识别列车噪声源的声聚焦波束形成技术研究与应用

摘要

要降低城市轨道交通的噪声,必须了解产生噪声的原因,即声源的位置、类别、频率特性等,在认识和掌握其噪声特点及辐射规律的基础上,结合具体情况可以采取相应的降噪措施对列车噪声加以控制。所以对行驶轨道列车声源定位课题进行理论研究及仿真、试验验证具有重要的意义。本文在综合分析和总结前人研究经验的基础上,以行驶轨道列车噪声识别为研究目标,采用理论研究、仿真分析与试验研究相结合的方法,对行驶轨道列车噪声源识别的理论方法和技术进行研究,为复杂大型运动声源识别提供方法依据。本文研究内容及成果主要包括三大部分:首先,研究完成运动声源识别的声聚焦波束形成方法的算法系统。从经典波束形成方法和运动声源声辐射基本原理出发,介绍了行驶轨道列车声场阵列信号分析的基本理论,并研究了通过非线性延时和插值的操作消除信号中所含多普勒效应的操作,然后研究推导了波束形成方法在运动声源识别中的时域算法、频域算法,并且通过去除传声器信号的自相关项,得到改善阵列指向性、提高识别精确度的改进时域算法。其次,通过计算机仿真检验识别算法的有效性。设计满足工程条件的星形传声器稀疏阵列并研究其特性,利用该阵列进行计算机仿真计算,比较不同工况下识别算法的识别效果,对所建立的算法理论进行了全面地逐步地验证,为算法的实际应用提供了依据。最后,利用识别算法对低速地面列车、高架行驶列车噪声识别进行工程应用。结合实验室现有设备及星形阵列,以低速出站轨道列车、高架上行使轨道列车为研究对象,进行噪声识别试验研究,得到了列车主要声源分布情况。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题概述

1.1.1 课题背景

1.1.2 课题目的及意义

1.2 城市轨道交通噪声的声源特性研究

1.2.1 城市轨道交通噪声声源的基本特性

1.2.2 轨道交通噪声的预测分析技术

1.2.3 轨道交通噪声的测量分析技术

1.2.4 轨道交通噪声研究亟待解决的问题

1.3 运动声源定位的研究现状

1.3.1 消除多普勒效应的前处理

1.3.2 声全息方法

1.3.3 阵列信号处理方法

1.4 声全息与阵列信号处理方法特点分析

1.5 本文的研究工作

第二章 波束形成方法及运动声源特性

2.1 引言

2.2 波束形成方法

2.2.1 经典“延时—累加”波束形成思想

2.2.2 波束形成在运动声源识别中需要解决的问题

2.3 运动声源声辐射基本理论

2.3.1 运动学

2.3.2 动力学分析

2.3.3 简谐声源

2.4 本章小结

第三章 识别运动声源的声聚焦波束形成方法研究

3.1 引言

3.2 列车声源模型及列车、传声器时空关系

3.2.1 列车声源模型及空间坐标关系

3.2.2 运动声源与测量点的时空关系

3.3 运动声源辐射场描述及多普勒效应处理

3.4 运动声源定位的波束形成算法研究

3.5 行驶列车噪声场阵列信号重建过程

3.6 本章小结

第四章 识别运动声源的声聚焦波束形成方法的仿真研究

4.1 引言

4.2 传声器阵列设计及特性研究

4.2.1 阵列几何参数

4.2.2 阵列的特性研究

4.3 仿真条件

4.3.1 条件假设

4.3.2 声源面、重建面、阵列的关系

4.3.3 仿真算法实现流程

4.4 算法识别效果比较

4.4.1 相同频率的单频声源的识别

4.4.2 不相同频率的单频声源的识别

4.4.3 含有多个频率成份的噪声源识别

4.4.4 宽带声源的噪声源识别

4.4.5 干扰噪声对波束形成方法识别效果影响研究

4.5 波束形成技术的参数设定

4.6 本章小结

第五章 行驶轨道列车噪声源识别试验研究

5.1 引言

5.2 试验系统

5.2.1 传声器阵列

5.2.2 数据采集系统

5.2.3 激光测速定位装置

5.2.4 信号分析处理与结果显示

5.3 地面低速轨道列车噪声源的识别

5.3.1 试验设定

5.3.2 声源识别效果

5.4 高架轨道列车噪声源的识别

5.4.1 试验设定

5.4.2 声源识别效果

5.5 轨道列车噪声源识别试验结果分析

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间完成的学术论文

攻读硕士期间参与科研情况