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。      

封闭空间声场重构的多层等效源法

对于封闭空间内的多途反射声,传统的等效声源法将其等效为距离边界一定距离的单层等效声源体进行声场重构,然而等效源与边界的距离选取依据不确定。因此,为获得等效声源配置的最优距离,在等效声源法(ESM)的基础上构建多层等效声源,提出一种适用于封闭环境声场重构的多层等效声源法(MESM),并依据等效声源的空间分布的稀疏性来获得等效声源强度信息。首先给出多层等效源法的理论依据,其次通过数值计算以及实验测试两种方式对比验证了所提方法。数值结果表明:MESM相比于ESM可在600 Hz以上频段获得低5~10 dB左右的重构误差,但是200 Hz以下的低频重构误差会增加5 dB左右。实验结果表明:MESM可比ESM获得更低的重构误差。文章最后基于数值计算研究了所提方法的主要影响因素。研究表明:虽然MESM会比ESM耗费2倍的计算时间,但在整体频率范围内,MESM可在ESM基础上提升600 Hz以上的重构性能。另外,等效声源的层数和层内数目的改变不会影响声场重构性能,而当传声器数目较多、阵列位置随机、空间边界的吸声系数不是很大时,MESM可获得比ESM更低重构误差,特别是600 Hz以上的中频段区间。      

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。     

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。     

水下双层加肋圆柱壳全空间收发分置散射声场快速预报方法

针对水下双层加肋圆柱壳的全空间收发分置散射声场求解,提出了一种快速预报方法。该方法将散射声场表示为声散射传递函数与声源密度函数的乘积,以目标表面网格信息、少量的仿真或测试多基地散射声压数据作为已知信息,借助数值积分、矩阵理论、最小二乘法对其他收发分置散射声场进行预报。分别以有限元仿真和试验测试的散射声压数据作为输入,对水下双层加肋圆柱壳的多基地散射声场进行了计算,并与完全采用有限元方法的计算结果进行了对比。结果表明:该方法在目标表面结构和部分散射声场数据已知条件下能对目标的全空间收发分置散射声场进行预报;已知散射声压数据量越多,计算频率越低,预报精度越高。     

匀加速运动声源的声场建模及其数值算法研究

针对匀加速运动点声源的声场特性与其运动状态密切相关这一问题,提出匀加速直线运动状态下点声源的声场计算方法。利用此方法建立了匀加速直线运动时点声源的声压模型,对模型中的关键参数声矢量R进行数值解析,并对声压进行数值分析仿真,得出匀加速直线运动时固定接收点的声压数值计算方法。用此方法对固定接收点位置的匀加速点声源声压进行声场建模,结果表明:在声源接近接收者一定距离以后,声压明显增大;在此距离之外,距离对声压的影响不大。     

采用稀疏测量的高分辨率相干声场分离

现有相干声场分离方法受限于采样定理,要获取高分辨率的分离结果需要大量的测点。为降低测量成本,提出一种采用稀疏测量的高分辨率相干声场分离方法。该方法首先根据波叠加原理构建传递矩阵,然后通过奇异值分解技术获取声场的一组稀疏正交基,最后利用稀疏正则化获取权重系数的稀疏解并将其用于分离目标声场。仿真和实验结果表明:在测点数较少的情况下,该方法相较于常规等效源声场分离方法的分离精度更高。同时,常规等效源声场分离方法的分离结果分辨率受限于测点数目,而该方法可以在测点数较少情况下实现高分辨率的相干声场分离。      

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     

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。      

An equivalent source method for recovering and reconstructing the target sound field in a non-free field

In a non-free field,the existence of disturbing sources would destroy the free-field condition required by near-field acoustic holography,and confuse the identification of target source due to the scattering effect caused by disturbing sound falling on the target source.To totally remove the influence of disturbing source,a method for recovering and reconstructing the target sound field in a non-free field was proposed based on the equivalent source method and the pressure-velocity measurement.In the proposed method,the sound field separation technique was firstly used to separate the mixed sound field into the outgoing field coming from the target source and the incoming field coming from the disturbing source.Then the scattered component contained in the outgoing field was calculated by using the disturbing sound and the surface impedance of the target source.Finally,the sound field radiated by the target source in a free field was obtained by subtracting the scattered component from the outgoing field and was further used to reconstruct the sound field of the target source.The proposed method was numerically and experimentally testified and the results of both the simulation and the experiment demonstrated the validity of the proposed method.     

Direct sound field separation method on holography surface

In order to simplify the process which aims at separating the coherent sources located at different sides of holography surface,a direct sound field separation method which only depends on the data of holography surface is proposed.Assume that the reconstruction surface is holography surface,according to the equivalent sources located at the spherical surface,there exists a relationship between the measured sound pressure and the calculated value based on equivalent source method.Then,the coherent sources are separated.Numerical simulation analyzes the separation results when the interference sources are pulsating ball source and simply supported steel sheet with forced oscillation,respectively.The separation method is validated by experiment with two loudspeakers.The results show that the proposed method has high accuracy to the two kinds of interference sources and high tolerate deviation.     

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。      

基于 L-曲线参数优化的均匀声场重建算法

为了得到最小二乘法声场重建问题的稳定解,通常需要引入Tikhonov正则化方法。然而正则化程度取决于正则化参数的选择。针对这一问题,提出了一种基于L-曲线法参数选择的均匀声场重建算法。该算法根据重建误差与扬声器功率计算得到L-曲线,该曲线上曲率最大的点所对应的参数值作为Tikhonov正则化参数的选值。确定正则化参数后可进一步得到扬声器权系数以及重建均匀声场。针对不同正则化参数取值方法,对控制区域进行均匀声场重建以及重建性能仿真。仿真结果及实验表明,L-曲线法实现了重建误差与扬声器驱动信号功率之间的平衡。     

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.