拋物面声镜对运动声源信号无多普勒畸变增益采集特性研究
发布时间：2021-08-21 18:40
本文首次发现和理论阐述了抛物面声镜对运动声源信号具有无多普勒畸变增益采集的特性,并通过仿真和初步的实验进行了验证。抛物面声镜可以从信号采集端解决运动声源声信号中存在的多普勒畸变问题和强噪声问题,可有效解决列车轴承道旁声学故障诊断中存在的多普勒畸变和强噪声问题,同时也有望运用于声源定位、噪声评估等涉及运动声源声音采集的领域。具体研究内容如下:（1）理论分析:首先,理论分析了多普勒畸变产生的原理,即多普勒效应是由移动声源和接收器之间的时变距离引起的。其次,分析了影响多普勒畸变程度的因素。最后,详细阐述了抛物面声镜对直线运动声源的无畸变声信号采集机理、信号增益采集机理以及指向性去噪机理。（2）仿真分析:首先,介绍了COMSOL Multiphysics软件声学模块,并建立了“静/动态声源-声镜”仿真模型。然后,通过静态和动态仿真对比分析、有声镜和无声镜情况仿真对比分析,验证了声源在150m/s速度范围内匀速直线运动以及10m/s2匀加速直线运动时,抛物面声镜具备无畸变采集和信号增益采集特性。最后,给出了1000Hz至5000Hz的幅频响应特性曲线。（3）实验验证:首先,通过静态实验和动态实验...
【文章来源】：安徽大学安徽省 211工程院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
列车脱轨事故现场
第一章绪论4时变角度信息实现无参化畸变矫正，但估计的角度仍旧存在误差，甚至会在声源距离麦克风较远处出现角度估计的跳变现象。综上，目前的研究主要集中在后端信号处理环节，在去噪、畸变矫正、声源分离方面产生了较多的研究成果，但往往算法复杂、计算量大、抗噪能力有待提升、部分算法的参数仍然需要人工设置、鲁棒性有待提升。1.4抛物面声镜研究现状多年以来，抛物面声镜常被用作信号的接收器，例如工程上使用的抛物面天线，它被用来接收电磁波信号以提高信噪比，其典型应用如FAST射电望远镜[35]。图1.2500m球反射面射电望远镜（FAST）Figure1.2500msphericalreflectorradiotelescope(FAST)在声学领域，声镜本质上属于一种曲面声障板，而声音在曲面上的聚焦一直是个谜，J.W.S.Rayleigh用了几页篇幅描述了这一现象，其中引用了伦敦圣保罗大教堂的耳语廊和西西里岛锡拉丘兹的狄奥尼修斯之耳[36]，伟大的声学先驱W.C.Sabine在声学背景下对此结构也做了进一步的解释[37]，然而这些解释都只是出现在声学文献中，没有任何定量分析。尽管人们早就知道曲面可以在特定条件下聚集声音,但是这一事实背后的物理现象直到引入了几何声学才得到解释，这种声学使用的就是光束的反射原理。后来声镜逐渐出现在声学领域的应用中，如公元2世纪，罗马的Archigenes博士就提到了一个去噪的耳喇叭，目的是为了检测声源[38]。近年来，声镜还被用于高速列车和汽车的噪声源分布测量[39-41]，特别是在航空声学风洞中，声镜已成为汽车和飞机声辐射探测的首选测量之一，尤其适合使用在喷流空气声学的风洞测试部分对外部气动噪声的测定。
安徽大学硕士学位论文5图1.3(a)以抛物面反射镜作为信号接收器的磁带录音机MaihakMMK1；(b)直径约9米的声镜Figure1.3(a)TaperecorderMaihakMMK1withparabolicreflectorassignalreceiver;(b)acousticmirrorwithadiameterofabout9meters关于抛物面声镜在声学领域中的实际应用始于1920年，它被用于军事中对敌机声源的定位。1950年，当第一台电池供电的录音机出现时，抛物面声镜被用于野生动物的声音录制[42]。近年来，抛物面声镜被广泛应用于声音采集、声源检测等领域，KentaNiwa等人设计了一种由96个麦克风和12个抛物面声镜组成的阵列来采集远距离声音信号[43-44]；Aumann等人设计了一种小型抛物面声镜用于采集蜂箱中蜜蜂的嗡嗡声以监测箱内蜜蜂状态[45]。Fan等人针对医疗超声成像的需求，研究了一种组装式宽频响应的三维抛物面声镜，并指出抛物面声镜的频率响应与几何参数之间存在密切关系[46]；Kovandi等人利用8个空间分布抛物面声镜来捕获近场运动声源，实现声源运动轨迹跟踪[47]。Ito等人利用抛物面声镜聚焦特性实现了对20KHz声波的汇聚增强采集，结果表明抛物面声镜能从50W功率振源收集到15,000Pa强度的信号[48]。Chen等人利用抛物面声镜增强光声信号，实现远距离爆炸物安全检测，在使用声镜之后将检测距离从8英寸提升到8英尺[49]。Joshua等人使用抛物面声镜采集器增强化学物光声信号，使用了声镜之后获得了10dB以上的信噪比[50]。Tsai等人理论研究和仿真分析了平面声波在抛物面声镜上的反射汇聚声场，对焦点汇聚信号的声学特性进行了研究[51]。Dai等人利用抛物面声镜提升Lamb波的高信噪比采集，大幅降低了环境噪声的干扰[52]。国内方面，徐在国等人研究了抛物面声镜的开口面积和深度对声波的频率响应，用于提高拾音器的拾音距离[53]。何旭东?
【参考文献】：
期刊论文
[1]滚动轴承安全域建模方法及其在高速列车异常检测中的应用[J]. 刘志亮,刘仕林,李兴林,康金龙,彭兴. 机械工程学报. 2017(10)
[2]抛物面镜球面波反射声场特性的理论研究[J]. 张军,陈鹏,陈正武,赵云,曾新吾. 振动与冲击. 2016(17)
[3]轨道车辆故障诊断研究进展[J]. 刘志亮,潘登,左明健,李兴林. 机械工程学报. 2016(14)
[4]一种利用抛物面聚焦提高传声器灵敏度的方法[J]. 徐新国. 电声技术. 2015(01)
[5]强脉冲干扰非线性混叠转子故障信号分离[J]. 苗锋,赵荣珍. 振动.测试与诊断. 2014(04)
[6]运动声源多普勒畸变信号的一种时域校正方法[J]. 刘方,何清波,沈长青,胡飞,张翱,孔凡让. 声学学报. 2014(02)
[7]货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统的应用与管理[J]. 王德明,肖井波. 铁道机车车辆. 2012(04)
[8]131公里时速悲剧的背后——“4.28”胶济铁路特别重大交通事故调查[J]. 袁正兵. 法制与经济(上半月). 2008(06)
[9]环形相控阵换能器辐射和反射声场[J]. 赖溥祥,张碧星,汪承灏. 声学学报. 2007(03)
[10]我国安全生产(含安全制造)的科学发展若干问题[J]. 钟群鹏,张峥,有移亮. 机械工程学报. 2007(01)
博士论文
[1]非平稳运行时列车轮对轴承道旁声学故障诊断方法研究[D]. 刘方.中国科学技术大学 2014
[2]基于道旁声学信号的列车滚动轴承故障诊断技术研究[D]. 吴强.中国科学技术大学 2013
本文编号：3356130
【文章来源】：安徽大学安徽省 211工程院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
列车脱轨事故现场
第一章绪论4时变角度信息实现无参化畸变矫正，但估计的角度仍旧存在误差，甚至会在声源距离麦克风较远处出现角度估计的跳变现象。综上，目前的研究主要集中在后端信号处理环节，在去噪、畸变矫正、声源分离方面产生了较多的研究成果，但往往算法复杂、计算量大、抗噪能力有待提升、部分算法的参数仍然需要人工设置、鲁棒性有待提升。1.4抛物面声镜研究现状多年以来，抛物面声镜常被用作信号的接收器，例如工程上使用的抛物面天线，它被用来接收电磁波信号以提高信噪比，其典型应用如FAST射电望远镜[35]。图1.2500m球反射面射电望远镜（FAST）Figure1.2500msphericalreflectorradiotelescope(FAST)在声学领域，声镜本质上属于一种曲面声障板，而声音在曲面上的聚焦一直是个谜，J.W.S.Rayleigh用了几页篇幅描述了这一现象，其中引用了伦敦圣保罗大教堂的耳语廊和西西里岛锡拉丘兹的狄奥尼修斯之耳[36]，伟大的声学先驱W.C.Sabine在声学背景下对此结构也做了进一步的解释[37]，然而这些解释都只是出现在声学文献中，没有任何定量分析。尽管人们早就知道曲面可以在特定条件下聚集声音,但是这一事实背后的物理现象直到引入了几何声学才得到解释，这种声学使用的就是光束的反射原理。后来声镜逐渐出现在声学领域的应用中，如公元2世纪，罗马的Archigenes博士就提到了一个去噪的耳喇叭，目的是为了检测声源[38]。近年来，声镜还被用于高速列车和汽车的噪声源分布测量[39-41]，特别是在航空声学风洞中，声镜已成为汽车和飞机声辐射探测的首选测量之一，尤其适合使用在喷流空气声学的风洞测试部分对外部气动噪声的测定。
安徽大学硕士学位论文5图1.3(a)以抛物面反射镜作为信号接收器的磁带录音机MaihakMMK1；(b)直径约9米的声镜Figure1.3(a)TaperecorderMaihakMMK1withparabolicreflectorassignalreceiver;(b)acousticmirrorwithadiameterofabout9meters关于抛物面声镜在声学领域中的实际应用始于1920年，它被用于军事中对敌机声源的定位。1950年，当第一台电池供电的录音机出现时，抛物面声镜被用于野生动物的声音录制[42]。近年来，抛物面声镜被广泛应用于声音采集、声源检测等领域，KentaNiwa等人设计了一种由96个麦克风和12个抛物面声镜组成的阵列来采集远距离声音信号[43-44]；Aumann等人设计了一种小型抛物面声镜用于采集蜂箱中蜜蜂的嗡嗡声以监测箱内蜜蜂状态[45]。Fan等人针对医疗超声成像的需求，研究了一种组装式宽频响应的三维抛物面声镜，并指出抛物面声镜的频率响应与几何参数之间存在密切关系[46]；Kovandi等人利用8个空间分布抛物面声镜来捕获近场运动声源，实现声源运动轨迹跟踪[47]。Ito等人利用抛物面声镜聚焦特性实现了对20KHz声波的汇聚增强采集，结果表明抛物面声镜能从50W功率振源收集到15,000Pa强度的信号[48]。Chen等人利用抛物面声镜增强光声信号，实现远距离爆炸物安全检测，在使用声镜之后将检测距离从8英寸提升到8英尺[49]。Joshua等人使用抛物面声镜采集器增强化学物光声信号，使用了声镜之后获得了10dB以上的信噪比[50]。Tsai等人理论研究和仿真分析了平面声波在抛物面声镜上的反射汇聚声场，对焦点汇聚信号的声学特性进行了研究[51]。Dai等人利用抛物面声镜提升Lamb波的高信噪比采集，大幅降低了环境噪声的干扰[52]。国内方面，徐在国等人研究了抛物面声镜的开口面积和深度对声波的频率响应，用于提高拾音器的拾音距离[53]。何旭东?
【参考文献】：
期刊论文
[1]滚动轴承安全域建模方法及其在高速列车异常检测中的应用[J]. 刘志亮,刘仕林,李兴林,康金龙,彭兴. 机械工程学报. 2017(10)
[2]抛物面镜球面波反射声场特性的理论研究[J]. 张军,陈鹏,陈正武,赵云,曾新吾. 振动与冲击. 2016(17)
[3]轨道车辆故障诊断研究进展[J]. 刘志亮,潘登,左明健,李兴林. 机械工程学报. 2016(14)
[4]一种利用抛物面聚焦提高传声器灵敏度的方法[J]. 徐新国. 电声技术. 2015(01)
[5]强脉冲干扰非线性混叠转子故障信号分离[J]. 苗锋,赵荣珍. 振动.测试与诊断. 2014(04)
[6]运动声源多普勒畸变信号的一种时域校正方法[J]. 刘方,何清波,沈长青,胡飞,张翱,孔凡让. 声学学报. 2014(02)
[7]货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统的应用与管理[J]. 王德明,肖井波. 铁道机车车辆. 2012(04)
[8]131公里时速悲剧的背后——“4.28”胶济铁路特别重大交通事故调查[J]. 袁正兵. 法制与经济(上半月). 2008(06)
[9]环形相控阵换能器辐射和反射声场[J]. 赖溥祥,张碧星,汪承灏. 声学学报. 2007(03)
[10]我国安全生产(含安全制造)的科学发展若干问题[J]. 钟群鹏,张峥,有移亮. 机械工程学报. 2007(01)
博士论文
[1]非平稳运行时列车轮对轴承道旁声学故障诊断方法研究[D]. 刘方.中国科学技术大学 2014
[2]基于道旁声学信号的列车滚动轴承故障诊断技术研究[D]. 吴强.中国科学技术大学 2013
本文编号：3356130
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