方法,在测量平面内按照既定位置平移阵列扩大孔径,通过合成孔径的方法使点扩散函数更接近理想的狄拉克函数,从而实现低频声源的定位。（2）发展了基于非同步测量的贝叶斯推断算法,通过贝叶斯推断求解基于非同步测量的能量传播模型,获得高分辨率的声源定位结果。针对常规波束形成的低分辨率问题,本文提出了能量传播模型和卷积模型的概念,将常规波束形成的声源定位结果建模为能量的精确解和能量传播矩阵线性相乘的形式。能量传播模型是一个实数域的适定线性方程,求解能量传播模型能够得到更加精确的声源定位结果。在声源定位问题中,通常采用解卷积方法和正则化方法求解能量传播模型,但是解卷积类算法未考虑噪声的影响,正则化类方法的正则化参数需要根据特定的声学场景进行调整,不具有自适应性。本文提出的贝叶斯推断方法,既考虑了噪声的影响,又具有足够的鲁棒性。尤其是在非同步测量的框架下,面对互谱填充误差和加性噪声的双重干扰,贝叶斯算法表现出优于解卷积算法和正则化算法的性能。（3）基于声功率对声源定位算法的能量精度进行研究,并且分别在消声室（自由声场）和工厂车间（非自由声场）对蓝牙音箱和鼓风机系统开展了低频声源定位试验研究。在声功率的试验中,通过半球法获得蓝牙音箱声源的声功率级,并将其与声学成像的声功率级作比较,得到不同声源定位算法的能量特性。在消声室试验中,将非同步测量和贝叶斯推断有效结合,能够在低频、低信噪比的条件下准确获得蓝牙音箱高分辨率的声源定位结果。在工厂车间的鼓风机系统试验中,离心式鼓风机系统的测试结果显示低频线谱的主要贡献来源于出风口、弯管与法兰连接处、蜗壳附近、蜗壳与箱体间隙等位置,这样的声源定位可以辅助机械系统的故障预警和低噪声设计。本文对声源定位的高分辨率算法进行了研究,尤其是旋转机械中广泛存在的低频声源（500～1500Hz）。从测量方式上,采用了基于非同步测量的合成孔径方法,拓宽了声源定位算法的工作频率范围;从反演算法上,提出了兼顾抗噪性和自适应性的贝叶斯推断算法,对基于非同步测量的能量传播模型进行求解。最终通过信号仿真试验、声功率实验、消声室试验以及车间鼓风机系统试验,验证了本文所提出的高分辨率声源定位算法的有效性。对鼓风机等化工设备进行准确的噪声源反演,能够为机械系统的故障预警起到辅助作用,同时也可以为机械系统的消音与降噪设计和状态监测提供技术支持。
关键词：波束形成;高分辨率;声源定位;非同步测量;贝叶斯推断
学科专业：化工过程机械
致谢
摘要
ABSTRACT
符号清单与术语
1 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 声源定位方法
1.2.2 声学测量在旋转机械上的应用
1.3 本文主要研究内容
2 静止单极子声源的传统定位方法
2.1 引言
2.2 静止单极子声源的频域前向模型
2.3 波束形成方法与空间分辨率
2.4 静止单极子声源的能量传播模型
2.5 静止单极子声源的卷积模型
2.6 本章小结
3 静止单极子声源的高分辨率定位方法
3.1 引言
3.2 静止单极子声源的非同步测量方法
3.2.1 非同步测量方法的前向模型
3.2.2 非同步测量的互谱填充算法
3.2.3 非同步测量方法的信号仿真
3.3 基于非同步测量的贝叶斯推断算法
3.3.1 能量传播模型的正则化方法与稀疏先验
3.3.2 能量传播模型的贝叶斯最大后验算法
3.3.3 能量传播模型的变分贝叶斯算法
3.3.4 基于非同步测量的贝叶斯推断算法的信号仿真
3.4 本章小结
4 高分辨率声源定位方法的试验验证
4.1 引言
4.2 声功率试验
4.2.1 试验设置
4.2.2 试验结果与分析
4.3 消声室试验
4.3.1 试验设置
4.3.2 试验结果与分析
4.4 鼓风机试验
4.4.1 试验设置
4.4.2 试验结果与分析
4.5 本章小结
5 总结与展望
5.1 全文工作总结
5.2 主要创新性与应用
5.3 不足与展望
参考文献
作者简历