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。      

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.     

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。      

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。     

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.     

利用起伏界面改善非消声水池中的声功率测量

针对非消声水池的声学测量应用,提出了一种在界面起伏的非消声水池中测量水下声源辐射声功率的方法。基于数值方法分析了在非消声水池中利用起伏界面改善低频声源辐射声功率测量的可行性,进一步在一个尺寸为1.2 m×1.0 m×0.8 m的非消声水池中开展实验研究,测量了水声换能器的辐射声功率。实验表明,相对于界面静止的水池,利用造波装置生成随机起伏界面后,声场扩散性明显改善:(1)水池的Schroeder频率从10015 Hz降低到8370 Hz,辐射声功率的测量范围向低频扩展;(2)结合空间平均技术测得的频响曲线起伏程度减小,与自由场值更接近,辐射声功率的测量结果更为准确。所提方法有助于提高非消声水池中水下目标声学特性的测量能力。     

声场重构的声辐射模态阶数分析

利用声辐射模态法对椭球状声源辐射声场进行重构,分析了模态阶数对相对误差的影响,以及模态阶数与频率的关系;同时深入探讨了声源形状变化对模态阶数选取的影响。研究发现利用较少的模态阶数即可得到很好的重构效果,且声源形状的变化对重构所需模态阶数的影响较小,因此可将该方法用于任意形状声源的重构,体现了此方法在声场重构中的优越性。     

三维浅海下弹性结构声辐射预报的有限元-抛物方程法

利用多物理场耦合有限元法对结构和流体适应性强、抛物方程声场计算高效准确的特点,提出了三维浅海波导下弹性结构声振特性研究的有限元-抛物方程法.该方法采用多物理场耦合有限元理论建立浅海下结构近场声辐射模型,计算局域波导下结构声振信息,并提取深度方向上复声压值作为抛物方程初始值;然后采用隐式差分法求解抛物方程以步进计算结构辐射声场.重点介绍了该方法对浅海下结构声辐射计算的准确性、高效性以及快速收敛性后,对Pekeris波导中有限长弹性圆柱壳的声振特性进行了分析.研究得出,当圆柱壳靠近海面(海底)时,其耦合频率比自由场下的要高(低),当潜深达到一定范围时,与自由场耦合频率基本趋于一致;在低频远场,结构辐射场与同强度点源声场具有一定的等效性,且等效距离随着频率增加而增加;由于辐射声场受结构振动模态、几何尺寸和简正波模式影响,结构辐射场传播的衰减规律按近场声影响区、球面波衰减区、介于球面波和柱面波衰减区、柱面波衰减区四个扩展区依次进行.     

半球封闭圆柱体表面绕射声场研究

基于一致性几何绕射理论,对半球封闭圆柱体上半球表面的高频绕射声场进行了数值计算与分析。获得了单个点声源作用下,半球表面声场的声压分布图,其中包括一些干涉条纹,干涉条纹的区域及形状与点声源的位置和频率有关;在多个点声源作用下,发现在接近半球顶点的附近,多个声波经多途传播后在该区域的叠加声压由衰减转为增强的现象。     

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。     

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     

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     

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。     

点噪声源在近程声场中传播损失的仿真研究

在分层介质条件下，用本征声线法仿真计算了点声源这距离噪声场的传播损失曲线，仿真结果表明，其传播损失不仅依赖于声速分布，海区深度，海底反射特性等环境条件，也依赖于声源及接收水听器的深度，声传播损失显著不同于球面波衰减规律，其传播损失率差别可达８ｄＢ，这表明在测量舰船目标的辐射噪声声源级时必要的声场校正测量是必须的。     

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。      

基于波束形成和波叠加法的复合声全息技术

近场声全息是一种准确的噪声源识别技术.然而,由于存在测量要求严格、测点数多等缺点,一定程度上限制了它在工业现场的广泛应用.基于此,提出一种基于波束形成和波叠加法的复合声全息技术.首先利用传声器阵列获取声压场信息;再通过波束形成对声源进行定位;然后在这些声源位置附近配置等效源;最后应用波叠加法进行声场重构.该技术的优点是只需要少量传声器,在中、远距离测量,可以方便快速地实现声场重构.采用两个脉动球的声源模型进行了数值仿真,并在半消声室内采用音箱模拟噪声源进行了实验,都准确地重构了模型的外部声场.这表明,该技术可以准确地对辐射体进行声场重构,为其在工业现场中的应用奠定了基础.     

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.     

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。      

基于脉冲声分离的刚性球散射声控制

提出了一种基于脉冲声的三维空间中刚性球散射声分离方法,并利用前馈、固定系数控制方式对分离出的散射声进行有源控制,抑制散射声强度,实现了刚性球散射体在观测点处“声学不可见”。该方法利用脉冲信号作为初级噪声,通过有无刚性球时传声器采集脉冲信号的差值确定散射声大小,实现散射声与声源直达声的分离。对分离出的散射声进行多通道有源控制以验证该文所提分离方法及控制系统的有效性。实验结果表明,700~1000 Hz范围内,有源控制开启后,双通道散射声的平均降噪量大于5 dB,多通道散射声的平均降噪量大于8 dB,且误差传声器处采集的残余声场与无刚性球时采集的初级声场信号波形基本一致,实现了刚性球散射体在误差传声器处“声学不可见”。此外,参考传声器布放位置的选取问题也在该文做了详细讨论。