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。     

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。     

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。      

理想浅海波导中声场奇异点与声源深度的关系

为了有效利用声场奇异点蕴含的声源参数信息,研究了在理想浅海波导中,远场不同邻阶模态组的声场奇异点与声源深度之间的关系。推导计算了典型浅海声源声场的邻阶模态组奇异点位置,并通过仿真对奇异点的分布进行分析,结果显示邻阶模态组的阶数和阶差越大,奇异点分布越复杂。进一步研究发现,邻阶模态组第一组奇异点的深度和声源深度之间存在联系,并且基于奇异点与声压场的对应关系,在获得准确模态分布的前提下,可以通过两个邻阶模态组的第一组奇异点深度逆运算获得对应声源深度信息,也可以通过第一组奇异点深度反演获得声源深度信息。该文为获取浅海声源深度提供了思路。     

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。     

高精度球面阵聚焦声源定位方法研究

提出了一种高精度高空间分辨率球面阵聚焦声源定位方法——虚拟源法。该方法通过球面阵波束扫描获得实际声源的空间聚焦谱,并假定各扫描点为虚拟声源,将实际声源聚焦谱看作是全体虚拟源共同作用的结果,由此得到各虚拟源对声场的贡献量,从而可实现声源精确定位。仿真研究分析了频率,阵列孔径,声场模态阶数,信噪比等参数对声源定位性能的影响,并与常规算法进行对比。结果显示,该方法不受频率和阵列孔径的限制,避免了空间“混淆”,能够进行高精度高分辨率声源定位,并具有良好的背景噪声抑制能力。      

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。     

单层传声器阵列信号空间重采样的声波分离方法

为了重构非自由声场中目标声源的声场响应,提出单层传声器阵列信号空间重采样的声波分离方法.以球面波函数为基函数,建立由系列球面波函数叠加表达的声场数学模型.基于近场声全息原理,利用单层传声器阵列面上空间重采样形成的两组声压测量信号,求解基函数系数,并重构出传声器阵列两侧声源各自的声场响应,实现声波分离.使用脉动球和振动球共同作用的非自由声场,检验了数学模型以及传声器信号信噪比、传声器阵列形状和面积、声源中心位置、频率等关键参数对声波分离精度的影响,并在全消声室内进行了实验验证.最后,对单层传声器阵列重采样的声波分离方法的实施给出了建议.     

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.     

一种基于模态域波束形成的水平阵被动目标深度估计

水面水下目标分辨与识别一直是被动声呐探测领域的难题.利用一种水平阵模态域波束形成算法获得己知方位目标声源的各阶模态强度,将其与不同深度的各阶参考模态强度进行匹配,最终实现了对声源的深度估计.仿真结果表明,该算法可以在信噪比为-10 dB的情况下,用300Hz带宽的信号样本,实现对声源深度的有效估计.系统分析了不同参数和不同波导条件对该方法目标深度估计性能的影响.其中,阵元数越多,模态样本数越多,计算频段越宽,方位估计精度越高,有效阵长越长,深度估计的性能越好.阵元间距和波导深度的变化不会影响该方法的深度估计性能,并且该方法的深度估计性能在声速剖面、海底参数等波导条件存在扰动时具有鲁棒性.     

In-duct identification of fluid-borne source with high spatial resolution

Source identification of acoustic characteristics of in-duct fluid machinery is required for coping with the fluid-borne noise. By knowing the acoustic pressure and particle velocity field at the source plane in detail, the sound generation mechanism of a fluid machine can be understood. The identified spatial distribution of the strength of major radiators would be useful for the low noise design. Conventional methods for measuring the source in a wide duct have not been very helpful in investigating the source properties in detail because their spatial resolution is improper for the design purpose. In this work, an inverse method to estimate the source parameters with a high spatial resolution is studied. The theoretical formulation including the evanescent modes and near-field measurement data is given for a wide duct. After validating the proposed method to a duct excited by an acoustic driver, an experiment on a duct system driven by an air blower is conducted in the presence of flow. A convergence test for the evanescent modes is performed to find the necessary number of modes to regenerate the measured pressure field precisely. By using the converged modal amplitudes, very-close near-field pressure to the source is regenerated and compared with the measured pressure, and the maximum error was −16.3 dB. The source parameters are restored from the converged modal amplitudes. Then, the distribution of source parameters on the driver and the blower is clearly revealed with a high spatial resolution for kR<1.84 in which range only plane waves can propagate to far field in a duct. Measurement using a flush mounted sensor array is discussed, and the removal of pure radial modes in the modeling is suggested.     

磁致伸缩换能器辐射板形状对声场分布的影响

磁致伸缩换能器可作为热声制冷机的声源装置,辐射板的形状直接影响声压输出效率,从而影响制冷效果。为提高换能器工作效率、减小换能器体积,辐射板需在Terfenol-D棒的激励下产生大振幅、高频率的活塞振型。针对这一问题,应用ATILA软件分析了磁致伸缩换能器辐射板形状对谐振腔振动幅频特性的影响以及对谐振腔内声场分布的影响。结果表明:相同激励条件下,凹球面辐射板出现活塞振型时振幅最大,对应谐振腔中声压幅值最高;谐振腔端面形状为凹球面时,具有聚焦声压幅值的作用;端面形状为凹发射端-凸反射端组合的谐振腔内声压幅值最高。以上结论为合理设计辐射板、谐振腔两端面组合形状提供了参考。     

Analytical and numerical study of acoustic intensity field in irregularly shaped room

The modal expansion method has been used to formulate expressions for real and imaginary parts of the complex sound intensity inside enclosures. Based on theoretical results, the computer program has been developed to simulate the acoustic intensity vector field inside the irregular room whose shape resembles the capital letter L. Calculation results have shown that a low-frequency distribution of the acoustic intensity is strongly influenced by the modal localization and the characteristic objects in the active intensity field are energy vortices and saddle points positioned irregularly inside the room. It was found that for small sound damping the vortex centers lie exactly on the lines corresponding to zeros of the eigenfunction for a dominant mode. An increase in a sound attenuation results in the change of vortex positions and can cause the formation of new vortices. Finally, an influence of the wall impedance on the quantitative relation between the acoustic and reactive intensities was studied and it was concluded that for very small sound damping the behavior of the sound intensity is basically only oscillatory.     

Pekeris波导中简正波的复声强及其应用

在Pekeris波导模型下,关注了简正波的矢量场,讨论了简正波水平复声强和垂直复声强的表述,并分析了其特征.单阶简正波在水平方向是行波,相应的水平复声强仅为有功的;在垂直方向为驻波,相应的垂直复声强仅为无功的.而多阶简正波相互干涉,因此总声场的复声强既有有功分量,也有无功分量,其中只有有功分量参与声能的输运,但无功分量是反映声场信息的重要组成部分.通过对垂直(交互)复声强无功分量和水平交互复声强有功分量的数值分析,对于甚低频率的点源声场,发现当声源深度变化时,上述声场分量的正负号呈有规变化,当接收传感器置 关键词： 目标深度分类 复声强 矢量场 Pekeris波导     

A hybrid modal analysis for enclosed sound fields

A hybrid modal expansion that combines the free field Green's function and a modal expansion will be presented in this paper based on a review and an extension of the existing modal analysis theories for the sound field in enclosures. The enclosed sound field will be separated into the direct field and reverberant field, which have been treated together in the traditional modal analysis. Studies on a point source in rectangular enclosures show that the hybrid modal expansion converges notably faster than the traditional modal expansions, especially in the region near the source, and introduces much smaller errors with a limited number of modes. The hybrid modal expansion can be easily applied to complex sound sources if the free field responses of the sources are known. Damped boundaries are also considered in this paper, and a set of modified modal functions is introduced, which is shown to be suitable for many damped boundary conditions.     

一种基于简正波模态消频散变换的声源距离深度估计方法

针对浅海环境中传播的低频宽带水声脉冲信号,基于简正波水平波数差和波导不变量之间的关系,本文提出了一种利用距离-频散参数二维平面聚焦测距与匹配模态能量定深的目标声源定位方法.首先,通过将由频散参数和波导不变量表示的前几阶模态相速度与由环境模型计算的相速度进行对比分析,从而估计出前几阶模态的频散参数和环境的波导不变量.其次,利用估计出的频散参数值和波导不变量对接收信号进行消频散变换处理,只有当接收信号的距离参数等于目标声源距离时,各号简正波的幅度均达到最大值,在距离-频散参数二维平面上,出现声压聚焦的现象,利用此现象可以估计目标声源的距离.不仅如此,消频散变换后的接收信号,前几阶模态在时域上明显地分离开来,可以准确地估计出前几阶模态的能量,采用多模态能量匹配的方式,可以估计出目标声源的深度.最后,通过对仿真和冬季获得的气枪信号数据处理结果验证了本文方法的有效性.     

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。      

双层板腔结构声传输及其有源控制研究

利用子系统模态综合方法,结合阻抗-导纳矩阵法,建立了双层板腔结构向自由空间声传输及其在入射板PZT控制、辐射板PZT控制,和腔中次级声源作动等多种控制策略下,系统物理模型的统一的分析模型,导出了系统模态响应及最优次级源强度的统一的阻抗-导纳矩阵表达式。该模型表达式各部分物理意义清晰、明确,便于进行系统耦合理论、有源控制及其机理的分析和数值研究。然后,在此基础上对双层板腔结构声传输有源控制进行了全面深入的数值计算和分析研究,重点探讨了控制方法策略及系统参数对有源控制效果的影响及其对应的控制机理。结果表明:入射板PZT作动辐射声功率最小控制策略是通过入射板、声腔和辐射板三个子系统的模态抑制或重组达到消声的目的,涉及多种复杂控制机理,对入射板、辐射板和声腔模态均有效,但对入射板模态更有效;在低频段声腔(0,0,0)模态在系统耦合响应中起主导作用,因此利用腔中次级声源作动能获得较理想的控制效果,是一种较好的控制策略;由于声腔模态与结构模态间复杂的耦合关系,使得某些频率处腔中声势能一定程度上的降低并不一定导致系统声传输损失的增加,因此,腔中声势能最小控制策略不一定能够获得理想的声传输控制效果。