基于等效源法和双面质点振速测量的声场分离方法

目前基于等效源法的声场分离方法有两种输入方式, 一种以双测量面上的声压为输入, 另一种以单测量面上的声压和质点振速为输入. 本文以双测量面上的质点振速为输入, 提出一种新的基于等效源法的声场分离方法. 首先给出了该方法的理论推导, 然后通过数值仿真和实验验证了该方法的有效性. 通过与基于双面声压测量的声场分离方法的比较, 证明了该方法在分离质点振速方面的优越性. 此外, 在仿真中还研究了干扰声源强度和测量面间距对分离精度的影响. 关键词： 声场分离 质点振速测量 等效源法 近场声全息     

基于声压-振速测量的单面声场分离技术

在近场声全息技术的基础上,研究了基于声压-质点振速测量的单面声场分离技术.分析了现有基于Fourier变换的单面声场分离技术中的奇异性问题,并应用波数域谱平均法提出了去除奇异性的修正声场分离公式.为改善分离效果,减小由于Fourier变换引起的卷绕误差等因素的影响,基于统计最优近场声全息提出了一种新的单面声场分离方法.通过仿真分析对各种单面声场分离方法做了比较,并用Microflown公司的声强探头做了基于声压-振速测量的单面声场分离实验研究,验证了提出的修正公式和基于统计最优单面声场分离方法的正确性和有效性. 关键词： 声场分离 近场声全息 统计最优 Fourier变换     

用于空气声测量的质点振速传感器

矢量传声器的核心组成器件是质点振速传感器,该传感器具有与频率无关的‘8'字指向性。本文在分析空气声质点振速传感器工作原理基础上,采用数值分析方法系统研究了质点振速传感器中敏感头桥式结构尺寸、热扩散和材料比热容等参数对频率响应的影响,着重分析了质点振速传感器最优灵敏度和低通滤波器效应。根据优化设计结果,采用MEMS工艺技术加工出敏感头桥式结构,并测试了0℃条件下Pt的电阻值R和热阻温度系数θ,以及传感器的频响曲线和‘8'指向性。实验结果表明:空气声质点振速传感器具有良好的声学性能。     

用于空气声测量的质点振速传感器

矢量传声器的核心组成器件是质点振速传感器,该传感器具有与频率无关的‘8'字指向性。本文在分析空气声质点振速传感器工作原理基础上,采用数值分析方法系统研究了质点振速传感器中敏感头桥式结构尺寸、热扩散和材料比热容等参数对频率响应的影响,着重分析了质点振速传感器最优灵敏度和低通滤波器效应。根据优化设计结果,采用MEMS工艺技术加工出敏感头桥式结构,并测试了0℃条件下Pt的电阻值R和热阻温度系数θ,以及传感器的频响曲线和‘8'指向性。实验结果表明:空气声质点振速传感器具有良好的声学性能。     

双面声场反向神经网络声压外推分离

针对有限测量孔径造成的窗效应和离散传声器阵列带来的卷绕误差对双面声场分离技术的影响,提出了一种利用反向传播神经网络的全息面声压外推方法。该方法首先利用孔径内部测点平面坐标和相应声压值组成的学习样本训练神经网络,拟合出两者的函数关系。接着代入孔径外部测点坐标得到对应声压值,实现有限孔径外推。最后将已有测量值和外推测量值组成的虚拟大孔径导入双面声场分离处理。与传统外推方法相比,该方法不需要先验知识,操作简单,计算抗干扰能力强,结果准确性高。数值仿真和实验进一步验证了该方法在改善声场分离结果方面的可行性和有效性。     

浅海声场垂直振速与水平振速相关特性及应用

基于矢量水听器记录的质点振速信号,研究了浅海声场垂直振速与水平振速的相关特性,理论与仿真结果表明记录的垂直振速与水平振速的相关系数是矢量水听器俯仰角度的函数,矢量水听器不发生俯仰时二者的相关系数约为零。基于上述特点,提出了一种利用矢量水听器记录信号自适应校正矢量水听器俯仰姿态的方法,实验结果表明,该方法能有效校正矢量水听器俯仰姿态。     

基于矢量水听器的声压和质点振速的空间相关系数

矢量水听器同步测量声场空间一点处的声压和质点振速的三个正交分量,由此得到的幅度和相位信息有利于改善声呐的检测和估计性能。对三维球形各向同性噪声场中声压和质点振速的时空相关性本文进行了研究,推导了矢量水听器的噪声协方差矩阵的理论表达式;给出了矢量水听器水平线阵和垂直线阵的协方差矩阵;研究单个矢量水听器的噪声协方差矩阵,并给出了浅海近岸水域的试验结果;利用上述理论结果推导了矢量水听器阵列的声能流阵增益。     

质点振速传感器直线阵超指向性波束形成*

声矢量传感器及其组阵方式的研究已成为水声领域的热门课题。该文研究了当单自由度矢量传感器（质点振速传感器）的观测方向沿直线阵轴线方向时的空间均匀噪声场中两阵元的噪声相关系数,然后采用Gram-Schmidt模态波束分解与综合方法推导了高阶超指向性的最优解,得到了直线阵端射方向的指向性指数和稳健性水平。仿真研究表明,当d / λ < 0.5 (d为阵元间距,λ为波长)时,质点振速传感器直线阵（简称质点振速阵）采用超指向性方法在端射方向的指向性指数略高于声压传感器直线阵（简称声压阵）;而当d / λ > 0.5时,质点振速阵的指向性指数远远高于声压阵。该文的研究内容对水下声纳系统中质点振速传感器的有效组阵和实际应用具有一定的参考价值。     

匹配垂直质点振速的浅海地声参数反演

海底声学参数对海洋波导中的声场特性研究和相关应用具有重要意义。针对一次夏季黄海声传播实验,分析了浅海负跃层环境下垂直质点振速的传播特性和简正波结构,说明当声源和接收器均位于负跃层下时,除海底附近外的大部分深度上垂直质点振速能量较高,且与声压相比,号数高的简正波对垂直质点振速的贡献更大,利用垂直质点振速进行匹配场反演能获得更高的海底参数敏感性。分析了海底吸收系数对垂直质点振速匹配场反演的影响,结果表明只有当进行匹配场反演时设置的海底吸收系数接近真实值时,才能获得准确的海底声速、密度和海深反演结果。利用实验中矢量水听器获取的垂直质点振速信号进行匹配场反演,将海底吸收系数在变化范围内取不同值对海底声速、密度和平均海深进行全局搜索,根据代价函数值最大确定了海底声速、密度及平均海深的反演结果,并利用不同距离上的声压传播损失反演出不同频率下的海底吸收系数。根据反演得到的海底声学参数计算声压传播损失,与实验中声压水听器测量结果符合较好。     

一种热对流式MEMS二维质点振速传感器

由空气质点振速传感器和声压传感器组成的矢量传声器是测量声场空间信息的重要方式。本文设计了一种新型热对流式二维质点振速传感器,不同于传统平行线式传感机制,该器件由多线进行交叉连结形成一个中央十字加热器和四个直角测温线,构成新的局域加热和温度传感方式,基于此设计能够获得更高的灵敏度并具有理想的正交性。通过数值分析对其传感机制进行了详细分析,并使用MEMS工艺进行器件制备和性能验证。实验结果表明,该器件具有良好的响应灵敏度和接近完美的正交指向性。所提出器件在体积受限的声场测量中具有潜在应用价值。     

Sound field separation with a double layer velocity transducer array (L)

In near-field acoustic holography sound field separation techniques make it possible to distinguish between sound coming from the two sides of the array. This is useful in cases where the sources are not confined to only one side of the array, e.g., in the presence of additional sources or reflections from the other side. This paper examines a separation technique based on measurement of the particle velocity in two closely spaced parallel planes. The purpose of the technique is to recover the particle velocity radiated by a source in the presence of disturbing sound from the opposite side of the array. The technique has been examined and compared with direct velocity based reconstruction, as well as with a technique based on the measurement of the sound pressure and particle velocity. The double layer velocity method circumvents some of the drawbacks of the pressure-velocity based reconstruction, and it can successfully recover the normal velocity radiated by the source, even in the presence of strong disturbing sound.     

双全息面分离声场技术及其在声全息中的应用

提出双全息面分离声场技术,克服以往近场声全息(NAH)和基于声强测量的宽带声全息(BAHIM)的应用局限。以往方法的局限在于:全息面一侧的声场必须是自由声场,即要求所有的声源仅能位于全息面的另一侧;而在实际测量的情况下,这个要求是很难达到的。本文提出的声场分离技术利用波场的外推理论,建立起在波数域声场分离的公式,然后通过二维Fourier逆变换,便得到了全息面一侧声源产生的声压,从而达到声场分离的目的。原理的推导理论上论证该技术正确性,数值仿真显示了方法的可行性和有效性。     

A comparison of statistically optimized near field acoustic holography using single layer pressure-velocity measurements and using double layer pressure measurements

Statistically optimized near field acoustic holography (SONAH) is usually based on the assumption that all sources are on one side of the measurement plane whereas the other side is source free. An extension of the SONAH procedure based on measurement with an array of pressure-velocity probes has recently been suggested. An alternative method uses a double layer array of pressure transducers. Both methods make it possible to distinguish between sources on the two sides of the array and thus suppress the influence of extraneous noise and reflections coming from the "wrong" side. This letter compares the two methods.     

Sound velocity measurements in magnetic fluids

Sound velocity measurements were made in a kerosene-base magnetic fluid. Both pulse-echo and c.w. resonance techniques were used for frequencies from 2 to 45 MHz. The resulting value of velocity was 6 percent lower than that obtained for the kerosene.     

声场分离技术及其在近场声全息中的应用

提出空间声场分离技术，突破了近场声全息（NAH）的应用局限.它们的局限在于全息面一侧的声场必须是自由声场，即要求所有的声源必须位于另一侧.利用波数域内的波场外推理论及声压的标量叠加原理，建立起声场分离技术的双全息面实现方法，利用波数域内的Euler公式及粒子振速的矢量叠加原理，建立起该技术的单全息面实现方法.该技术的一个突出优点是在具有背景噪声的全息测量情况下, 可以消除背景噪声对全息变换结果的影响.理论的推导表明该技术方法的正确性，而仿真算例和实验则显示该技术的可行性和有效性. 关键词： 声全息 波数域 声场分离 背景噪声     

双全息面声场分离技术的实验研究

研制出一套多通道的声全息测量与分析系统,将其应用于对双全息面声场分离技术的验证。在对该技术进行误差分析的基础上,给出了相应的提高分离声场精度办法。利用研制的全息系统对存在背景干扰的目标声源进行双全息面测量和分析,实验结果表明:双全息面分离声场技术能够有效地抑制背景声源对全息重建结果的影响,从而可以正确地重建声场和识别噪声源。     

Sound field measurement in a double layer cavitation cluster by rugged miniature needle hydrophones

During multi-bubble cavitation the bubbles tend to organize themselves into clusters and thus the understanding of properties and dynamics of clustering is essential for controlling technical applications of cavitation. Sound field measurements are a potential technique to provide valuable experimental information about the status of cavitation clouds. Using purpose-made, rugged, wide band, and small-sized needle hydrophones, sound field measurements in bubble clusters were performed and time-dependent sound pressure waveforms were acquired and analyzed in the frequency domain up to 20 MHz. The cavitation clusters were synchronously observed by an electron multiplying charge-coupled device (EMCCD) camera and the relation between the sound field measurements and cluster behaviour was investigated. Depending on the driving power, three ranges could be identified and characteristic properties were assigned. At low power settings no transient and no or very low stable cavitation activity can be observed. The medium range is characterized by strong pressure peaks and various bubble cluster forms. At high power a stable double layer was observed which grew with further increasing power and became quite dynamic. The sound field was irregular and the fundamental at driving frequency decreased. Between the bubble clouds completely different sound field properties were found in comparison to those in the cloud where the cavitation activity is high. In between the sound field pressure amplitude was quite small and no collapses were detected.     

采用分布式球形阵列的球谐波域声场分离方法

为从测得的混合声场信号中提取出需要的目标声场,提出一种基于分布式球形传声器阵列的声场分离方法。该方法依据声场的球谐波分解,利用阵列各传声器采集到的声场声压信号,获得目标声场与干扰声场的球谐波展开系数,进而估计目标声场。该方法利用声场以不同中心展开的球谐波系数之间的变换关系,直接建立传声器测量声压信号与整体坐标系下声场展开系数的方程,与传统的分布式球形阵列声场分离方法,即先求解局部坐标系下声场展开系数,再变换为整体展开系数的方法,进行比较。分别通过数值仿真和实验说明了提出方法的有效性。结果表明:该方法能够从混合声场中较准确地估计出目标声场,并且在干扰声场能量增大时,保持了较小的声场估计误差,相比于传统方法误差增加更少。