声辐射计算的改进体积源边界点法

对体积源边界点法做了较大的改进,提出了在加权余量意义下,通过在边界结点法线方向(背离分析域)构作的四面体上对Helmholtz方程的基本解进行积分,来对偶地表达系统方程中的系数矩阵,从而求解结构振动声辐射问题。对大量算例和模拟车床主轴箱辐射声场的改进体积源边界点法分析表明:改进的方法在计算速度较原体积源边界点法提高了10余倍的情况下,在计算精度、计算稳定性、对振动体任意表面几何形状的适应性以及克服解的非唯一性等方面,表现出了良好的性态。     

体积速度匹配分布源边界点法的特解源位置优化方法研究

在分布源边界点法中,选择特解源及特解源位置对声场计算的精度具有很大的影响。为减小声场计算的误差,提出了一种确定特解源位置的优化方法。在该方法中,采用三极子作为特解源,以1%体积速度相对误差对结构声辐射计算的上限频率进行预测,然后在计算上限频率范围内通过体积速度匹配搜索,得到体积速度相对误差最小意义下的特解源优化位置,在该优化位置处构造声压与表面体积速度之间的传递矩阵来计算声场,以减小计算误差。数值仿真结果表明:在求取的计算上限频率范围内,特解源处于优化位置时,计算误差得以显著减小。当振速测量存在一定误差时,采用该方法仍可将计算误差控制在5%以内。     

体积速度匹配分布源边界点法的特解源位置优化方法研究

在分布源边界点法中,选择特解源及特解源位置对声场计算的精度具有很大的影响。为减小声场计算的误差,提出了一种确定特解源位置的优化方法。在该方法中,采用三极子作为特解源,以1%体积速度相对误差对结构声辐射计算的上限频率进行预测,然后在计算上限频率范围内通过体积速度匹配搜索,得到体积速度相对误差最小意义下的特解源优化位置,在该优化位置处构造声压与表面体积速度之间的传递矩阵来计算声场,以减小计算误差。数值仿真结果表明:在求取的计算上限频率范围内,特解源处于优化位置时,计算误差得以显著减小。当振速测量存在一定误差时,采用该方法仍可将计算误差控制在5%以内。     

基于分布源边界点法的局部近场声全息技术

为了克服基于分布源边界点法的近场声全息技术在小全息孔径条件下造成的重建误差问题,提出了基于分布源边界点法的局部近场声全息技术.该技术运用分布源边界点法,采用测得的较小全息面上的声压数据来外推较大全息面上的声压数据,然后用外推的数据进行全息重建.仿真和实验结果验证了采用该技术在小全息孔径条件下进行声源局部重建的有效性.     

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     

平面辐射器截断参量源的辐射声场:模型与实验

提出了一种计算以圆形平面活塞辐射器作发射源的声截断参量阵辐射声场的理论模型。即把由声低通滤波器截断的高频原波参量作用区在活塞辐射器的瑞利距离之内可以看作圆柱型的空间分布源。当活塞辐射器半径与参量作用区的长度相比小得多时。这种截断参量源模型可以退化到 Berktay的线源端射阵模型(End-Fire Line Array)。数值计算与实验的对比表明,按此模型计算得到的参量源辐射声场,尤其是在近轴附近与实验测量符合较好。     

复杂结构声辐射模态的计算

结构辐射阻矩阵的特征向量就是其声辐射模态,复杂结构的辐射阻矩阵获取困难阻碍了声辐射模态理论的进一步应用。为此提出一种基于等效源方法的复杂结构辐射阻矩阵计算方法,由此形成了一套完整的计算复杂结构声辐射模态方法。最后通过仿真算例对影响结构辐射阻矩阵计算精度的因素进行了分析,给出了复杂结构辐射阻矩阵构造的一般原则。理论推导和数值仿真算例表明所提出的复杂结构声辐射模态计算方法是有效的。该方法简化了复杂结构声辐射模态的计算,计算效率较高。     

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.     

改进的半空间频率均方声压法计算结构频带振动声辐射

为计算中高频半空间结构频带振动下声辐射问题,推导了基于能量源的半空间频率均方声压法(Frequency Averaged Quadratic Pressure,FAQP),并提出了改进的半空间FAQP法,克服了半空间FAQP法在失效频率下解不唯一的问题。频率带宽为4 Hz的刚性壁面作用下的脉动球和与自由表面相接触的脉动半球的声辐射数值计算,验证了改进的半空间FAQP法对解决失效频率下解不唯一问题的有效性。同时,刚性壁面作用下的脉动球和与自由表面相接触的脉动半球声辐射数值计算结果均表明,在1/3倍频程下,改进的半空间FAQP法与常规边界元方法相比,具有更高的计算精度,更适用于中高频计算。     

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.     

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。     

通过声辐射模态研究结构声辐射的有源控制

以简支平板为例,通过声辐射模态建立了弹性结构声辐射的有源主动控制策略。并分析了声辐射模态的数学和物理意义。研究发现在中、低频时,声辐射模态对应的辐射效率随着模态阶数的增加而迅速降低。在此基础上,本文提出了一种新的控制策略,即抵消前k阶声辐射模态的伴随系数,使得前k阶声辐射模态的声功率为零。本文以点力作动器作为控制力源进行了数值计算研究。     

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。     

水中弹性圆柱壳的共振声辐射

研究了在内壁简谐法向线力激励下的水中弹性圆柱壳的振动和声辐射问题,这有助于深入认识水中结构的声辐射机理,验证水下结构共振声辐射理论。本文从经典Rayleigh简正级数解出发导出共振声辐射公式,然后分别用经典公式和共振声辐射公式计算钢圆柱壳的辐射声功率及壳体表面声压曲线。计算结果表明两者符合良好。     

基于蒙特卡洛法的关节臂坐标测量机工作空间分析

传统的求解关节臂式坐标测量机工作空间的方法需要借助繁琐的数学公式、计算量大,针对这一问题选用蒙特卡洛法对工作空间进行分析。首先运用D-H方法建立关节臂式坐标测量机的数学模型得出运动学方程。然后采用蒙特卡洛法分析该测量机的工作空间,得出工作空间点云图。最后,采用局部象限分布的方法对关节臂式坐标测量机工作空间点云图的边界点进行提取。仿真实验结果表明用蒙特卡洛法对工作空间分析更简单易于实现,采用基于局部象限分布法提取到的边界点轮廓也更准确避免了虚假边界点的提取。     

复频聚焦超声换能器水中焦区商场特性的研究

本文对新研制的一种复频聚焦超声换能器的辐射声场进行了实验研究,测定了辐射压在轴向上的分布曲线,进而确定了焦区位置,这与理论所得结果符合较好,测定了辐射声压在焦平面上的分布曲线,并对焦区声场进行了定位,最后对换能器在水中焦区辐射声的频谱进行了研究,不仅观测到了两个源波,而且还观测到了和频波,差频波以及倍频波,证实了声散射声效应的存在。     

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:I理论

针对复杂振动表面的声辐射问题,提出一种模态分析方法。在振动表面上所有法向振速分布构成一个Hilbert空间;并在此Hilbert空间中,定义了一个包含声辐射性质并且是线性自伴正的算子。通过这个算子,确定了在Hilbert空间中的一组基函数,作为辐射模态,描述了振动表面的辐射模式。基于辐射模态,应用Helmholtz单层势构造了一组声场基函数,作为声场分布模态,描述了辐射声场的分布模式。声辐射行为可用辐射模态和声场分布模态展开表示。一种模态分析的方法引进声辐射问题的研究之中。     

非近轴近似多高斯声束模型的相控阵换能器声场计算

针对近轴近似的多高斯声束模型无法准确计算离轴区域声场的问题,我们提出了一个矩形源的非近轴近似多高斯声束模型,用于计算偏转聚焦时线性相控阵换能器辐射的声场。利用该方法计算了由矩形阵元组成的相控线阵的辐射声场,并与瑞利积分、近轴近似方法及夫琅和费近似方法进行了分析和对比,计算结果表明该方法克服了常规近轴近似条件的限制,可以准确、快速地计算较大偏转范围内的换能器辐射声场,在计算相控阵换能器偏转聚焦声场中具有独特的优势。