一种基于强迫声振分量分析的降噪方法

1.本发明属于减振降噪领域，具体涉及一种基于强迫声振分量分析的降噪方法。

背景技术：

2.目前减振降噪的方式主要是对通过抑制结构振动从而达到降噪的目的。该方法认为其声音由振动引起，只要抑制结构振动就能达到降噪的目的。然而这种降噪思路是片面的，尽管声音是由振动引起的，但并不是所有振动都能有效发声(此处有效发声是指辐射到远场的声音)。
3.实际工程应用中多采用模态分析方法进行振动与噪声的抑制，该方法对于减振是可行的。模态分析体现的是结构激励与振动响应之间的关系，却并未建立振动响应与声辐射之间的联系。因此采用模态分析方法对声辐射进行抑制无法获得最经济有效的降噪方案。因此，需要对振动响应与声辐射之间的关系进行研究，对有效发声的振动分量进行抑制即可实现降噪。通过对声振传递函数矩阵进行奇异值分解从而获得不同强迫声振分量的贡献量大小，随后针对主要发声的强迫声振分量进行降噪处理。该方法能明显提高降噪的效率，节约降噪的成本。
4.目前，针对减振降噪的研究主要集中在噪声声源的分析方面，例如中国发明专利申请号202010747020.0，专利名称为“一种基于声源贡献分析的变电站降噪方案”，提出了一种通过噪声源源强、位置确定贡献度函数，进而根据各声源的贡献值大小，确定治理措施。例如中国发明专利申请号201811081485.6，专利名称为“考虑截面声能量分布的管道降噪方法”，分析入射声波的频谱和模态信息，在管道内壁布置吸声材料，再对降噪方案进行不断优化，得到最终方案。例如中国发明专利申请号202010103634.5，专利名称为“一种注水泵房噪声控制方法”，采用网格布点法测试注水泵房内部的噪声，确定对应的超标量，进行降噪方案设计。

技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的技术问题，提供一种基于强迫声振分量分析的降噪方法。本发明的方法可以提高降噪的效率，节约降噪的成本。
6.本发明的一种基于强迫声振分量分析的降噪方法，包括以下步骤：
7.步骤1：根据实验或者数值方法获得结构振动与声辐射之间的传递函数，从而获得振动-声传递函数矩阵；
8.步骤2：对上述传递函数矩阵进行奇异值分解，并对奇异值按照从大到小进行排序，获得对结构声辐射贡献量较大的振动分量；
9.步骤3：对贡献量较大的振动分量进行抑制，制定针对性降噪方案，实现降噪。
10.其有益效果是，对振动-声传递函数进行奇异值分解可以区分有效发声的强迫振动分量，进行降噪时无须对整个系统振动的振幅进行抑制，只需在有效发声的强迫振动分量的位置进行抑制即可。
11.进一步地，步骤1中结构表面法向振速与辐射声压之间的传递函数进行进一步阐释，通过以下公式计算获取：
[0012][0013]
上式为声压方程。其中ω表示激励源的角频率，x表示场点位置，下标s表示场点数目，表示辐射声压向量，表示结构表面法向振速向量。表示结构表面法向振速与辐射声压之间的传递函数矩阵，可通过实验或者数值方法获得。
[0014]
进一步地，步骤1中声辐射参数也可以是声功率，对声功率方程进行进一步阐释，通过以下公式计算获取：
[0015][0016]
其中表示结构表面法向振速与声功率之间的传递函数矩阵，代表了噪声源表面对周围流体介质的声功率辐射效率。并非所有的结构振动分量都能有效发声，为了达到减振降噪的目的，只需要抑制有效发声的振动分量即可，因此对代表噪声声功率辐射效率的传递函数进行进一步研究。
[0017]
进一步地，步骤2中对传递函数进行奇异值分解进行进一步阐释，对传递函数或进行奇异值分解。以声功率方程中涉及的传递函数矩阵为例进行说明。对进行奇异值分解，可得声功率方程为：
[0018][0019]
其中，奇异值分解获得左酉矩阵[u]s×s、右酉矩阵[v]s×s和对角矩阵[σ]s×s。这一步利用奇异值分解方法把结构振动和声功率辐射联系起来，进行进一步探究。
[0020]
进一步地，步骤2中获得结构振动贡献量较大的振动分量进行进一步阐释：右酉矩阵[v]s×s每一列代表整个结构振动的一个分量，相应的对角矩阵[σ]s×s形式如下：
[0021][0022]
其中，σ1＞σ2＞
…
＞σs，矩阵中奇异值σs表示该分量的声辐射强度。
[0023]
若关心的声辐射参数为场点辐射声压，则需要对声压方程中的传递函数矩阵进行奇异值分解，然后根据奇异值排序进行辐射声压的抑制。其原理与上述声功率的抑制类似。
[0024]
本发明将整个振源表面上的结构振动分布归结为多个相互正交的分量。由于结构振动是特定激励的受迫响应，这种受迫响应与频率有关，从而导致声辐射，因此这些正交分量被称为强迫声振分量。奇异值与强迫声振分量属于一一对应的关系。针对奇异值进行排序，奇异值越大说明强迫声振分量对结构振动发声的贡献量越大。
[0025]
进一步地，步骤3中根据贡献量大小制定降噪方案进行进一步阐释：根据奇异值排序结果，对贡献量大的强迫声振分量进行降噪处理来取代整体降噪方法。其有益效果是，根
据奇异值σs大小可以区分有效发声的强迫声振分量，进行降噪时无须对整个系统振动的振幅进行抑制，只需在有效发声的强迫振动分量的位置进行抑制即可。
附图说明
[0026]
图1为本发明的降噪流程图；
[0027]
图2为本发明对噪声传递函数进行奇异值分解的示意图。
具体实施方式
[0028]
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
[0029]
参见图1，本发明首先根据结构振动得到的法向表面速度与辐射声压建立传递函数，并将其代入声功率方程；利用奇异值分解的方法对声功率方程中的传递函数进行分析，获得对结构振动贡献量较大的振动分量；根据贡献量大小制定降噪方案，并进行降噪，结果符合降噪的评价标准，则完成减振降噪。
[0030]
具体地，利用实验测试方法或数值计算方法辐射声压与法向振速之间的关系：
[0031][0032]
上式为声压方程。其中ω表示激励源的角频率，x表示场点位置，下标s表示场点数目，表示辐射声压向量，表示结构表面法向振速向量。表示结构表面法向振速与辐射声压之间的传递函数矩阵，可通过实验或者数值方法获得。
[0033]
结构辐射的声功率可通过下面公式获得：
[0034][0035]
其中，δs表示声源表面的数值离散单元面积，ρ0是流体介质密度，c表示声音在流体中的传播速度，re表示取实部，上标h表示hermitian变换。
[0036]
由于法向振速随距离衰减很快，因此声功率可转化为下式：
[0037][0038]
再者，根据声压方程可以将上式化为：
[0039][0040]
其中
[0041][0042]
表示结构表面法向振速与声功率之间的传递函数矩阵，代表了噪声源表面对周围流体介质的声功率辐射效率。并非所有的结构振动分量都能有效发声，为了达到减振降噪的目的，只需要抑制有效发声的振动分量即可，因此对代表噪声声功率辐射效率的传递函数进行进一步研究。
[0043]
下面以声功率的抑制作为目标说明本发明提出的降噪方法，辐射声压的抑制原理与之类似。
[0044]
参见图2，对传递函数矩阵进行奇异值分解，可得声功率为：
[0045][0046]
其中，奇异值分解获得左酉矩阵[u]s×s、右酉矩阵[v]s×s和对角矩阵[σ]s×s。这一步利用奇异值分解方法把结构振动和声功率辐射联系起来，进行进一步探究。
[0047]
再者，根据奇异值大小进行排序，计算并对比不同强迫声振分量的时间平均声功率的贡献值大小，针对贡献值大的噪声分量进行降噪处理。右酉矩阵[v]s×s每一列代表整个结构振动的一个分量，相应的对角矩阵[σ]s×s形式如下：
[0048][0049]
其中，σ1＞σ2＞
…
＞σs，矩阵中奇异值σs表示该分量的声辐射强度。
[0050]
若关心的声辐射参数为场点辐射声压，则需要对声压方程中的传递函数矩阵进行奇异值分解，然后根据奇异值排序进行辐射声压的抑制。其原理与上述声功率的抑制类似。
[0051]
本发明实施中将整个振源表面上的结构振动分布归结为多个相互正交的分量。由于结构振动是特定激励的受迫响应，这种受迫响应与频率有关，从而导致声辐射，因此这些正交分量被称为强迫声振分量。奇异值与强迫声振分量属于一一对应的关系。针对奇异值进行排序，奇异值越大说明强迫声振分量对结构振动发声的贡献量越大。
[0052]
之后，根据排序结果，对贡献量大的强迫声振分量进行降噪处理来取代整体降噪方法。其有益效果是，根据奇异值σs大小可以区分有效发声的强迫声振分量，进行降噪时无须对整个系统振动的振幅进行抑制，只需在有效发声的强迫声振分量的位置进行抑制即可。
[0053]
最后，将降噪后结构的声功率级(或声压级)和降噪前的声功率级(或声压级)进行对比，声功率级(或声压级)减小，则成功降噪。
[0054]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于强迫声振分量分析的降噪方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据实验或者数值方法获得结构振动与声辐射之间的声压方程与声功率方程，从而获得振动-声传递函数矩阵；步骤2：对上述振动-声传递函数矩阵进行奇异值分解，并对奇异值按照从大到小进行排序，获得对结构声辐射贡献量较大的振动分量；步骤3：对贡献量较大的振动分量进行抑制，制定针对性降噪方案，实现降噪。2.如权利要求1所述的一种基于强迫声振分量分析的降噪方法，其特征在于，步骤1中结构表面法向速度与辐射声压之间的关系可通过以下公式描述：上式为声压方程，其中ω表示激励源的角频率，x表示场点位置，下标s表示场点数目，表示辐射声压向量，表示结构表面法向振速向量，表示结构表面法向振速与辐射声压之间的传递函数矩阵，通过实验或者数值方法获得。3.如权利要求1所述的基于强迫声振分量分析的降噪方法，其特征在于，声功率方程可表述为：其中，
△
s表示在数值离散化中声源表面，ρ0是流体介质密度，c表示声音在流体中的传播速度，re表示取实部。表示声功率方程的传递函数，即振动-声传递函数矩阵，代表了噪声源表面对周围流体介质的声功率辐射效率。4.如权利要求1所述的一种基于强迫声振分量分析的降噪方法，其特征在于，步骤2中利用奇异值分解的方法对振动-声传递函数矩阵进行分析的具体步骤如下：对传递函数进行奇异值分解，得到声功率为：对传递函数进行奇异值分解后可得左酉矩阵[u]
s
×
s
、右酉矩阵[v]
s
×
s
和对角矩阵[∑]
s
×
s
。5.如权利要求1所述的一种基于强迫声振分量分析的降噪方法，其特征在于，步骤2中对结构声辐射贡献量较大的振动分量具体为：右酉矩阵[v]
s
×
s
每一列代表整个结构振动的一个分量，相应的对角矩阵[∑]
s
×
s
形式如下：其中，σ1>σ2>
…
>σ
s
，矩阵中奇异值σ
s
表示该分量的声辐射强度，将整个振源表面上的结构振动分布归结为多个相互正交的分量，这些正交分量被称为强迫声振分量，奇异值与强迫声振分量属于一一对应的关系，将奇异值按照由大到小进行排序，奇异值越大说明强迫声振分量对结构声辐射的贡献量越大。
6.如权利要求1所述的一种基于强迫声振分量分析的降噪方法，其特征在于，步骤3中根据贡献量大小制定降噪方法具体为：根据奇异值排序结果，可确定每个奇异值所对应的强迫声振分量的贡献量占比，当强迫声振分量的贡献量占比较高时，则选定相应奇异值对应的强迫声振分量作为需要进行降噪优化的分量，根据选定的强迫声振分量可以确定噪声源有效发声的具体位置，并实施针对性的降噪措施，在降噪过程中，采用对有效发声的位置进行局部降噪的方法来取代目前通用的抑制整个噪声源振动的降噪方法。

技术总结

本发明具体涉及一种基于强迫声振分量分析的降噪方法，包括以下步骤：根据实验或者数值方法获得结构表面法向振速与辐射声压之间的传递函数，构建振动-声传递函数矩阵；对振动-声传递函数矩阵进行奇异值分解，从而获得强迫声振分量，分析比较各分量对结构辐射声压的贡献量；根据贡献量大小制定针对性强的降噪方案，实现结构噪声的减小。本发明可以揭示产生声辐射的主要振动分量，进而根据强迫声振分量贡献值的大小有针对性的提出降噪方案。上述方法对于声功率同样适用，在获取声功率与结构表面法向振速之间的传递函数矩阵后，采用强迫声振分量分析进行降噪。声振分量分析进行降噪。声振分量分析进行降噪。