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。     

基于声压-振速测量的平面近场声全息实验研究

常规的近场声全息均是采用全息面声压或质点振速作为输入量求解,由于采用单一输入量无法分离来自全息面背向声波的干扰,因此要求所有声源均位于全息面的同一侧,即测量声场为自由声场,这种要求大大限制了近场声全息的实际应用.基于声压-速度测量的近场声全息以全息面上声压和质点振速同时作为输入量,通过建立和求解两侧声源在全息面上的声压和质点振速耦合关系,可以实现全息面两侧声波的分离,从而解决上述问题.文中在前期对声场分离技术研究的基础上,基于欧拉公式和有限差分近似,推导了新的基于声压-速度测量的平面近场声全息理论公式.随后通过实验检验了该方法在有背景源干扰情况下实现声场分离和重建的有效性.     

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。     

单全息面的直接声场分离方法

为了简化分离全息面两侧相干声源的过程,提出仅依据单全息面上的数据直接进行声场分离的方法。该方法通过将等效源配置在球面上,并根据等效源法近场声全息的重构原理,建立全息面上有误差的测量值和计算值之间的数据关系,理论推导出单面声场分离方法。仿真分析干扰声源为脉动球源和受迫振动的简支薄钢板的分离结果,并对双扬声器的声场分离进行了实验验证。结果表明:该方法对两种干扰源都具有较好的分离精度,且有较高的可容忍误差。      

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     

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。      

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。     

非自由声场中目标声场还原与重建的等效源方法

为消除在非自由声场中重建声场时干扰声源对重建效果的影响,提出一种采用单个测量面上的声压和质点振速作为输入、等效源法作为分离和重建算法的非自由声场中目标声场还原与重建方法。该方法首先利用单面声压-质点振速测量和基于等效源法的声场分离技术将测量的混合声场分离为来自目标声源的向外传播的声场和来自干扰声源的向内传播的声场,然后利用向内传播的声场和目标声源的边界条件计算出干扰声在目标声源表面产生的散射声场,并将其从向外传播的声场中去除,还原出目标声源在自由声场条件下的辐射声场,最后利用还原的声场实现目标声场重建。通过数值仿真和实验检验了该方法的有效性和必要性。仿真和实验的结果表明,该方法可以在非自由声场的测量条件下,有效地去除干扰声的影响,实现目标声场的准确重建。      

基于声强测量的近场声全息及其在水下声源声辐射分析中的应用

基于声强测量的宽带声全息（ＢＡＨＩＭ）是一种新的有效的声场重建技术，在获得了测量面（全息面）上两个切向声强分量后，利用ＢＡＨＩＭ可以预报声源的辐射场及噪声源定位。本文给出了不同声源和参数下ＢＡＨＩＭ数值分析结果，井利用自行研制的双通道自动扫描声强测量系统进行了水下声源近场声辐射的ＢＡＨＩＭ实验，结果证实了该方法的有效性，它增强了分析和识别噪声源的能力。     

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     

半自由声场的全息重建和预测技术研究

在半自由声场中,实际测量声压为直达声压和反射声压的叠加,而声压为标量,很难直接将其中直达声压成分分离出来,因而不能简单地用常规的方法来直接进行声源重建和声场预测。在充分地考虑到反射声压的情况下,建立了半自由声场环境下反射面为刚性和非刚性时的声场全息重建和预测理论模型,并通过实例验证了此模型的可行性和正确性。结果表明:此方法有效地解决了半自由声场中进行声场全息重建和预测时所存在的声压反射问题,从而扩充了声全息重建和预测技术的应用范围;采用分布源边界点法作为全息变换算法,提高了声全息重建和预测的速度、精度和稳定性。     

近场声全息技术应用有关物理问题研究

近场声全息(NAH)技术,用于大型结构或水声基阵性能参数测量、校准,要有一套高精度声场全息扫描测量接收基阵及同步测量和控制系统装置,以及适应的处理、分析、计算软件。研究实践表明：有关这套测控、分析系统硬、软件的设计指标、参数和使用要求,都涉及一些声学物理问题。为确保全息场量值测量可靠、场重建精度高,对声源的辐射声信号波数谱和近场声压分布,进行了必要的物理分析、计算。得到要保留的高波数分量、全息面的形式和尺度及其离声源的间距、全息面上测点间距等诸参数,与声源形状、尺度、频率等量之间定量关系并给出要求、判据的参考。     

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。      

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.     

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     

基于声全息方法和双目视觉实现运动声源声场可视化

运动声源声场的可视化是一种重要的运动声源定位的技术手段,利用双目视觉测量技术实现运动声源声场空间的自动测量,自动确定运动声源表面的空间位置,针对声源表面,利用传声器阵列,基于声全息方法实现运动声源声场的重建,建立视频图像与声场的空间映射,并建立视频与声场之间的时序,实现实景视频图像与声场重建结果的融合,可以自动生成声源运动过程的视频。基于该方法所开发了一套试验测量系统,对运动声源的测量试验结果表明,该方法可以有效实现运动声源的视频可视化,使人可以直接从视频中看到声源及其变化过程,使声源的定位和识别变得更加简单。      

调制声源的近场声全息分析

为了解决传统近场声全息技术在重建调制声源声场时无法显示出调制成分的问题,先通过Hilbert变换对调制信号的声场进行解调处理,将调制信号和载波信号分离开来,然后再对调制成分进行普通的重建分析,由此提出了基于Hilbert变换的调制声源近场声全息分析方法.文中的数值仿真与试验研究均表明此方法可以有效地完成调制声源的重建分...     

统计最优平面近场声全息原理与声场分离技术

测量孔径尺寸的有限性，在基于空间傅里叶变换的平面近场声全息中会带来窗效应和卷绕误差. 为了克服窗效应和卷绕误差，引入了统计最优平面近场声全息技术. 运用声场叠加原理，证明了统计最优平面近场声全息的理论公式.通过在空间波数域限定kx,ky的取值范围，并离散其确定的空间波数面的途径，提出了一种确定波数矢量的方法.为了克服常规统计最优平面近场声全息技术的应用局限性——全息面一侧的声场必须为自由声场，提出了适用于统计最优平面近场声全息的、基于双全息面测量的空间声场分离技术. 通过实验和数值仿真对理论推导的正确性进行了验证. 关键词： 统计最优 平面近场声全息 波数矢量 声场分离     

采用球面波叠加法还原自由声场的方法

为解决非自由声场中近场声全息重建时,干扰声在目标声源表面产生的散射影响,提出一种基于球面波叠加法的自由场还原技术。该技术首先采用基于球面波叠加法的声场分离技术获得向内和向外传播的声场,然后以目标声源的表面导纳作为边界条件,实现目标声源辐射声和散射声的分离,从而获得等效于自由声场的测量条件。该技术为准确实现非自由声场中的噪声源识别创造了条件。文中首先详细描述了该技术的基本原理,并提出一种最优球面波展开项数选取方法,最后通过数值仿真说明了该技术的有效性。结果表明:在频率较低时,散射声影响较小,采用声场分离技术和自由场还原技术效果相当;但随着频率升高,散射声影响逐步增强,必须采用自由场还原技术才能准确获得目标声源辐射声。      

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.