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     

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。      

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。      

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.     

基于双面质点振速测量的声场分离技术

现有的声场分离技术或是基于双面声压测量或是基于单面声压和质点振速测量。本文以二维空间傅里叶变换法作为声场分离算法,提出一种基于双面质点振速测量的声场分离技术。论文首先推导出了该方法的理论模型,随后通过仿真研究验证了该方法的有效性,并通过与基于双面声压测量的声场分离方法的比较说明了其优越性。结果表明:采用基于双面质点振速测量的声场分离方法可以有效实现声场分离;基于双面质点振速测量的声场分离方法可以获得更高的质点振速分离精度,而基于双面声压测量的声场分离方法可以获得更高的声压分离精度。      

一种辐射声场近似计算方法——单元辐射叠加法

提出一种基于表面振速预报辐射声场的近似方法--单元辐射叠加法.研究表明,声传递向量中的每项元素等于对应单元以单位速度振动、其它单元振速都为零时的辐射声压,即刚性障板上活塞面以单位速度振动时的辐射声压.在此基础上,利用刚性障板上单位速度振动活塞面的辐射声压直接建立表面振速与辐射声压之间的传递关系,根据这个传递关系对表面振速进行加权、求和便得到总的辐射声压.计算时采用规则形状障板面去拟合实际障板面,以规则形状障板上振动活塞面的辐射声压去近似实际障板上振动活塞面的辐射声压.相对于边界元方法,该方法在计算速度与存储空间上具有很大的优势.计算表明该近似方法是合理的、可行的.     

考虑任意阻抗壁面条件管腔结构声场特性分析

针对任意阻抗壁面条件一维管腔声学系统建模,对系统动力学特性进行预报。为了满足阻抗边界条件对声压一阶导数连续性要求,管腔声压函数通过在标准傅里叶级数端点位置引入边界光滑辅助多项式进行构建。结合壁面阻抗声学边界和管腔声学Helmholtz控制微分方程得到强形式标准特征值问题,获得相应的声学模态信息。在数值仿真中,通过算例给出各种边界条件下管腔声学模态频率、声压振型、声压和质点振速频率响应曲线,与现有文献中相关结果进行对比,充分验证了本文求解方法的正确性和有效性,证明该方法可对任意阻抗壁面条件管腔系统声学特性进行准确预报。     

基于单元辐射叠加法的结构声源声场重建方法

为了提高分布式结构声源的声场重建精度,本文提出了基于单元辐射叠加法的结构声源声场重建方法.该方法首先利用声场叠加原理和结构振声传递特性,建立了结构声源表面振动与辐射声场之间的振声传递关系解析表达式,得到便于快速计算的振声传递矩阵,能够解决连续分布、相干结构噪声源的声传播模型精细化表征问题.然后利用振声传递矩阵作为传递算子进行声场重建,并与迭代加权算法相结合.通过将基于单元辐射叠加法的声场预报结果与解析法预报结果进行比较,验证了单元辐射叠加法具有较高的准确性.并将基于单元辐射叠加法的声场重建方法与传统等效源法近场声全息和迭代加权等效源法相比较,通过仿真分析与矩形板声场重建实验证明了基于单元辐射叠加法的声场重建方法能够改善结构声源的声场重建精度并增大近场声全息的有效测试距离范围.     

波叠加声场重构精度的影响因素分析

波叠加法是利用等效源的思想来求解声辐射问题的一种数值方法.其原理并没有确切地规定如何配置等效源.正由于这些不确切性的存在,当将它应用到声场重构时,有必要检验重构的准确性,分析影响重构精度的各种因素,目的是通过分析而获得一些提高重构精度的规律.通过理论分析和数值仿真,分析了各因素对重建准确性的影响.证明等效源必须配置在辐射体内部,而且最好能与辐射体表面共形;但测量面并不需要与辐射体表面共形,而且也不需要在近场测量;还发现,Tikhonov和TSVD正则化方法很适合与波叠加法结合用于声场重构.依据这些规律能更好地应用波叠加法进行声场重构,也将拓宽其应用范围. 关键词： 声场重构 波叠加法 误差影响因素 正则化方法     

轴对称结构表面声场的非共形重建精度分析

研究了以近场声压重建任意边界条件的轴对称振动体表面声场的一类逆问题．提出了解决该类问题的能克服奇异积分的基于正交函数展开（ＯＦＥ）与边界元积分（ＢＥＩ）相结合的数值重建算法．通过对结构在对称或非对称振动下的表面声场的非共形数值重建的精度分析,提供了一种关于轴对称体表面场重建的工程化方法,数值结果也表明了该方法的有效性．     

基于声粒子分布积分的无网格声场计算方法

小尺度封闭空间内部声场的数值计算是声学设计、噪声控制等领域的关键技术。由于波动声学及几何声学方法计算频率上的限制,中频段声场计算问题一直是个难点。本文以声学无网格法为基础,提出了一种基于声粒子分布积分的无网格声场数值计算方法。文中利用声线跟踪理论计算声场中的声粒子分布,并以某个时间点上的声粒子作为蒙特卡罗法中的积分点,将其应用于无网格法中,从而获得声场中的节点声压。利用该方法对一个矩形封闭空间的中低频声场进行了计算,并与模态叠加法、商用声场计算软件、经典无网格法的结果进行了对比,证明基于声粒子分布积分的无网格声场数值计算方法在中低频段相较于传统基于网格的方法具有更高的精度。     

一种预测扩散声场在非规则形状刚性壁面附近干涉图样的方法

扩散声场会在反射边界附近形成干涉图样,研究方法包括平面波模型、简正模态分析、渐进模态分析等,但仅适用于尺度远大于声波波长的矩形声腔。提出一种预测扩散声场在非规则刚性壁面结构附近形成的干涉图样的数值方法,表明结构附近“受挡”声压的互谱矩阵取决于:(1)假定该结构在自由空间中振动辐射声音时其表面法向振速到表面及场点声压的边界元系数矩阵;(2)假定结构置于自由空间中且表面刚性时,点声源辐射声波入射到结构表面上产生的散射声场的边界元系数矩阵;(3)扩散声场均方声压。仿真表明,该途径预测的干涉图样与理论值完全吻合。该预测方法还可用于混响环境下声源附近直达声压均方值的空间分布估计,为混响环境下设备的声源定位提供帮助。      

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。     

内部体积源作用下的圆柱壳内外声场特性

圆柱壳内各型体积源辐射噪声特性研究是声场建模和声场预报的前提.为了研究具有指向性的大尺度体积源特性对水下航行器结构内外声场的影响,本文结合薄壳理论、等效源和柱腔Green函数构造了体积源激励下的壳体振动耦合方程,研究了体积源表面声散射作用和指向性强弱对圆柱壳内外声场的影响.数值计算结果表明,体积源构造的准确性与其等效源位置有关,等效源配置在体积源几何中心与其结构表面之间0.4—0.6时,可以提高声场计算结果的准确性;大尺度体积源表面的声散射作用会导致壳体内部声场结构发生改变,内声场声腔共振峰发生偏移,并且在部分频段引起较强的声透射现象;此外,体积源指向性变化对壳体内外声场强弱影响较小,其显著作用表现在改变了外辐射声场的远场指向性.该研究结果对噪声预报和控制有一定的参考价值.     

基于声压场描述的扩散声场多自由度互易原理研究

应用于复杂结构中频声振分析的扩散场多自由度互易原理采用位移变量描述系统,实质为弹性波场互易原理,应用于声波场时会造成模型自由度数不必要的增加。建立基于声压描述的扩散声场受挡模型,利用声辐射模态描述扩散声场中结构的表面受挡声压;据此提出基于声压描述的扩散声场多自由度互易原理,发现扩散声场中结构表面受挡声压的互谱矩阵与该结构在自由空间中振动辐射声波的声阻矩阵成正比。该互易原理与传统的单自由度互易原理表达形式相似,但适用于任意自由度结构。该互易原理可用于扩散声场中复杂结构的表面受挡声压的自谱及相关分析,仿真研究表明当边界元网格尺寸小于声波波长的1/6(线性单元)或1/3(二次单元)时,数值解与理论解完全吻合。      

开孔对封闭空间共振特性的影响

研究了开孔对封闭空间声场的影响。通过将孔内振动空气等效为点源,用模态展开法建立了开孔封闭空间的声场模型,计算了开孔封闭空间高阶共振频率和在共振频率激励下的声压分布。结果显示:开孔等效于孔处声质量减小,一般使得开孔封闭空间的共振频率增加;但当孔位于某模态节点时,由于该阶模态与任一模态在开孔处未发生耦合,该模态共振频率不变;由于在开孔区域对应于激励频率的模态声压和其余各阶模态声压之和的相位相反,高阶共振频率激励下靠近小孔位置的声压减小。因此,开孔对封闭空间声场有影响,其影响程度与开孔位置和开孔尺寸有关。      

全面感知水声信息的新传感器技术——矢量水听器及其应用

文章介绍了一种新型水声接收换能器——矢量水听器(矢量传感器),它可以同时共点地测量声场的声压和矢量(水媒质质点振速,振动加速度或声压梯度等),使用矢量水听器比常规声压水听器能获得更全面的声场信息,因此,在水声技术中获得了广泛的应用.文中描述了矢量水听器的结构设计和工作原理及特性,给出了一些重要的应用例子.     

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。      

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