混响环境下目标声场稀疏分解多域声场重放方法*

对于封闭空间内的声场重放,传统的多点声压匹配方法（Cov-PM）直接依据在目标声场测得的声压直接使用最小二乘来计算扬声器权重。然而这种方法要求较多的目标声场采样点以实现足够的精度。对于一类特殊的声场景,也就是目标声场是由少量声源辐射产生时,提出一种对目标声场稀疏分解的方法来进行混响环境下多域声场重构以降低对目标声场采样数量的要求。本文给出基于目标声场等效源稀疏分解多域重构方法（Sparse-ESM）理论推导,通过数值计算以及实验测试两种方式对比所提方法与最小二乘等效源分解方法以及Cov-PM的声场重放性能。数值结果表明,在600Hz 以上的频段,Sparse-ESM 方法的重构误差性能提升明显。实验结果也得出了与数值计算相同的结论。同时,还通过数值计算和实验测试两种方法证明了当目标声场声源方向波动时,Sparse-ESM 仍然可以保持与其余两类方法相近的声对比度同时实现较高的亮区重构精度。     

半空间球面波函数叠加法重构声源直接辐射声场

提出了基于半空间球面波函数叠加的声场重构方法,以重构含有限声阻抗边界半空间中声源直接辐射的声场。在半空间中多极子声源声压场的解析解的基础上,构造出以边界声阻抗为参量的半空间球面波函数的正交基;通过求逆获得半空间总声压解的基函数系数,同时也获得声源直接辐射声场即自由空间中的基函数系数,进而重构出声源直接辐射的声场。在边界声阻抗已知和边界声阻抗未知两种条件下,对该方法进行了仿真验证和参数分析,并在全消声室内进行了实验验证。结果表明,所提方法能重构出半空间中典型声源即球形声源和平面声源的直接辐射声场;该方法在边界声阻抗已知时的重构精度与稳定性高于在边界声阻抗未知时的情形。      

复杂封闭声场面板声学贡献度识别的等效源法

针对由复杂结构振动形成的封闭空间声场,提出了一种基于等效源法的面板声学贡献度分析方法。该方法首先利用基于等效源法的内部声全息技术,重构出振动结构表面的法向振速并实现对整个内部封闭声场的预测。再将振动结构的每个面板在腔体内部场点产生的声压分别用位于空腔表面附近的等效源在该点产生的辐射声压代替,将复杂的封闭非自由声场问题转化为简单的内部自由场问题,结合重建出的结构表面法向振速进而识别出封闭振动结构各面板对腔体内任意位置的声学贡献度。通过对复杂结构内声场的数值仿真和验证实验,分析了等效源的数量及与重建面距离等参数对重建精度的影响,结果表明所提方法不仅能够达到传统数值分析方法的计算精度,而且具有更简单的求解过程。      

基于联合波叠加法的相干声场全息重建与预测理论

在相干声场中,很难将各个声源产生的声压分离开来,所以常规波叠加法不能用于相干声场的全息重建与预测。根据相干声场的叠加性,通过构造全息面与多个声源之间的联合声压匹配矩阵,建立了基于联合波叠加法的相干声场全息重建与预测理论。该理论可以精确地重构出各个声源的表面声学信息,也可以分别预测每个声源的空间声场分布,叠加后即可获得相干声场的空间分布,从而实现了相干声场的重建与预测。实验和数值仿真的结果表明:该相干声场重建与预测理论不仅能有效地解决相干声场的重建与预测问题,并且可以作为一种相干声场分离技术,拓宽了全息技术的应用范围。     

基于反射系数估算的半空间边界阻抗和声源直接辐射重构

半空间中声源直接辐射声场重构的实施需要构造以边界声阻抗为参量的半空间基函数,边界声阻抗的获取则通常需要借助原位测量方法.基于半空间球面波基函数叠加的声场重构方法,通过在声源近场布置全息测量面和一支参考传声器采集声压,并以参考传声器声压重构误差取得最小值为准则,估算各全息测点的声压反射系数,就能在边界阻抗未知条件下实现声源直接辐射声压的重构,从而摆脱了常规方法对声阻抗原位测量技术的依赖.本文的目的是对这一方法进行详细的参数讨论,并在估算声压反射系数的基础上,进一步对边界声阻抗加以重构,提出一种基于近场声全息的声阻抗测量方法.以球形声源为例,对声阻抗和声源直接辐射声压的重构进行了仿真,定量地分析参考传声器坐标、边界有效流阻率和边界孔隙度随深度的降低率等参数对重构精度的影响.     

基于统计最优和波叠加的联合局部近场声全息

提出了一种基于统计最优近场声全息和波叠加法的联合局部近场声全息技术。首先利用两次统计最优近场声全息的声源定位结果来指导配置等效源,其后利用波叠加法进行局部声场重构。该技术适合于中低频声场的局部重建,计算快速,重建精度高;可以在测量数据有缺失的情况下重建声场。进行了脉动球声源模型的数值仿真,并在半消声室内对电机噪声源进行了实验,仿真实验都准确地重构了声源所辐射的外部声场。该技术可以重建任意类球形声源辐射的声场。      

虚拟源阵估计浅海目标噪声源强度

针对浅海目标噪声源强度测量估计受波导影响产生偏离的问题,提出一种虚拟垂直源阵浅海目标噪声源强度估计方法,通过被测目标噪声源在浅海波导中移动形成虚拟垂直源阵,利用简正波特征函数的正交性,消除浅海目标噪声场的干涉,以及声源和接收点深度对声源强度测量的影响,获取了更为接近自由场测量的目标噪声源强度估计。理论分析和数值仿真表明,浅海波导中采用本方法测量估计得到的目标噪声源自由场强度和预设真实值相近,同一噪声源在不同浅海波导测量估计结果相同。仿真结果证实了方法的可行性,并显示:南海某实际波导中, 100 Hz以上频段目标噪声源强度估计和真实值相差小于0.5 dB, 40 Hz至100 Hz频段,相差小于1.0 dB, 20 Hz误差约为3.0 dB; 30 Hz以上频段,同一源4种波导环境中测量估计值的标准差小于0.5 dB。文中还就所提方法的主要误差来源以及导致低频段误差增大的原因进行了理论分析和仿真。文中所提虚拟源阵方法,为提高水中目标噪声源强度的测量估计精度提供了一种思路,并可为波导参数的准确反演估计提供参考。     

球面近场声全息中的阵列传声器分布与球面数值积分

球形传声器阵列是实现封闭空间三维声场重构的测量前端,传声器在球形阵列面上的分布对三维声场重构的精度有重要影响。针对球面近场声全息方法,结合I.H.Sloan,Spherical t-designs,J.Fliege等球面数值积分法,检验传声器数目、传声器几何位置分布、积分权重、波数、基函数扩展项数、声场重构半径等参数对声场重构精度的影响。结果表明:Spherical t-designs球面数值积分法与其它积分法相比,在声场重构误差接近的情形下,允许传声器的数目和位置布置有更多的选择,并且在传声器数目一定时,各点积分权重相等,使得球面近场声全息中球面数值积分计算相对简单。     

水介质管路弹性背腔微穿孔消声器的传递损失特性

为抑制水介质管路系统低频噪声,兼顾结构的紧凑性,提出弹性背腔微穿孔管路消声结构,弹性管壁为橡胶帘线复合材料,并推导了传递损失的数值解法。首先,基于Biot-Allard多孔弹性理论,将弹性微穿孔板等效为弹性多孔材料;然后,利用双尺度法建立帘布的周期性代表单元,求得其刚度矩阵;接着,基于分层理论,建立弹性管壁的多层复合材料模型,并与内部声场耦合计算,得到弹性背腔微穿孔管路消声器的传递损失。在水介质驻波管中,利用双声源法测量弹性背腔微穿孔管路消声器样机的传递损失曲线,并与扩张式管路消声器和刚性背腔微穿孔管路消声器进行对比,理论结果与试验结果吻合良好。研究表明,弹性背腔微穿孔管路消声器属于反射耗散复合式消声器,具有低频域、宽频带的消声特性。样机B2在40~300 Hz和40~1200 Hz频段内的传递损失分别为36 dB和30 dB,而相同尺寸扩张式消声器在对应频段的传递损失分别为7 dB和11 dB。      

楔形理想波导中球体散射的镜像方法

应用镜像原理和球波函数加法公式,把楔形理想波导中球体的散射声场等效为无界空间中多球体散射声场,镜像解析解与边界元数值结果相同,可以作为边界随水平距离变化波导中目标散射数值方法的标准解。比较无界空间和楔形理想波导中球体散射声场空间分布特征,结果表明:楔形理想波导中球体的散射声场在水平和倾斜边界反射;散射声场沿楔形理想波导下坡方向的衰减在相同的水平距离下小于无界空间的情况,散射声场在楔形理想波导上坡的空间分布受到限制。     

次级源近场和管壁弹性对充液管路有源消声性能的影响EI北大核心CSCD

建立了含次级源结构的充液直管有源消声系统数值模型,重点分析了声激励下次级源近场和管壁弹性对有源消声性能的影响。结果表明:次级源近场为非均匀声场,误差点位于该区域时部分频点控制效果较差甚至放大,而处于声场均匀区域时可使降噪量提高10 dB以上,增加误差点数量可使绝大多数频点的降噪量提高5 dB以上;管壁弹性使次级源与管壁间的耦合较强,非对称分布的次级源容易激起管壁振动,导致降噪谷值的出现,采用对称分布的次级源可显著提升控制效果;增加次级源数量能够提高系统的有源无源复合控制效果,但使得管内声场变得复杂,多次级源模型的有源消声效果随频率升高而有所降低。     

Equivalent source method for identification of panel acoustic contribution in irregular enclosed sound field

For the interior sound field formed by the complex vibrating structure,an identification approach of panel acoustic contribution based on equivalent source method(ESM)was presented.The normal velocity on the surface of vibrating structure was first reconstructed by using interior nearfield acoustic holography based on ESM and the prediction of whole interior enclosed sound field was realized.Then the sound pressure produced by each panel at the interested field point was respectively replaced by the radiated pressure of the enclosed interior sound field which is formed by the equivalent virtual sources located near the surface of the cavity.Combining with the reconstructed normal surface velocity,the acoustic contribution of each panel to any position in the cavity was obtained by transforming the complex enclosed non-free field into the simple interior free field.Numerical simulations and experiments are conducted,and the influences of the number of the equivalent sources and the distance between them and the reconstructed surface have been investigated.The results show that the proposed method is easier to be implemented with the same accuracy than the traditional analysis method.     

板结构的声辐射模态分析及其高分辨率法向振动速度重建

提出了一种基于声辐射模态的速度基向量构建方法,该速度基向量不受网格划分的影响,可用于高分辨率的板结构法向振动速度重建。首先对板表面稀疏网格的声辐射模态进行计算,再以声辐射模态和模态系数构建板法向振动速度分布的基向量,然后由声场测量声压求解基向量系数,最后由该系数和加密网格的速度基向量重建高分辨率的板法向振动速度分布。以简支板声源进行仿真计算,当测量声压信噪比为30 dB时,低频的法向振动速度重建误差最低可达3.7%;以固支板声源在消声室中进行实验验证,131.5 Hz振动频率下的重建误差低于7%。该方法实现了只需要少量声压测量点即可精确重建板声源更高分辨率的法向振动速度分布。      

Examination of bone-conducted transmission from sound field excitation measured by thresholds, ear-canal sound pressure, and skull vibrations

Bone conduction (BC) relative to air conduction (AC) sound field sensitivity is here defined as the perceived difference between a sound field transmitted to the ear by BC and by AC. Previous investigations of BC-AC sound field sensitivity have used different estimation methods and report estimates that vary by up to 20 dB at some frequencies. In this study, the BC-AC sound field sensitivity was investigated by hearing threshold shifts, ear canal sound pressure measurements, and skull bone vibrations measured with an accelerometer. The vibration measurement produced valid estimates at 400 Hz and below, the threshold shifts produced valid estimates at 500 Hz and above, while the ear canal sound pressure measurements were found erroneous for estimating the BC-AC sound field sensitivity. The BC-AC sound field sensitivity is proposed, by combining the present result with others, as frequency independent at 50 to 60 dB at frequencies up to 900 Hz. At higher frequencies, it is frequency dependent with minima of 40 to 50 dB at 2 and 8 kHz, and a maximum of 50 to 60 dB at 4 kHz. The BC-AC sound field sensitivity is the theoretical limit of maximum attenuation achievable with ordinary hearing protection devices.     

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     

基于脉冲声分离的刚性球散射声控制

提出了一种基于脉冲声的三维空间中刚性球散射声分离方法,并利用前馈、固定系数控制方式对分离出的散射声进行有源控制,抑制散射声强度,实现了刚性球散射体在观测点处“声学不可见”。该方法利用脉冲信号作为初级噪声,通过有无刚性球时传声器采集脉冲信号的差值确定散射声大小,实现散射声与声源直达声的分离。对分离出的散射声进行多通道有源控制以验证该文所提分离方法及控制系统的有效性。实验结果表明,700~1000 Hz范围内,有源控制开启后,双通道散射声的平均降噪量大于5 dB,多通道散射声的平均降噪量大于8 dB,且误差传声器处采集的残余声场与无刚性球时采集的初级声场信号波形基本一致,实现了刚性球散射体在误差传声器处“声学不可见”。此外,参考传声器布放位置的选取问题也在该文做了详细讨论。     

基于气流调制的封闭空间高声强次声产生方法研究

基于气流调制技术研究了封闭空间高强度次声产生方法。设计了大流量气流调制器,对调制器和赫尔姆霍兹共振腔组成的高声强次声产生装置的声场特性进行了数值仿真,制作出原理装置,并进行了实验测试。从理论上分析了不同调制频率和不同供气压力下调制器出口的声压幅度,分析了次声产生装置不同调制频率的声压幅度,分析了舱内声场的空间分布特性。实验结果表明:气流调制器设计合理、运行平稳,次声产生装置最大能产生161 dB的次声,测试舱声场均匀、声波信噪比较高,实验结果与数值仿真结果基本一致。      

双声源位置和强度识别的三维声强方法

目前在远场识别声源空间位置和强度缺乏行之有效的方法。针对此问题,提出采用四传声器进行三维声强测量,从而构建出声强、声源坐标和声功率的非车线性方程组,求解方程得出声源空间坐标和强度的方法。以3个三维声强探头对两个同频率单极子声源的识别为例,分别利用数值仿真和半消声室内的实验进行方法验证,并对声源的识别空间分辨率做了测试,得出角度识别最大误差为3.83°,为真实值的8.5%,距离识别最大误差0.1 m,为真实距离的10%。结果表明采用该方法空间坐标和声功率识别均具有很高的准确度,双声源的空间位置分辨力也优于远场声全息方法。      

南海北部浅海声场起伏及统计特性

水下声场的时间积分声强和峰值声强是声呐检测中的重要物理量,而海洋中的内波等动力学过程会造成声场强度的起伏。对南海北部浅海内波环境下定点声起伏实验数据分析,结合数值仿真,总结了试验海域近海底发射和近海底接收条件下内波引起接收信号强度起伏的统计特性.分析结果表明:接收信号的时间积分声强起伏小于峰值声强起伏;时间积分声强与峰值声强起伏的概率分布与对数正态分布较为接近.时间积分声强和峰值声强起伏大小与信号的频率有关,同一收发距离,中心频率650 Hz信号的声强起伏较中心频率310 Hz和375 Hz信号的声强起伏更为剧烈。对于同一频率,当海底较平坦时,声强起伏的闪烁指数随传播距离的增加而增大;当水深随传播距离逐渐变深时,声强起伏规律受内波和水深变化共同影响而更为复杂,闪烁指数先随传播距离增加而增大,之后又随传播距离的增加而逐渐变小.