近场声全息(NAH)中减少测量点数的研究

近场声全息（NAH）是一种进行噪声源分析的有效工具。但要获得较高的重建精度必须在全息面上大孔径范围内进行密集的数据采集,需要大量的测量点,测量任务十分繁重。因此在保证重建精度的前提下研究如何有效地减少全息面测量点数对NAH的意义十分重大。在总结前人工作的基础上,提出了一种利用支持向量回归对全息面进行插值的方法。该方法可以在全息面传声器数目较少时通过插值提高重建精度,因而可大幅地减少全息面的测量点数。对于两个矩形板声辐射数值计算中减少的测量点数都可高于70%,并得到了其它有意义的结论,达到了保证重建精度的前提下有效地减少全息面测量点数的研究目的。     

基于稀疏贝叶斯学习的高分辨率Patch近场声全息

针对基于空间二维Fourier变换的近场声全息技术的重建效果受到测量孔径与测点数影响的问题,提出一种基于稀疏贝叶斯学习的高分辨率Patch近场声全息方法。利用高斯核函数和稀疏贝叶斯学习算法对全息面声压进行插值和外推,利用插值和外推后的全息面声压进行近场声全息重建。仿真和实验结果表明,所提方法可有效抑制小全息孔径测量对重建精度的影响,同时可以在测点较少的情况下极大提升全息重建的空间分辨率。另外,仿真结果还证明了插值过程具有较好的稳定性,可以在一定程度上提高测量数据的信噪比。     

基于支持向量回归外推的统计最优近场声全息研究

通过数值仿真方法,研究统计最优近场声全息中全息面孔径大小对重建精度影响。结果表明当全息面孔径大于重建面孔径2个采样间隔便能获得较高的重建精度,再继续增大全息面孔径也可以提高重建精度,但是趋势变缓。在此基础上,进一步提出了一种利用支持向量回归对全息面孔径进行外推的方法,在不增加测量孔径的前提下,可以通过数据外推增大全息面孔径,提高重建精度。对方形简支钢板辐射声场的仿真结果,验证了方法的有效性。     

少量测点条件下提高结构法向振速重建精度和分辨率的方法

为了解决少量测点条件下利用近场声全息技术重建结构表面法向振速精度和分辨率不高甚至失效的问题,提出了一种基于声压声辐射模态的全息面插值算法,可有效提高结构法向振速重建精度和分辨率。计算全息面声压声辐射模态向量;根据声压声辐射模态收敛性,求取截断声压声辐射模态展开系数的最小二乘解或Tikhonov正则化解,由此计算出插值点处的声压值;利用插值后的全息面数据重建结构表面法向振速。简支平板激励仿真和音箱实验均表明,少量测点条件下利用该方法能够有效提高结构法向振速重建精度和分辨率,验证了方法的有效性。同时音箱实验验证了方法的可行性。     

圆柱壳辐射声场重构的波叠加方法

将声全息技术应用到水下结构的声场重建问题中。通过理论推导和数值仿真,分析一两端带半球帽的圆柱壳模型在不同激励作用下声场的重建效果及影响重建精度的因素。考虑到实际应用,全息面分别采用柱形全息面和平行的双平面全息面。仿真结果表明,该方法是一种稳健的全波数空间声场重构技术;其重建精度受到等效源面参数、全息面参数及测量环境信噪比等多因素的影响;在含有测量噪声的条件下,应用Tikhonov结合L曲线的正则化方法仍可以较精确地重构声场;相比于其它方法,波叠加方法具有测点少,计算速度快等优点,有很好的应用前景。     

基于近场测量法的水声换能器声场重建方法研究

为了提高对水声换能器声场分析的效率,开展了基于近场测量法的水声换能器的声场重建方法研究,首先将水声换能器的全息测量面近似为等效声源面,通过积分得到声场重建模型,然后利用自主研发的水下声场测量系统获得发射换能器全息测量面的复声压,实现对其声场的重建,最后比较不同全息测量面的重建结果和实测数据,并分析全息测量面的位置对重建结果的误差影响,得到了重建方法的有效测量区间。该声场重建方法可快速得到水声换能器的声场分布,并且准确可靠。     

基于改进统计最优近场声全息的空间多种声源声场重建

为获取空间多种声源声场信息,传统统计最优近场声全息需要较多高阶项数的波函数来重建声场,而随着波函数阶数的提高,该方法对误差的放大作用也越大;此外传统方法都采用与声源共形的全息测量面,限制了其应用范围。提出了一种基于平面测量的改进统计最优近场声全息方法,可在波函数阶数较低的情况下提高重建精度。首先通过分析空间多种声源的特点选取合适的波函数组合,然后用该组合求出声场传递矩阵,最后重建出目标声源声场。通过数值仿真验证了该方法的有效性和适用性。结果表明:该方法能够有效地降低重建所需波函数阶数,抑制高阶波数对误差的放大作用从而提高重建精度,即使全息面与声源不共形,也能准确地重建出目标声源声场。     

双层插值NAH噪声源定位方法研究

针对近场声全息(near-field acoustic holography, NAH)在实际测量环境下降低环境噪声的影响且保证全息面上声压重建精度的需求,基于空间面积分声压重建理论,在基于等效源法的近场声全息方法(near-field acoustic holography based on equivalent source method, NAH-ESM)基础上,利用Newton插值和克希荷夫积分的声压重构方法提出一种双层插值NAH噪声源定位方法。由少量麦克风测量点数据,重构多个全息面上任意位置点的声压值及声矢量,实现噪声源定位,进而重构噪声源。最后结合噪声源重构结果建立噪声源等效模型,通过实地测量,建立某制氧厂主厂房噪声数值仿真,仿真结果与实测值误差在5%以内。通过实验证明在一定复杂环境下,该方法能有效提高噪声源定位效率及精度。     

用于近场声全息正则化的共轭梯度法

提出采用共轭梯度正则化方法稳定基于分布源边界点法的近场声全息重建过程,控制测量误差对重建结果的影响.共轭梯度法中的最佳迭代次数通过在全息面与源面之间布置一个小型辅助面,并通过最小化测量值与重建值之间的相对误差来选取.与Landweber迭代正则化方法相比,该方法同样具有较高的重建精度,但迭代时间却大大减少.对实际声源的实验研究验证了采用共轭梯度正则化方法控制近场声全息重建误差影响的有效性及其优越性.     

基于波叠加与统计最优近场声全息的单面声场分离技术

基于空间声场变换的近场声全息以及统计最优近场声全息都要求全息面一侧的声场必须为自由声场。为了克服应用上的局限性,提出了一种波叠加方法和统计最优近场声全息相结合的方法。针对现有的双全息面声场分离技术需要在两个全息面上进行声压测量,效率较低的问题,首先采用波叠加算法根据全息面上的声压重构出某个重建面上的声压,然后利用全息面和重建面的声压数据采用统计最优近场声全息技术分离出全息面某一侧声源在全息面上单独产生的声学量,从而以更少的测点数在全息面两侧都存在声源的情况下实现空间声场分离。实验和数值仿真验证了该方法的有效性和可行性。     

传声器通道和位置失配误差对平面近场声全息的影响

在综合考虑偏度误差与随机误差的基础上,分析了传声器通道失配误差和位置失配误差对平面近场声全息（NAH）分析的影响,从实空间和波数域两方面对全息面和重建面上引起的统计误差进行了详细的理论推导,并以理想点源作为研究对象对理论结果进行了验证。理论推导与数值仿真均表明：在偏度误差和随机误差取值相当的条件下,在波数域内,它们在全息面及重建面上产生的统计误差的偏差都较小,且偏度误差引起的归一化偏差要大于随机误差引起的归一化偏差,但两者在全息面及重建面上产生的统计误差的方差大相径庭,偏度误差引起的归一化方差很小可以完全忽略不计,而随机误差引起的归一化方差在辐射圆外呈指数倍数放大,会对NAH的重建结果将会产生严重的影响,综合考虑后,随机误差比偏度误差对NAH重建精度的影响更大。     

《基于非先验基分析提高声场重建精度》

在近场声全息(NAH)测量中，需要用离散傅里叶变换（DFT）进行频谱分析。在非同步采样下，DFT频谱分析产生泄露误差，导致重建精度低。基于非先验基的分析方法通过搜索内积的最大峰值来选取基向量，能够减小强幅值信号的掩蔽效应。将非先验基分析方法引入声全息系统，用来分析全息面复声压信号，进而重构点声源的辐射声场。结果表明，该方法能够提高声场重建的精度。     

近场声全息方法识别噪声源的实验研究

根据近场声全息(NAH)的原理，建立了全息实验所需要的采集、分析系统。针对影响重建精度较大的截止波数的选取问题，给出了较为详细的讨论．并提出一种不需先验知识的截止波数选取方法。最后通过对实测数据进行全息变换．重建结果表明：在采用提出的截止滤波选取方法后，NAH技术可以精确地对噪声源进行定位与识别，并且可以得到三维空间内的声压、质点振速和声强矢量等声学信息。     

局部近场声全息的仿真与实验研究

声场的局部测量不能满足基于快速傅里叶变换近场声全息理论推导的前提条件，所以该方法无法实现局部声场的精确重建。统计最优近场声全息在空间域直接实现声场的重建，避免由于使用快速傅里叶变换而产生的各种误差。结合不同的正则化方法，研究了统计最优近场声全息对局部声场的重建效果，分析了重建面边缘区域以及中心区域误差对总误差的贡献。仿真与实验结果表明：统计最优近场声全息可以实现局部声场的精确重建，重建面边缘区域的误差大于中心区域的误差；正则化技术方面，基于Engl误差最小化原则的正则化参数选择法，使得Tikhonov正则化方法更为实用。     

基于分布源边界点法的近场声全息实验研究

采用基于分布源边界点法的近场声全息技术对运转状态下的罗茨真空泵进行了噪声源识别和定位研究。实验采用13个声压传感器组成的传声器阵列和1个参考传声器测量全息面上的复声压信息，进而通过基于分布源边界点法的近场声全息技术和Tikhonov正则化方法重建获得声源的表面法向振速。重建结果表明：在测量信号中存在的2个低频噪声是支架在真空泵振动的激励作用下产生共振所致，而非真空泵本身所固有的噪声；而1533．2～1699．2Hz的宽带噪声则是真空泵端盖表面振动所产生，是真空泵所固有的噪声。同时，重建结果给出了各频率处噪声源的具体位置，为有效地进行真空泵的噪声控制提供了依据。     

Aberration compensation in digital holographic reconstruction of microscopic objects

Abstract

We present a digital method for the compensation of the aberrations appearing when a lensless hologram of a microscopic object is reconstructed. The digital hologram of the microscopic object is recorded on a relatively low resolution device (CCD sensor). An expansion of the hologram by interpolation of the recorded intensity is performed in order to increase the number of pixels. For digital reconstruction of the wavefronts the expanded hologram is multiplied by the reference wave followed by simulation of the diffraction using the Rayleigh-Sommerfeld propagation relation. Experimental results are presented.     

基于NAH变换的两端封闭有限长圆柱壳体内部声场重建

首先采用模态叠加法计算出两端封闭圆柱壳体的内部声场,然后在Neumann边界条件下推导圆柱壳体内部NAH变换算法,将声场中近场面上的全息数据与NAH变换算法结合实现内部声场的重建,最后比较重建的声场分布与模态叠加法计算出的声场分布,结果表明:通过NAH算法重建的声场分布能较好地与模态叠加法计算出声场吻合.