阅读说明：本技术 基于机器视觉和全息方法的声场测试分析方法及系统 (Sound field test analysis method and system based on machine vision and holographic method ) 是由 吴海军 李豆 蒋伟康 于 2020-07-06 设计创作，主要内容包括：一种基于机器视觉和全息方法的声场测试分析方法及系统,通过预先采集待测区域的几何形状得到区域网格信息,并结合传声器阵列位置建立阵列与待测区域组成的边界元模型；再以传声器阵列进行声压测量,通过自由场格林函数计算边界元模型中的全息面与重建面之间的阻抗矩阵并采用正则化方法反向求解重建面法向振速,得到声源的精确位置。本发明能够更方便地在噪声环境下重建不规则声源的局部表面振速。(A sound field test analysis method and system based on machine vision and holographic method, through gathering the geometric shape of the area to be measured in advance and getting the regional grid information, and combine the microphone array position to set up the boundary element model that array and area to be measured make up; and then, carrying out sound pressure measurement by using a microphone array, calculating an impedance matrix between a holographic surface and a reconstruction surface in the boundary element model by using a free field Green function, and reversely solving the normal vibration velocity of the reconstruction surface by using a regularization method to obtain the accurate position of the sound source. The invention can more conveniently reconstruct the local surface vibration velocity of the irregular sound source in a noise environment.)

基于机器视觉和全息方法的声场测试分析方法及系统

技术领域

本发明涉及的是一种噪声处理领域的技术，具体是一种基于机器视觉和全息方法的声场测试分析方法及系统。

背景技术

非自由声场环境下的声全息方法可以在机械设备工作现场进行噪声源识别，这对于大型或无法移入消声室的机械设备来说是十分必要的。现有技术有通过基于刚性声学阵列的逆块传递函数法进行声源重构，该技术不需要在全息面上测量质点速度或使用双层声压测量面，只需测量声压值，再根据模态叠加方法计算得到阻抗矩阵，即可重建声源表面振速。但该技术对不规则的声源表面进行局部振速重建时，由于声源表面局部形状很难得到，限制了该方法在工程实践中的应用。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于机器视觉和全息方法的声场测试分析方法及系统，能够更方便地在噪声环境下重建不规则声源的局部表面振速。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于机器视觉和全息方法的声场测试分析方法，通过预先采集待测区域的几何形状得到区域网格信息，并结合传声器阵列位置建立阵列与待测区域组成的边界元模型；再以传声器阵列进行声压测量，通过自由场格林函数计算边界元模型中的全息面与重建面之间的阻抗矩阵并采用正则化方法反向求解重建面法向振速，得到声源的精确位置。

所述的区域网格信息，采用但不限于摄像机在待重建的声源面的预判位置通过扫描几何形状，重建获得区域网格信息。

所述的重建，采用但不限于BundleFusion实时全局的三维重建方法，输入是摄像机采集的RGB-D数据。每11帧组成一个数据块，当获取的帧累计成一个数据块时，先在该数据块内进行特征匹配以及位姿优化，用数据块内的第一帧表示该数据块，所有帧的特征组合在一起表示该数据块内的特征，再将该数据块与之前所有的数据块做匹配。最后的重建结果以网格表示，包括了节点和单元信息。

所述的边界元模型具体为：刚性声学屏蔽罩、声学表面重建区域及其之间的间隙所组成的封闭空腔，其中的测量面的网格基于传声器的位置进行划分，间隙处的网格基于声源重建区域及测量面的网格进行划分。

所述的空腔的表面满足Helmholtz积分方程，具体为： 其中：S_m为测量面，S_v包含了声源面以及测量面和声源面之间的间隙，Q为空腔表面任意一点，p(Q)为Q点处的声压，Q′为空腔表面上一点，G(Q,Q′)为自由场格林函数，n为空腔表面在Q′点处的法线方向，指向空腔的外侧，p(Q′)为Q′点处的声压。

所述的空腔的边界上的声压和速度满足：其中：阻抗矩阵

p_m为测量面上的声压，p_v为声源面和空隙上的声压，z_ll为测量面的自阻抗，z_kl为声源面和空隙处的速度和测量面的声压之间的互阻抗，z_lk为测量面的速度和声源面以及间隙处的声压之间的互阻抗，z_kk为声源面和间隙的自阻抗，v_m为测量面上的速度，即为零，v_v为声源面和间隙处的法向速度，具体为：v_v＝z_lk ^-1p_m。

所述的自由场格林函数

其中：i为虚数单位，k为波数，且k＝ω/c，ω＝2πf为圆频率，f为分析频率，r为Q和Q′点之间的距离。

所述的阻抗矩阵Z＝ikρcH^-1G，其中：

ρ为空气密度，c为声速，δ_QQ′为狄拉克函数，G_QQ′和H_QQ′为Q和Q′点之间的传递系数，G和H为空腔表面所有点之间的系数矩阵，H^-1为系数矩阵H的广义逆。

本发明涉及一种实现上述方法的声场测试分析系统，包括：依次相连的摄像机、声源重构模块、数据采集模块以及传声器阵列，其中：摄像机与声源重构模块连接并传输待重建区域网格信息和传声器阵列位置信息，传声器阵列设置于刚性声学屏蔽罩中并与数据采集模块相连以传输采集的声压信息，声学屏蔽罩沿其法线方向向声源面垂直投影，该投影区域即为声源重建区域，数据采集模块将采集的声压至声源重构模块，声源重构模块对待重建区域网格信息和传声器阵列位置进行整合，然后构建边界元模型并计算阻抗矩阵，对采集声压进行傅里叶变化得到频域声压，最后反向求解重建面法向振速，得到声源的精确位置。

所述的刚性声学屏蔽罩为平面结构且平面上离散地设有多个开孔，开孔的数目与传声器的数目一致，各开孔和各传声器一一对应。

所述的传声器阵列包括多个传声器，各个传声器具体嵌于刚性声学屏蔽罩的对应开孔中，且传声器与屏蔽罩靠近声源一侧的表面平齐安装。

所述的开孔排成a行，每行b个。

所述的刚性声学屏蔽罩和传声器阵列优选通过底座固定并支撑，该底座含有用于调节刚性声学屏蔽罩和传声器阵列竖直方向高度的升降机构。

所述的声源重构模块包括：边界元建模单元、阻抗矩阵计算单元、声压数据处理单元以及声源重建单元，其中：边界元建模单元与阻抗矩阵计算相连并传输边界元模型信息，阻抗矩阵计算单元与声源重建单元相连并传输阻抗矩阵信息，声压数据处理单元与声源重建单元相连并传输频域声压信息。

技术效果

本发明整体解决现有技术无法实现不规则形状声源的局部振速重建；本发明基于机器视觉方法重建声源表面的几何形状，获得刚性声学阵列的位置，从而建立刚性声学屏蔽罩、声学表面重建区域及其之间的间隙所组成的封闭空腔的边界元模型，用于阻抗矩阵的计算。进一步通过优化刚性声学屏蔽罩的结构。采用平面刚性声学屏蔽罩结构，缩短了声源面和传声器阵列之间的距离，一方面能够采集到更高阶数的倏逝波，提高重建分辨率，另一方面能够在一定程度上提高信噪比，从而降低重建误差。

附图说明

图1为本发明测试系统示意图

图2为刚性声学屏蔽罩轴测图；

图3为实施例中声源面与测试装置的位置示意图；

图4为实施例中的重建结果；，其中：1、摄像机，2、传声器阵列，3、刚性声学屏蔽罩，4、底座，5、数据采集模块，6、声源重构模块。

具体实施方式

如图1和图2所示，为本实施例涉及一种噪声环境下基于机器视觉方法和全息方法的声场测试分析系统，包括：摄像机1、传声器阵列2、刚性声学屏蔽罩3、底座4、数据采集模块5和与摄像机1直接连接的声源重构模块6。

所述的传声器阵列2包括多个传声器，刚性声学屏蔽罩3为一平面，平面上离散地设置有多个开孔，开孔的数目与传声器的数目一致，各开孔和各传声器一一对应，传声器嵌于刚性声学屏蔽罩3的对应开孔中，且传声器与刚性声学屏蔽罩3的内表面平齐设置，保证声压采集点的法向振速为零。

所述的开孔，优选为a行，每行b个。

所述的传声器阵列2、数据采集模块5和声源重构模块6依次连接，刚性声学屏蔽罩3和传声器阵列2由底座4固定并支撑。

所述的底座含有用于调节刚性声学屏蔽罩和传声器阵列竖直方向高度的升降机构。

沿刚性声学屏蔽罩3法线方向向声源面垂直投影，该投影区域即为声源重建区域，声学屏蔽罩和声源面之间有一定的间隙。

本实施例涉及上述系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤S1：如图3所示，确定要重建的声源面的预判位置，使用Kinect V2摄像机在重建区域附近扫描，重建扫描区域的几何形状，获得扫描区域的网格信息。

所述的三维重建方法采用BundleFusion算法，该算法是一种实时全局的三维重建方法。BundleFusion算法的基本思想是局部到整体的位姿优化策略。该算法的输入是摄像机采集的RGB-D数据。每11帧组成一个数据块，当获取的帧累计成一个数据块时，先在该数据块内进行特征匹配以及位姿优化，用数据块内的第一帧表示该数据块，所有帧的特征组合在一起表示该数据块内的特征，再将该数据块与之前所有的数据块做匹配。最后的重建结果以三角形网格表示，包括了节点和单元信息。

步骤S2：调节底座的位置，使传声器阵列和刚性声学屏蔽罩正对扫描区域，进行声压测量。并且使用摄像机扫描，获得传声器阵列四个顶点的位置信息。

本实施例中的刚性声学屏蔽罩为一块厚10mm的铝板，长宽分别为300mm和400mm，其上均匀开孔，共8行，每行6列，孔直径为与传声器直径相同。使用摄像机扫描，获得传声器阵列四个顶点的位置信息。

步骤S3：基于上述四个顶点向声源面投影，投影区域即为声源重建区域。

步骤S4：对声源重建区域进行网格优化，提高网格质量。

步骤S5：建立刚性声学屏蔽罩、声源表面重建区域及其之间的间隙所组成的封闭空腔的边界元模型，具体在建立空腔的边界元模型时，测量面的网格基于传声器的位置进行划分，声源面的网格基于三维重建结果得到。

所述的空腔表面满足的Helmholtz积分方程为：

Q,Q′∈S_m∪S_v，其中：S_m为测量面，S_v包含了声源面以及测量面和声源面之间的间隙，Q为空腔表面任意一点，p(Q)为Q点处的声压，Q′为空腔表面上一点，G(Q,Q′)为自由场格林函数，n为空腔表面在Q′点处的法线方向，指向空腔的外侧，p(Q′)为Q′点处的声压。

所述的格林函数具体为：

其中：i为虚数单位，k为波数，且k＝ω/c，ω＝2πf为圆频率，f为分析频率，r为Q和Q′点之间的距离。

所述的阻抗矩阵Z＝ikρcH-G

其中：ρ为空气密度，c为声速，δ_QQ′为狄拉克函数，G_QQ′和H_QQ′为Q和Q′点之间的传递系数，G和H为空腔表面所有点之间的系数矩阵，H^-1为系数矩阵H的广义逆；

所述的空腔边界上的声压和速度间的关系为：其中：

p_m为测量面上的声压，p_v为声源面和空隙上的声压，z_ll为测量面的自阻抗，z_kl为声源面和空隙处的速度和测量面的声压之间的互阻抗，z_lk为测量面的速度和声源面以及间隙处的声压之间的互阻抗，z_kk为声源面和间隙的自阻抗，v_m为测量面上的速度，即为零，v_v为声源面和间隙处的法向速度，具体为：v_v＝z_lk ^-1p_m

步骤S5：基于自由场格林函数计算全息面与重建面之间的阻抗矩阵。

步骤S6：采用正则化方法反向求解重建面法向振速。

本实施例在322Hz下重建结果如图4，此时信噪比为-11dB，重建结果与加速度传感器结果进行比较，误差为11％，能够较精确地重建声源分布。

信噪比

其中p_si表示没有干扰源情况下测得的声压，p_ni为相干噪声源在测量位置产生的声压。

误差其中v_v为重建的声源表面法向振速，v_e为测试得到的声源表面法向振速。

经过具体实际实验，本发明风机外壳表面振速重建的实验结果表明，322Hz下，信噪比为-11dB时表面振速重建误差为11％。

与现有技术相比，本发明采用平面刚性声学屏蔽罩结构，缩短了声源面和传声器阵列之间的距离，一方面能够采集到更高阶数的倏逝波，提高重建分辨率，另一方面能够在一定程度上提高信噪比，从而降低重建误差。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。