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通信学报 2023年第9期44卷 93-103页

作者：韦娟贺雨涛宁方立西安电子科技大学通信工程学院陕西西安710071 西北工业大学机电学院陕西西安710072

针对声学成像受限于传声器阵列孔径和阵元密度不足,导致在低频、低信噪比条件下声成像分辨率较低的问题,提出一种基于互质位置非同步测量的低频、低信噪比声源高分辨率成像方法。首先,移动原型阵列在互质位置处接收声信号并计算数据缺... 详细信息

针对声学成像受限于传声器阵列孔径和阵元密度不足,导致在低频、低信噪比条件下声成像分辨率较低的问题,提出一种基于互质位置非同步测量的低频、低信噪比声源高分辨率成像方法。首先,移动原型阵列在互质位置处接收声信号并计算数据缺失的互谱矩阵,然后利用改进的加速近端梯度算法对缺省互谱矩阵进行补全,再对补全后的完整互谱矩阵进行矢量化,最后建立虚拟阵列信号模型并求解。仿真结果表明,在低频、低信噪比条件下,所提方法与以往方法相比,具有更低的定位误差、更高的成像分辨率以及更好的鲁棒性和抗噪性。

关键词：声学成像互质位置非同步测量矩阵补全

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基于互质非同步测量的低频声源定位方法研究

基于互质非同步测量的低频声源定位方法研究

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作者：刘钦浙江大学

学位级别：硕士

噪声作为各种机械设备运行工况的检测指标,也是影响设备操作者舒适度的重要因素。机械设备的噪声中往往包含着丰富的有效信息,了解具体噪声分布情况可以用来监控设备运行工况、实施故障预警、辅助设备减振降噪设计等。对于通常由一系列... 详细信息

噪声作为各种机械设备运行工况的检测指标,也是影响设备操作者舒适度的重要因素。机械设备的噪声中往往包含着丰富的有效信息,了解具体噪声分布情况可以用来监控设备运行工况、实施故障预警、辅助设备减振降噪设计等。对于通常由一系列设备、管路组成的复杂机械系统而言,能准确定位异响、确定设备噪声分布意义重大。使用传声器阵列测量声场,不仅可分析设备的噪声振动特性,也可以通过声源定位手段反演噪声分布情况。在实际应用中,虽然机械设备的低频噪声蕴涵丰富的特征频率,但是低频噪声定位方法的性能和空间分辨率受制于阵列的孔径,导致不能准确反演机械设备的低频噪声分布情况。针对该问题,本文围绕低频声源的高分辨声源定位展开研究,主要内容如下:（1）建立了互质非同步测量的频域前向模型、虚拟信号传播模型,针对低频声源定位的空间分辨率受限于阵列孔径问题,虚拟信号传播模型可以在传统非同步测量的基础上再次扩展阵列的合成孔径,最大程度提高空间分辨率。同时互质位置可以为基于经验准则的传统非同步测量的阵列移动形式提供指导原则。在使用同样的传声器阵列,移动次数相同的情况下,传统非同步测量方法能定位的最低频率在800Hz左右,而互质非同步测量方法可以定位到频率为300 Hz左右的声源,且结果更加稀疏。（2）提出了基于互质非同步测量的凸优化和贝叶斯方法来求解虚拟信号传播模型。经典的反卷积算法计算速度慢、抗噪性差。本文提出的基于L1范数正则化的交替方向乘子（ADMM）算法,将一个优化问题拆分成若干小问题同时进行分布式优化,大大提高了计算速度。贝叶斯框架下的方法通过引入稀疏先验并从概率分布的角度描述声场变量,实现了高精度、高抗噪性的目标。基于学生分布的变分贝叶斯近似（VBA）算法利用统计优化的手段,可以得到最稀疏、误差最小的结果。子空间变分贝叶斯（SVB）算法在通过近似矩阵求逆来减少计算量,可以达到最快的计算速度。ADMM算法的精度和速度介于两种贝叶斯方法之间。（3）开展了一系列试验对本文所述方法进行可行性和抗噪性验证,同时测试了三种算法的各项性能。首先,在全消声室这种理想环境中利用扬声器模拟低频点声源,初步验证了所提出方法的可行性。其次,在半消声室中初步验证本文所述方法的抗噪性和可定位的最低频率。最后,在实际工厂中对离心式鼓风机的低频噪声进行定位,准确地获得了风机的噪声分布情况,发现蜗舌结构处噪声最为明显,证明了所提方法在实际应用场景中的性能。本文研究了低频声源定位方法,尤其是对低于1000 Hz的噪声源。从测量方式上,采用了互质非同步测量方法。该方法在传统非同步测量方法的基础上,进一步扩充阵列孔径,提高了空间分辨率。在声学反问题求解算法上,分别采用凸优化算法和贝叶斯算法求解基于虚拟信号传播模型的反问题,实现高分辨、高精度的声学成像。最终通过信号仿真、全消声室试验、半消声室试验、工厂离心式鼓风机试验,验证了本文所述方法的可行性和有效性。

关键词：声源定位波束形成非同步测量高分辨率互质位置正则化

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