一种线源等效的不规则面声源几何发散计算方法

摘要

本发明提出一种线源等效的不规则形状面声源几何发散计算方法。方法中，把面声源对接收点的声音辐射能量等价于面声源的各个轮廓线对该接收点的声音辐射能量之和。首先根据声源总声功率相等的原则，将面源总声功率分配到面源的边界轮廓线上；然后针对任一线声源对接收点进行声能计算，整个线声源在接收点的声功率为单位长度源强下接收点的声功率在线源长度上的积分；最后将各轮廓线对接收点的声能进行叠加，得到整个面源对接收点的声音辐射。本发明应用于不规则形状面声源声音几何发散的计算，解决了复杂边界面声源几何发散计算中源强处理复杂、计算精度过低和适用性差的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及面声源声音排放和平面几何技术领域，更具体地，涉及一种线 源等效的不规则面声源几何发散计算方法。

背景技术

近年来，随着人们环境意识的增加，城市声环境质量成为人们越发关注的 问题。声源的振动形成声波并向外传播，声源的简化、特性和声场在空间的分 布随着声源类型的不同而有很大的差异，因此，不同类型声源声音在几何空间 中的发散规律是学者们在研究和工程上都必须要面对的问题。实际生活中声源 的形状复杂多样，很难通过严格的控制按照数学方法对复杂边界声源的声场进 行精确的计算，因此，在实际工程应用中，通常根据声源的形状、接收点和声 源的相对位置以及声音本身的特性对声源进行简化。

对于面声源的声衰减计算，在HJ2.4-2009《环境影响评价技术导则声环境》 中，对尺寸为a×b长方形(b>a)的面声源声衰减计算做出了规定，但导则的 面声源形状局限于矩形，适用性较差。其他面声源声几何发散方法包括了重心 替代法、网格化点源替代法和面源单元积分法等。在重心替代法中，面声源用 位于面源几何重心的点声源替代，这种方法虽然极大简化了计算过程，但计算 结果过于粗糙，不能适用于接收点距离面声源较近的情况。对于网格化点源替 代法，则是把面声源网格化，用一系列位于网格中心的点声源阵列来代替面声 源，这种方法适用于声强分布平均的复杂形状的面声源声发散计算，但当面声 源各部分声辐射功率差异较大时计算出现较大模拟误差，且该方法的声源处理 和声发散计算复杂。而面源单元积分法则通过精确积分法、数值积分法或有限 分割法等竖直方法进行求解，这类方法以任意点为研究对象，通过单元积分的 形式得到面源的辐射情况，方法需要大量的计算，而且在遇到不规则形状的面 声源时，需要结合普适性公式等近似方法来克服精确解无法求得的情况。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种计算精度高、处理 方法简单的一种线源等效的不规则面声源几何发散计算方法，用于不规则几何 边界的面声源对接收点的声能贡献计算。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种线源等效的不规则面声源几何发散计算方法，包含以下步骤：

(a)获取面声源强度、面声源面积、面声源轮廓线周长及面声源总功率等 参数，基于声源总功率相等原则，将面声源总功率分配到面声源的边界轮廓线 上；

(b)根据面声源的几何形状，对面声源的边界轮廓线进行离散化，得到若 干直线段轮廓线，并将每条直线段轮廓线均视为有限长线声源；

(c)获取接收点和声源之间的环境参数，所述环境参数包括：单位面声源 强度、单位等效线声源强度、面声源的面积、面声源轮廓线的周长、线声源的 两个端点、接收点到线声源两端点的夹角、接收点到线声源的垂直距离、离散 后线声源的个数和线声源的长度；

(d)基于获取的环境参数和声功率积分方法，计算每一条线声源在接收点 处的声音辐射能量(声能贡献)；

(e)通过每一条线声源在接收点处的声音辐射能量(声能贡献)叠加计算 得到接收点处的面声源对接收点的声音辐射能量(声能贡献)。

优选地，所述面声源对接收点的声音辐射能量等价于面声源各个轮廓线对 该接收点的声音辐射能量之和。

优选地，所述声源总功率相等的原则，可表示为面源总声功率等于各轮廓 线声功率总和，具体为：式中，Strength_A表示单 位面声源强度，Strength_L表示单位等效线声源强度，A_A表示面声源的面积，C_L表示面声源轮廓线的周长。

优选地，所述步骤(a)中，将面声源总功率分配到面声源的边界轮廓线上， 单位等效线声源强度具体为：式中，Strength_A表 示单位面声源强度，Strength_L表示单位等效线声源强度，A_A表示面声源的面积， C_L表示面声源轮廓线的周长。

优选地，所述步骤(b)中，面声源的边界轮廓线，包括直线段线和弧形线， 具体离散化过程为：对于直线段线，直接形成对应的直线段线声源；对于弧形 线，形成能够用于计算的多条有限长直线段线声源。

优选地，所述步骤(d)中，计算每一条线声源对接收点的声音辐射能量值 具体为：L_L＝10lg(I_L)，式中，L_L为一条线声源对接收点的声音辐射能量值， I_L为此条线声源对接收点的声功率贡献量。

优选地，所述此条线声源对接收点的声功率贡献量，采用声功率积分的方 法进行计算，具体为：式中，I_L为此条线声源 对接收点的声功率贡献量，x₁、x₂分别表示线声源的两个端点，I_x表示任意单位 线源对接收点的声功率贡献，Strength_L表示单位等效线声源强度，θ为接收点到 线源两端点的夹角，d为接收点到线声源的垂直距离。

优选地，所述任意单位线源对接收点的声功率贡献，具体为： 式中，I_x表示任意单位线源对接收点的噪声声功率 贡献，Strength_L表示单位等效线声源强度，x表示线声源的长度，d为接收点到 线声源的垂直距离。

优选地，所述步骤(e)中，面声源对接收点的声音辐射能量，通过各轮廓 线对接收点的声能叠加得到，具体为：$L_A=10\lg \underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{10}^{0.1·L_{Li}}={\mathrm{Strength}}_L+10\lg \underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{{\theta }_i}{2{\mathrm{\pi d}}_i},$式中，L_A表示面声源对接收点的声音辐射能量，L_Li为第i个线声源对接收点的 声能贡献值，Strength_L表示单位等效线声源强度，n表示离散后线声源的个数， θ_i为接收点到第i个线源两端点的夹角，d_i为接收点到第i个线声源的垂直距离。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本方法从考虑面声源几何形状和面积出发，通过对面声源声能辐射的等效 替代，把面声源声能计算转化为易操作且有成熟计算方法的有限长线声源计算。 本方法能够应用于不规则形状面声源声音几何发散计算，有效的解决了工程应 用中不规则面声源声音几何发散计算精度低、处理复杂和适用性差等问题，其 具体表现为：

(1)考虑面声源几何形状的计算方法更加精确合理。相对于重心替代法， 本发明充分考虑了面声源的几何形状，而不是简单的用面声源质心作点声源替 代，能够精确的计算复杂边界对面声源声能发散的影响，更贴合实际情况，计 算精度更高；

(2)本发明在计算面声源几何发散过程中，只需要对面声源的几何边界进 行离散化，离散的单元即直线段边界单元，而不需要对面声源进行网格化分割， 对源强的处理简单，能大大提高面声源声发散计算的效率。

附图说明

图1是本发明流程示意图。

图2是本发明中面源离散化示意图。

图3是本发明中等效线声源和接收点示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供一种线源等效的不规则面声源几何发散计算方法。 通过以下步骤实现：

S100.获取面声源强度、面声源面积、面声源轮廓线周长及面声源总功率 参数，基于声源总功率相等原则，将面声源总功率分配到面声源的边界轮廓线 上；

S110.根据面声源的几何形状，对面声源的边界轮廓线进行离散化，得到 若干直线段轮廓线，并将每条直线段轮廓线均视为有限长线声源；

面声源的边界轮廓，可以包括直线段和弧形，具体离散化过程为：对于直 线段边界，直接形成对应的直线段线声源；对于弧形边界，形成可供现实计算 的多条有限长直线段线声源来代替；

S120.获取接收点和声源之间的环境参数，所述环境参数包括：单位面声源 强度、单位等效线声源强度、面声源的面积、面声源轮廓线的周长、线声源的 两个端点、接收点到线源两端点的夹角、接收点到线声源的垂直距离、离散后 线声源的个数和线声源的长度；

S130.根据线声源的长度、接收点到线源两端点的夹角等参数，基于声功率 积分方法，计算每一条线声源在接收点处的声音辐射能量(声能贡献)；

根据线声源对接收点的声功率贡献计算任意线声源对接收点的声音辐射能 量(声能贡献)。

根据线声源的两个端点区间、贡献任意单位线源对接收点的声功率、单位 等效线声源强度、接收点到线源两端点的夹角和接收点到线声源的垂直距离等 参数，应用声功率积分的方法，计算单个线声源对接收点的声功率贡献量。

根据线声源的长度、单位等效线声源强度和接收点到线声源的垂直距离等 参数，计算任意单位线源对接收点的声功率贡献。

S140.通过每一条线声源在接收点处的声音辐射能量叠加计算得到接收点 处面声源对接收点的声音辐射能量；

根据线声源对接收点的声音辐射能量、单位等效线声源强度、离散后线声 源的个数、接收点到线源两端点的夹角和接收点到线声源的垂直距离等参数， 计算面声源对接收点的声音辐射能量。

实施例1

本发明适用于不规则面声源声音几何发散的计算。面声源对接收点的声音 辐射能量近似的看作面声源各个轮廓线对该接收点的声音辐射能量之和。

首先，根据面声源强度、面声源面积、面声源轮廓线周长及面声源总功率 参数，基于声源总功率相等原则，将面声源总功率分配到面声源的边界轮廓线 上。

面声源总功率等于各轮廓线声功率总和，具体如下式所示：

${10}^{0.1·{\mathrm{Strength}}_A}\times A_A={10}^{0.1·{\mathrm{Strength}}_L}\times C_L$

式中，Strength_A表示单位面声源强度，Strength_L表示单位等效线声源强度， A_A表示面声源的面积，C_L表示面声源轮廓线的周长。

将面源总声功率分配到面源的边界轮廓线上，单位等效线声源强度 Strength_L可按下式进行计算：

${\mathrm{Strength}}_L={\mathrm{Strength}}_A+10\lg \frac{A_A}{C_L}$

式中，Strength_A表示单位面声源强度，A_A表示面声源的面积，C_L表示面声 源轮廓线的周长。

然后，如附图2所示，根据面声源的几何形状，对面声源的边界轮廓线进 行离散化，得到若干直线段轮廓线，并将所有直线段轮廓线均视为有限长线声 源。面声源的边界轮廓，可以包括直线段和弧形，具体离散化过程为：对于直 线段边界，直接形成对应的直线段线声源；对于弧形边界，形成可供现实计算 的多条有限长直线段线声源来代替。

然后，获取接收点和声源之间的环境参数，所述环境参数包括：单位面声 源强度Strength_A、单位等效线声源强度Strength_L、面声源的面积A_A、面声源轮 廓线的周长C_L、线声源的两个端点x₁和x₂、接收点到线源两端点的夹角θ、接 收点到线声源的垂直距离d、离散后线声源的个数n和线声源的长度x。

然后，如附图3所示，根据线声源的长度、接收点到线源两端点的夹角等 参数，基于声功率积分方法，计算每一条线声源在接收点处的声能贡献。

根据线声源对接收点的声功率贡献量，任意线声源对接收点的声能贡献值 L_L可按下式进行计算：

L_L＝10lg(I_L)

式中，I_L为此条线声源对接收点的声功率贡献量。

根据线声源的两个端点区间、任意单位线源对接收点的声功率贡献、单位 等效线声源强度、接收点到线源两端点的夹角和接收点到线声源的垂直距离等 参数，单个线声源对接收点的声功率贡献量I_L可按下式进行计算：

$I_L={\int }_{x1}^{x_2}{I}_x·dx={10}^{0.1·{\mathrm{Strength}}_L}\times \frac{\theta }{2\pi d}$

式中，x₁、x₂分别表示线声源的两个端点，I_x表示任意单位线源对接收点的 声功率贡献，Strength_L表示单位等效线声源强度，θ为接收点到线源两端点的夹 角，d为接收点到线声源的垂直距离。

根据线声源的长度、单位等效线声源强度和接收点到线声源的垂直距离等 参数，任意单位线源对接收点的声功率贡献I_x可按下式进行计算：

$I_x={10}^{0.1·{\mathrm{Strength}}_L}\times \frac{T}{2\pi (d^2+x^2)}$

式中，Strength_L表示单位等效线声源强度，x表示线声源的长度，d为接收 点到线声源的垂直距离。

最后，通过每一条线声源在接收点处的声能贡献叠加计算得到接收点处面 声源对接收点的声能贡献。

根据线声源对接收点的声能贡献值、单位等效线声源强度、离散后线声源 的个数、接收点到线源两端点的夹角和接收点到线声源的垂直距离等参数，可 按下式对面声源对接收点的声能贡献L_A进行计算：

$L_A=10\lg \underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{10}^{0.1·L_{Li}}={\mathrm{Strength}}_L+10\lg \underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{{\theta }_i}{2{\mathrm{\pi d}}_i}$

式中，L_Li为第i个线声源对接收点的声能贡献值，Strength_L表示单位等效 线声源强度，n表示离散后线声源的个数，θ_i为接收点到第i个线源两端点的夹 角，d_i为接收点到第i个线声源的垂直距离。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何 在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发 明的权利要求保护范围之内。