半自由声场的全息重建和预测实验研究

半自由声场环境下的声源重建和声场预测研究对声全息技术走向实际应用具有非常重要的意义.在提出基于分布源边界点法的半自由声场全息重建和预测方法的基础上，对此展开了实验研究.并将重建和预测的结果与常规方法重建和预测的结果进行了比较和讨论，说明了重建预测过程中反射声压的影响和考虑反射声压的必要性，证明了所提出方法在解决半自由声场环境下存在地面反射时的声源重建和声场预测时的有效性和准确性.还提出了采用奇异值截断滤波和Tikhonov正则化方法来削弱测量误差的影响，从而进一步优化了重建结果，提高了全息成像的可信度. 关键词： 声全息 半自由场 边界点 声辐射 反射声     

三维复杂温度场高精度声学测量方法

声学温度场检测技术通过多路径声波传播时间数据,反演被测区域的温度分布。提供了一种高精度的三维复杂温度场的声学测量方法。首先从射线声学角度给出了三维非均匀温度场中声波传播路径的数学模型。在此基础上,将三维温度场的重建问题转化为声波传播路径的求解和温度场的反演问题,建立了基于多项式修正径向基函数(RBF-PR)和改进的Tikhonov正则化三维温度场重建算法。采用两种典型的炉膛三维温度场模型,在信噪比SNR=35 dB下进行了数值模拟,分析了声波传播路径在非均匀温度场中的弯曲特性、算法的重建质量和抗噪性,同时进行了实际炉膛内二维温度场的重建。结果表明了提出的考虑声线弯曲的温度场重建算法具有精度高,抗噪性强、适用性好的特点,为实现高精度的复杂温度场的声学测量提供了有效方法。      

联合波叠加法的全息理论与实验研究

当空间声场中同时存在多个相干声源时，运用常规近场声全息方法无法重建每个相干声源表面的声学信息，当然也无法预测每个声源单独产生的空间声场，相干声场的全息重建与预测已成为全息技术推广应用过程中亟待解决的问题.在提出联合波叠加法并将其应用于空间声场变换的基础上，对其进行了实验研究.通过对实际相干声场的全息重建与预测，验证了常规波叠加法在相干声场重建中的局限性、联合波叠加法在相干声场全息重建与预测过程的可行性和准确性，还研究了Tikhonov正则化方法在抑制声学逆问题的非适定性中的有效性和滤波系数的选择原则的可行性，以提高全息重建与预测的精度. 关键词： 近场声全息 联合波叠加 相干声场 Tikhonov正则化     

利用源强密度声辐射模态重建声场

为了利用声场中少量测点声压数据精确重建复杂结构的辐射声场,提出了源强密度声辐射模态分析理论和声场重建公式.在结构表面定义的空间上,利用以源强密度分布函数为参量的结构辐射声功率泛函表达式定义了一个线性自伴正辐射算子,该算子的特征函数为结构的源强密度声辐射模态.然后通过对矩形平板和带有半球帽的圆柱体的源强密度声辐射模态的分析,证明了源强密度声辐射模态具有空间滤波特性,并利用该性质建立了声场重建公式.球体仿真和平板实验验证了所提出的声场重建方法的可行性和稳健性.基于源强密度声辐射模态的声场重建方法简单,利用较少测点数据就可以获得较高的声场重建精度,特别适合于复杂结构的低频声场重建.     

基于声强测量的圆柱内部全息柱面复声压相位重构

本文把基于声强测量的全息相位重构原理应用到圆柱内部声场中,阐述了圆柱面相位重构原理,推导了相应的有限空间离散算法并计算了圆柱声腔内主要声模态。结果表明,重构相位和理论值有较好的吻合。最后,分析了重构频率、全息孔径及全息柱面与壳体的间距等重构参数对相位重构精度的影响。     

基于时域多普勒修正的运动声全息识别方法

由于运动声源测量信号中多普勒效应的存在,一般声全息方法无法直接使用,而阵列信号波束成形处理方法无法进行定量分析.本方法建立了基于测量面、辐射面和全息面的运动学几何关系,提出了声源与测量信号之间的非线性时间映射方法,基于运动声源的声源特征函数,构造了消除多普勒效应的全息面时域声压分布.全息重建得到运动声源表面有效声压分布,实现了对主要声源处声压幅值的定量估计.实际运动声源的测量实验结果证明了该方法的有效性.     

An acoustic intensity-based method for reconstruction of radiated fields

An acoustic intensity-based method is proposed for the reconstruction of acoustic radiation pressure. Unlike the traditional inverse acoustic methods, the proposed method includes the acoustic pressure gradient as an input in addition to its simultaneous, co-located acoustic pressure in a radiated field. As a result, the reconstruction of acoustic radiation pressure from the input acoustic data over a portion of a surface enclosing all the acoustic sources, i.e., an open surface, becomes unique due to the unique continuation theory of elliptic equations. Hence the method is more stable and the reconstructed acoustic pressure is less dependable on the locations of the input acoustic data. Furthermore, the proposed method can be applied for both inverse and forward problems up to the minimum sphere enclosing the sources of interest. The effectiveness of the method is demonstrated by the results of several acoustic radiation examples with single or multi-frequency source in a two-dimensional configuration. The results from the method also show a measurable improvement in accuracy and consistency of reconstructed acoustic radiation pressure, in particular when the effect of the signal-to-noise ratio is included.     

基于波叠加法的近场声全息空间分辨率增强方法

提出一种基于波叠加法的近场声全息空间分辨率增强方法. 该方法在波叠加法的基础上,利用全息面声压信号求得布置在全息面附近的虚源面上的简单源源强,再根据求得的简单源源强实现对全息面声压的插值,进而利用插值后的全息面声压数据进行重建. 该方法可以提高近场声全息重建图像的空间分辨率,减少测量工作量,简化测量过程. 通过仿真对影响插值结果的参数进行了分析,给出了合理的选取范围;通过仿真和实验研究验证了该方法的有效性. 关键词： 波叠加法 近场声全息 空间分辨率     

Underwater hybrid near-field acoustical holography based on the measurement of vector hydrophone array

Hybrid near-field acoustical holography(NAH) is developed for reconstructing acoustic radiation from a cylindrical source in a complex underwater environment. In hybrid NAH,we combine statistically optimized near-field acoustical holography(SONAH) and broadband acoustical holography from intensity measurements(BAHIM) to reconstruct the underwater cylindrical source field. First,the BAHIM is utilized to regenerate as much acoustic pressures on the hologram surface as necessary,and then the acoustic pressures are taken as input to the formulation implemented numerically by SONAH. The main advantages of this technology are that the complex pressure on the hologram surface can be reconstructed without reference signal,and the measurement array can be smaller than the source,thus the practicability and efficiency of this technology are greatly enhanced. Numerical examples of a cylindrical source are demonstrated. Test results show that hybrid NAH can yield a more accurate reconstruction than conventional NAH. Then,an experiment has been carried out with a vector hydrophone array. The experimental results show the advantage of hybrid NAH in the reconstruction of an acoustic field and the feasibility of using a vector hydrophone array in an underwater NAH measurement,as well as the identification and localization of noise sources.     

Theoretical demonstration of the hybrid focusing points of sonic crystal flat lenses and possible applications

We demonstrate the hybrid focusing points of sonic crystals for a multi-source array applied to flat sonic crystal lenses. The contributions of different point source couples form hybrid focusing points. Ray-trace analyses are conducted for acoustic flat lenses with multi-source configurations. The finite-difference time-domain (FDTD) simulation of flat lenses with multi-source configurations demonstrates the establishment of pure and hybrid focusing points in a pyramidal constellation. The number of focusing points in the pyramidal constellation depends on the number of point sources. We propose an acoustic device for fine-tuning the location of a far-field hybrid focusing point and discuss its benefits for acoustic energy focusing application.     

一种单双目视觉系统结合的三维测量方法

在投影栅相位法的单日和双目三维测量结构的基础上,提出了一种单双目结合的三维测量方法.采用双目测量系统的架构,对两相机的公共区域使用双目的方法进行复现,同时分别将两个相机与投影仪组成两个单目测量系统,通过标定的统一可以将两者的世界坐标系统一到一个共同的基准上,利用单目的测量结果对双目测量的哪缺失区域进行填补.在对石膏头像的测量中,利用该方法避免了双目测量中在鼻梁附近出现的数据丢失.在保证双目复现区域精度的基础上,该方法有效地改进了测量结果的完整性.     

单层传声器阵列重建相干声场的近场声全息方法研究

针对传声器阵列两侧存在相干声源的非自由声场重建问题,提出基于球面谐波函数扩展近场声全息理论的相干声场重建方法。该方法在已知测量面两侧声源几何位置时,使用单层传声器阵列获取测量面处的声压分布,通过最小二乘法获得与目标声源和干扰噪声源响应对应的最优球波函数扩展项数和最优系数向量,结合测点位置的空间坐标进行声波分解,并分别重建出各声源在测量面上的声压分布。为了验证方法的有效性,分别给出了相干噪声源为球形声源和非球形声源的仿真验证,并在全消声室内对双扬声器产生的相干声场的重建进行了实验验证。结果表明:该方法对球形声源和非球形声源干扰下的声场重建都具有较好的效果,球形声源干扰下的重建精度更高。      

On the choice of expansion functions in the Helmholtz equation least-squares method

This paper examines the performance of Helmholtz equation least-squares (HELS) method in reconstructing acoustic radiation from an arbitrary source by using three different expansions, namely, localized spherical waves (LSW), distributed spherical waves (DSW), and distributed point sources (DPS), under the same set of measurements. The reconstructed acoustic pressures are validated against the benchmark data measured at the same locations as reconstruction points for frequencies up to 3275 Hz. Reconstruction is obtained by using Tikhonov regularization or its modification with the regularization parameter selected by error-free parameter-choice methods. The impact of the number of measurement points on the resultant reconstruction accuracy under different expansion functions is investigated. Results demonstrate that DSW leads to a better-conditioned transfer matrix, yields more accurate reconstruction than both LSW and DPS, and is not affected as much by the change in measurement points. Also, it is possible to obtain optimal locations of the auxiliary sources for DSW, LSW, and DPS by taking an independent layer of measurements. Use of these auxiliary sources and an optimal combination of regularization and error-free parameter choice methods can yield a satisfactory reconstruction of acoustic quantities on the source surfaces as well as in the field in the most cost-effective manner.     

HELS法在循环平稳声场全息重建中的理论与实验研究

Helmholtz 方程最小二乘法利用一组球面波基函数拟合声源产生的声场,根据重建和实际声压的误差最小原则,利用最小二乘法确定基函数展开的项数以及对应的权重系数,该方法具有计算效率高和需要测点少的优点,在实际工程中有很大的实用性.Helmholtz 方程最小二乘法和其他近场声全息方法一样都是针对平稳声场,对非平稳声场的分析很少.对于实际工程中经常遇到的一类特殊非平稳声场——循环平稳声场,现有的技术多以单通道信号分析为主,其高阶统计量在故障诊断领域应用较广.分析了循环平稳声场中Helmholtz方程最小二乘 关键词： 声全息 循环平稳 Helmholtz 方程 球面波     

一种更具普适性的浅海不确定声场快速算法

非嵌入式随机多项式展开法是目前性能最优的一种不确定声场快速算法,但配点的选择对算法计算精度影响较大,且当计算随不确定海洋环境参数变化剧烈的声场输出时,需采用分段概率配点法等特殊方法处理。基于Kriging模型提出了一种新的浅海不确定声场快速算法,首先给出了该算法的理论推导,然后通过数值计算验证了算法性能,并给出具体的物理解释,结果表明:在同等条件下,新算法的计算精度较非嵌入式随机多项式展开法更高;无需针对声场输出随不确定海洋环境参数的变化情况采取特殊处理过程;克服了非嵌入式随机多项式展开法为提高计算精度将随机多项式展开至非常高的阶数,从而增加计算量的不足;较非嵌入式随机多项式展开法,其样本点的选择简单易行,且可直接计算误差,因此,本文算法较非嵌入式随机多项式展开法普适性更强。     

循环平稳声场的声源定位研究

旋转机械产生的辐射声场具有循环平稳特性,传统的平面近场声全息技术无法准确反映其调制特性,往往在边频带上出现虚假的能量的分布.采用循环谱密度取代功率谱密度作为重建物理量,则可准确提取循环平稳声场的调制和载波信息.考虑到循环谱密度的计算量以及特征提取的准确性,提出了循环谱密度组合切片分析法,并分析了加性白噪声对重建的影响.仿真分析及实验结果表明,此方法有较强的噪声抑制能力,全息重建的结果可准确反映声源的位置.     

Hybrid Method for Tokamak MHD Equilibrium Configuration Reconstruction

A hybrid method for tokamak MHD equilibrium configuration reconstruction is proposed and employed in the modified EFIT code. This method uses the free boundary tokamak equilibrium configuration reconstruction algorithm with one boundary point fixed. The results show that the position of the fixed point has explicit effects on the reconstructed divertor configurations. In particular, the separatrix of the reconstructed divertor configuration precisely passes the required position when the hybrid method is used in the reconstruction. The profiles of plasma parameters such as pressure and safety factor for reconstructed HL-2A tokamak configurations with the hybrid and the free boundary methods are compared. The possibility for applications of the method to swing the separatrix strike point on the divertor target plate is discussed.     

基于声透镜的三维光声成像技术

基于声透镜的光声成像系统中, 由样品的光声压分布等效样品的吸收分布, 进行光声像重建, 但之前的这种等效是一种近似, 理论上并不准确. 本文阐述了声透镜三维光声成像的基本原理, 揭示了声透镜像面上光声压信号的时间分布与样品轴向吸收分布之间的关系; 提出用积分法和希尔伯特变换提取光声信号瞬时值法, 解调样品吸收系数分布并重建光声像; 实验上, 对不同样品分别用积分法和希尔伯特变换法获取样品的吸收系数, 重建光声像的横向和轴向分辨率均约为1 mm, 实现了真正的三维快速光声成像.     

一种形位不确定回转壳体内壁表面的激光测量与重构方法研究

针对形位不确定回转壳体内表面的测量及重构问题,提出了一种准在线纵截线测量与曲面重构方法.通过粗、精测量相结合的实现过程,首先根据技术文件提取回转壳体的基本信息,并针对内表面存在的不确定性,建立一种模糊调节规则,对回转壳体内表面的形位进行预测,实时调整激光测量的角度与位置,完成测量.搭建激光测试试验平台,开发了模块化的测试平台软件系统.采用所提方法对回转壳体内表面进行测量试验研究,得到待测回转壳体内表面的三维数据,并进一步根据回转曲面二次加工的要求对曲面的重构方法进行分析,重构回转壳体内壁的三维曲面实体模型.试验结果表明,曲面模型的相对误差绝对值平均值小于0.024%.     

声学CT复杂温度场重建研究

为提高声学CT复杂温度场重建能力,提出一种利用Markov径向基函数逼近和Tikhonov正则化的温度场重建算法,简称MTR算法。该算法首先用Markov径向基函数的线性组合,逼近介质中的复杂声速场分布,然后利用介质中多路径声波传播时间和Tikhonov正则化法,求解声速场分布,进而利用声速与温度的关系获得温度分布。对单热点、三热点和五热点温度场模型进行了仿真重建,结果表明MTR算法热点定位精度高,重建误差小。开发了声学CT温度场重建实验系统,用电加热器在内装1200 kg大豆的实验粮仓中形成热点,MTR重建结果能正确反映热点位置,热点温度重建误差1.3%。可见,MTR算法复杂温度场重建能力强,可望用于实际储粮温度分布监测。