基于粒子滤波的局部声场重建方法

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准确识别噪声源是控制噪声污染的关键。局部近场声全息(Patch Near-field Acoustic Holography,PNAH)作为一种噪声源识别、定位及可视化技术而备受关注,其中,波叠加法因具有适用范围广、计算简单等优点,而逐渐成为领域的研究热点。为解决波叠加法中等效源配置的不确定性及求解过程中的不适定问题,本文研究两种基于粒子滤波的局部声场重建方法。第一种方法从逆向求解声学问题的角度出发,提出利用粒子滤波算法制定和优化等效源配置策略,进而通过正则化实现局部声场的高精度重建;第二种方法从正向求解声学问题的角度出发,利用粒子滤波算法估计等效源的强度和位置,避免了逆向求解过程中的不适定问题。本文具体研究内容如下:(1)研究波叠加法局部近场声全息。针对类球形型声源,分析两种不同的等效源配置策略对声场重建精度的影响,并讨论两种策略的优缺点。研究发现:与平面配置策略相比,球面等效源配置可有效提高类球型声场的重建精度,证明等效源配置的重要性。(2)针对声源位置未知情况下的等效源配置不确定问题,提出基于3D-BMUSIC和波叠加的联合局部声全息方法。推导了3D-BMUSIC算法模型,建立联合局部声全息方法;仿真与实验分析表明,该方法在1300~3000Hz频率范围内,可有效定位声源三维位置,提升声场重建精度。(3)为提升3D-BMUSIC算法对中低频声源的定位精度,提出基于粒子滤波的联合局部声全息方法。该方法通过转动全息面和粒子滤波提升声源定位精度,优化等效源配置策略;仿真和实验分析表明:在100~1500Hz频段内,利用3D-BMUSIC算法初步估计声源位置的基础上,粒子滤波算法能够更加准确的定位声源位置,得到更准确的声场重建结果。(4)为避免求解逆问题的不适定性,研究基于粒子滤波的局部声场重建方法。在波叠加框架下的建立系统模型,利用基于贝叶斯理论的粒子滤波器估计等效源的强度和位置,进而实现局部声场的重建。仿真和实验分析表明:在声源位置已知和未知两种情况下,PF-WSM均可以较好地重建局部声场。本文从波叠加法中等效源配置的不确定性及求解过程中的不适定问题出发,提出两种基于粒子滤波的局部声场重建方法,仿真和实验分析证明所提方法有效性,研究成果具有一定的理论意义和工程价值,有利于声全息技术的推广与应用。
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