声辐射问题中的模态分析:Ⅲ.声场重构

声辐射模态是定义在振动表面上的一组互相独立的基函数,描绘了振动表面的多极子辐射模式。声场分布模态是定义在声场中的一组互相独立的基函数,描绘了多极子辐射的声场分布模式。振动表面的声辐射可以唯地用声辐射模态和声场分布模态展开表示。对于声场重构,关键问题就是确定展开系数。在声场中选择N个测量点,测量声场的有关声学信息,求斛展开系数,从而重构整个声场。针对平板辐射和球形声源辐射的声场进行重构,数值计算的结果与理论分析结果一致。     

声辐射问题中的模态分析,Ⅱ.实例

声辐射模态和声场分布模态分别描述了复杂振动表面的辐射模式和声场的分布模式。通过数值计算,揭示声辐射模态和声场分布模态的物理含义。针对球形声源、旋转体声源和立方体声源,给出了声辐射模态和声场分布模态的几何图案。第一阶模态表示单极子辐射行为,第二阶到第四阶模态表示偶极子辐射行为,第五阶到第九阶模态表示四极子辐射行为。声辐射模态和声场分布模态将多极子分解方法应用于复杂声源声辐射问题的讨论。     

利用声辐射模态对声场进行重构

声辐射模态是定义在振动表面上的一组互相独立的基函数,描绘了振动表面的多极子辐射模式。本文利用声辐射模态对平板辐射的声场进行重构，并同时就频率和模态数对误差的影响进行了分析。针对复杂振动表面幅射的声场，重构时需正则化处理。数值计算结果和对应的理论值达到很好的吻合。     

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.     

基于声辐射模态讨论声能量辐射与传递

声辐射模态表示了振动声源表面的辐射模式。基于声辐射模态讨论了振动声源表面声能量辐射和声场中声能量传递的性质,给出声能量辐射和传递的模式。采用表面声强描述振动声源表面的声能量辐射,采用声强描述声能量在声场中的传递。表面声强和声强可分解成两部分,一部分将辐射的声能量传递到远场;另一部分表现为振动声源与声场之间的能量交换。针对矩形板分析了声能量辐射和传递,数值计算结果与理论结果一致。结果表明基于声辐射模态讨论声能量辐射与传递是可行的和有效的。     

声辐射模态和球谐波函数在球源声场重建中的比较

声辐射模态和球谐波函数在球源声场重建中均有应用,两者具有很多相似性,都具有相同的多极子辐射模式和"群组"分布特性。有观点认为球形声源的声辐射模态向量即为球谐波函数,但两者的内在关系一直缺乏有效的证明。为分析两种基函数的相似性及在球源声场重建领域的差异,在理论上建立了两者的内在联系,在应用上比较研究了基于两种基函数的声场重建方法的有效性和可靠性。数值算例结果表明,在中高频段时基于两种函数的声场重建效果相当,但在低频段尤其是存在干扰源的非自由场条件下的声场重建应用中,基于声辐射模态的声场重建方法能得到更高的重建精度。可见,声辐射模态具有较为明显的声场重建优越性,这为利用声辐射模态和球谐波函数进行球源声场重建提供了理论参考。     

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。      

利用声辐射模态重构任意目标的散射声场

水下目标散射声场的重构可以作为水下目标散射特性的研究基础。本文主要利用声辐射模态对水下目标进行散射声场重构研究。首先,在借助声传递矩阵给出的任意结构声辐射模态的流体域求解方法基础上,通过理论证明了目标的散射声压与声辐射模态具有函数关系。其次,借助声场分布模态的概念,同时考虑到声场分布模态病态及声压测量易受噪声污染,提出基于声辐射模态的正则化散射声场重构算法。仿真结果表明,波数越低,重构所需声辐射模态阶数越少,在较高波数时仅需总模态数的大约20%即可对声场进行重构。与基于边界元的声场重构算法相比,计算量减小了至少80%,且克服了赫姆霍兹积分方程最小二乘法仅对球壳结构的重构效果较好而不适用于长条形结构重构的缺陷。     

声场匹配波叠加法的水下结构声辐射预报

提出了一种适用于典型结构声辐射预报的声场匹配波叠加方法。该方法利用少量的参考点声压,通过声场匹配搜索等效源分布,得到最小二乘意义下的最优等效源位置。并研究了表面振动测点位置、数目及振动分布的离散性对声场预报精度的影响。最后在半空间消声水池中,对两端带帽圆柱壳的声辐射预报进行了试验验证。结果表明:等效源最佳位置一经确定,即可利用结构的表面振速,对不同激励下的该结构进行声辐射预报。该方法在较宽频段内对不同的振动分布有较好的适应性。     

三弹性圆柱壳体多重耦合声辐射计算方法

为研究多圆柱壳组合结构的声辐射特性,采用模态叠加法建立了3个并排无限长弹性圆柱壳的振动声散射耦合物理模型,充分考虑了三圆柱壳的表面振动与散射声场的耦合,其中散射声场可分解为各圆柱壳刚性散射声场和弹性辐射声场的叠加,数学上将各壳间的声场耦合关系通过柱函数加法公式描述。利用该物理模型,分析了多重散射对稳态声场求解结果的影响,比较了三圆柱壳耦合系统与单个圆柱壳系统的辐射声场指向性、声压级及辐射声功率级的差异及其产生机理,结果表明:结构弹性耦合声辐射不仅在低频对总声场有显著影响,在高频范围也不可忽略;另外,针对本文设定参数的组合圆柱壳,在150 Hz以上频段,两旁圆柱壳对中间圆柱壳在正横方位产生了声辐射遮蔽效应,垂直方位则体现声泄漏作用。本文建立的方法可推广到三维空间任意多壳结构的声振耦合建模。