基于振速测量单全息面直接声场分离方法

摘 要：为了更精确的分离质点振速,以波叠加法作为声场分离算法基础,提出单全息面测量振速直接声场分离方法。建立了单面振速测量声场分离模型,并推导了理论计算方法,通过数值仿真,分析算法的计算精度,验证了该方法可以有效分离声场。然后对比本文分离方法和单面声压测量声场分离方法分离简单源和脉动声源的误差,结果表明：单面振速测量的直接声场分离方法可以有效分离目标声源,而且可以获得更高的振速分离精度。     

复杂声场环境下目标声源声场重建误差分析

针对目标声源在复杂声场环境下进行声场重建易受到其它声源干扰的问题,提出存在干扰源声场、散射声场及目标声源声场的混合声场环境下基于单面声场分离技术的目标声源声场分离及重建方法。首先,通过理论分析和公式推导,清除干扰源声场及散射声场的影响;然后,利用传递函数性质对声场分离及重建误差进行分析,并对计算公式中存在的奇异性问题予以消除,得到高分辨率的声场重建图像。数值仿真表明:利用常规的单面声场分离技术很难重建混合声场环境下目标声源的声场,而利用本文研究的声场分离及重建方法能够很好反映目标声源声场的实际情况,提高声场重建的精度。     

测量点位置对声源识别的影响

振动表面的振速可以用声辐射模态展开表示,讨论了利用声辐射模态进行噪声源识别的方法.对于声源振速重建,关键就是确定展开系数.在声场中选择N个测量点,测量声场中的信息,求解展开系数.以平板振动为实例,利用声辐射模态对平板表面的振速分布进行重构,研究声源识别问题.通过模拟计算,发现声辐射模态方法结合Tikhonov正则化方法可以进行噪声源识别.同时就同一测量面上测量点的不同分布情况对识别的不同效果进行分析.研究结果表明:测量点位置分布不均匀时,声源识别效果较好.     

一种非自由声场中声源表面振速重构简化方法

在非自由声场中利用近场声全息技术重构声源表面振速时,需要先去除干扰声及干扰声在声源表面的散射声对重构结果的影响。针对刚性边界的声源提出一种非自由声场中表面振速重构的简化方法。该方法利用声源表面的刚性边界条件,只需一步求逆过程即可实现干扰声和散射声的去除以及声源表面振速重构。在仿真中选取简支铝板作为目标声源进行分析,结果表明该方法能够在非自由声场中实现声源表面振速的准确重构。最后通过实验进一步证明了该方法的有效性。     

基于质点振速输入和Laplace变换的流动媒质中近场声全息技术

流动媒质中近场声全息技术(NAH)是一种能够实现流动媒质中声源识别和声场重建的先进技术。大多数流动媒质中NAH算法都是以声压作为输入量,但在测量声压时,传声器和媒质之间相互作用会产生气动背景噪声。得益于质点振速能够利用光学方法进行测量(例如LDV),以质点振速作为输入量的流动媒质中NAH具有一定的优势。然而,当以质点振速作为输入时,经典的基于空间Fourier变换的流动媒质中NAH算法存在奇异性问题,导致该方法具有不稳定性。鉴于此,本文提出了基于Laplace变换的流动媒质中NAH技术,在时间上利用Laplace变换代替Fourier变换,从理论上消除了奇异性,进而实现了基于质点振速输入时流动媒质中声场的精确重建。仿真结果表明,所提出的方法具有良好的声场重建效果。     

柱面统计最优近场声全息参数对比研究

考虑到近场噪声检测对水下航行器诊断、降噪具有重要意义,利用矢量声波信号指向性强、抗干扰能力优秀,能有效屏蔽工作环境中物体反射与其他方向干扰声源的特点,提出一种基于振速矢量信息进行柱面统计最优近场声全息的算法.通过仿真分析与实验对比,分别从声源频率与重构距离这两个参数变化对比该算法与标量声压算法的重构精度与声场效果,验证...     

基于双振速测量面的噪声源定位方法研究

在较远距离准确定位噪声源对水下航行器等设备的减振降噪具有重要意义。该文提出一种基于双振速测量面的近场声全息技术,采用双测量面对双噪声源信号的质点振速信息进行提取,利用前后两测量面间的相位差构成格林函数,并根据声场重建公式进行近场声全息声场重建。数值仿真及主峰位置偏差分析表明,基于振速测量的双测量面近场声全息技术,与单振速测量面、双声压测量面的近场声全息技术相比,可以忽略边缘误差的影响,并可以在较远的测量距离更准确的定位声源位置,验证了基于双振速测量面近场声全息技术的有效性和可行性。     

封闭水池中非自由场重建的实验方法

为实现水下封闭空间中非自由声场的重建,提出一种单全息面的声波分离方法。用声场中不同位置声压的球谐函数展开描述非自由声场,并在声场重建过程中剔除环境噪声,达到目标声源的直达声与环境噪声分离的目的。在六面反射的封闭水槽内,进行非自由声场重建的实验,获得了目标声源的直达声,并与消声水池中的测量结果进行对比,表明:基于单全息声压测量面的声波分离方法可以有效重建水下非自由声场,声波分离后目标声源辐射声场的重建误差小于30%。     

光子相关法测量空气声场中的粒子振速

声场中的粒子振速是评价空气声场特性的一个重要参量。在平面波声场中,通过获取激光多普勒测速仪对不同声压级声场中散射粒子产生的光电信号,采用光子自相关法对原始多普勒信号进行处理,粒子的速度量值根据相关函数的时间特征值得出,并与传声器测量声压值计算的粒子振速值进行比较。在原有自相关算法的基础上,利用样条插值法来估计相关周期,减小原有信号频偏与多普勒频率之比并非整数倍的引入的差异。实验结果表明,光子相关法能够获得声场中的粒子振速,与传声器测量值吻合较好,当振速较大时,插值法有利于减小测量偏差。在96~110 dB的声压量值范围内,光子相关法与传声器测量值之间的振速偏差优于0.7 dB。     

水下目标低频辐射噪声矢量声场干涉测试分析

矢量传感器具有与频率无关的偶极子指向性,可以同步、共点和独立测量声场中的声压和质点振速,在水下目标辐射噪声测量领域得到广泛应用.本文采用虚源干涉模型和简正波矢量声场理论,计算和仿真分析了水下目标低频辐射噪声声压与质点振速近程声场的时间-频率干涉图案,利用单矢量传感器辐射噪声测量系统在北黄海海域对单个和两个目标的水下辐射噪声进行了测试和分析.结果表明:水下目标低频辐射噪声声场质点振速水平分量与声压的时间-频率干涉条纹具有相似性,而声场质点振速比声压的时间-频率干涉条纹清晰,且质点振速能够抑制目标与目标辐射噪声之间的干涉;利用质点振速LOFAR图,可以判定水下目标的数目,区分水面和水下目标.     

基于矢量阵测量的局部近场全息技术研究

统计最优近场声全息技术是通过全息面上测量声压的线性叠加来反演重建面上的声学量,可以从理论上克服基于傅氏变换的近场声全息技术的局限性。针对水中圆柱体的噪声源识别问题,采用声压和质点振速测量来进行声全息计算,推导了基于振速测量的统计最优柱面近场声全息技术的重建公式。利用所编制的程序进行了仿真验证,最后设计矢量水听器进行水中全息实验,验证了该方法的可行性和准确性,实验结果表明,该技术在水中柱形声源辐射声场的噪声源识别和定位中有着明显的优势。     

基于空间傅里叶变换的柱面结构声学灵敏度分析

声学灵敏度可以用于预测空间声学量随设计变量的变化情况,为低噪声设计提供优化方向和量化依据,对其进行研究具有重要意义。在空间傅里叶变换的基础上,提出了一种用于柱状声源外部声场的声灵敏度计算方法,在已知振速及其对设计变量导数基础上,给出了可用于计算空间任意点的声学量关于声源的结构参数、材料特性等设计变量的灵敏度分析公式。而且空间傅里叶变换的引入,使得文中算法具有计算速度快,稳定性好的优势。数值仿真的结果证明了该方法的正确性和有效性。     

基于矢量水听器的南海海洋背景噪声测试

矢量声压振速联合处理建立在信号的声压和振速相位基础上,海洋环境边界影响将改变矢量声场声压振速的幅度和相位特性．首先根据南海环境条件结合水下目标辐射噪声测量,采用声场矢量简正波理论估算海面非相干偶极子噪声和水下点声源矢量强度随深度的变化,然后设计了可用于深海海域噪声测量的矢量水听器测试系统,获取了南海海域典型深度上的背景噪声矢量强度并进行了特性分析．结果表明：深海背景噪声谱级在500Hz以下基本上不随深度变化,在500Hz～3kHz频段浅深度背景噪声谱级略高于较深深度的背景噪声;振速垂直分量的背景噪声要小于声压和振速水平分量的噪声谱级．     

基于改进HELS方法的局部近场声全息技术研究

为实现复杂声源局部声场精确重建,提出基于改进的HELS法的局部近场声全息(PNAH)技术。将实际声场视为声源各部分产生相干声场的叠加,利用小全息孔径测量声压求解正交基函数的线性组合系数,实现全息声压近场外推;用外推所得数据进行声场重建。仿真及实验结果表明,该方法能有效重建复杂声源声场,且重建精度较高。     

应用于传声器阵列定位校准的空间点声源声场拟合方法

介绍了一种用于传声器阵列声源定位精度校准的空间点声源声场模拟方法,并基于该方法设计了一套空间点声源模拟系统,完成了一个传声器阵列的定位位置精度校准。文章采用多通道点声源空间声场合成算法模拟了一个位于自由场空间的点声源,根据传声器阵列中每一个传声器的空间位置坐标,计算出传感器所处位置声场的动态声信号。通过耦合腔标准声源将对应的多通道电压信号输入被校准阵列系统,完成点声源的模拟。然后,该阵列运用波束形成算法进行声源定位,得出点声源的位置,并与模拟点声源的位置进行比对,实现对阵列定位准确性的校准。     

等效源方法的适用性判定及源的优化布置

采用等效源方法建立了辐射体表面法向振速到场点声压的传递函数,实现了声场的数值预报。以相对速度误差为评价指标,对等效源法的求解精度进行了先验判定,提出了以1/2速度误差限制线来确定等效源法适用的频率范围,进一步以声辐射效率为指标对声压计算结果的合理性进行后验判定。分别针对单个频率点、多个频率点对等效源的位置进行优化,结果表明存在最优等效声源位置以满足辐射体表面法向振速的最佳匹配。将等效源的优化方法应用于具有声反射面的脉动球源及锥-柱组合壳体的辐射声场预报,预报结果与解析解及边界元法计算结果吻合较好,说明等效源法在工程上应用是可行的。     

利用部分声源面测量数据识别噪声源

为利用声源面少量测量数据识别噪声源,提出了一种基于声辐射模态的联合利用声压与法向振速进行噪声源识别的方法。首先,对辐射声阻抗矩阵进行特征值分解,得到基于振速的声辐射模态;然后,推导出了与基于振速的声辐射模态具有一一对应关系的基于声压的声辐射模态;最后,建立了联合利用声压与法向振速的噪声源识别公式。进行了单点激励下的简支平板数值仿真和固支平板激振实验,结果表明:该方法能够联合利用少量的声压与法向振速对声源面的声压和法向振速进行较好的重建,从而实现噪声源识别。该方法的提出能够促进基于声源面测量的噪声源识别技术在工程实际中的应用。     

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。     

基于几何平均声压的声强计算的误差分析

采用p—p法计算声强时，需要用两个传声器测得的声压的均值代替被测点的平均声压，用两声压进行一阶差分来间接获得声振速。声压平均一般基于算术平均算法，分析发现：在高频区误差较大。针对声场大多呈非线性的特点，提出了应用几何平均计算声压的方法。并以平面声源、单极子、偶极子三种声源为例，对基于这两种计算声压的方法得到的声强误差进行了对比分析，结果表明：在高频区由几何平均声压而得到的计算声强的误差小于由算术平均而得到的计算声强的误差。     

水听器复数灵敏度的激光法校准

利用激光测振技术直接检测声场作用下的水介质质点振速,通过推算得到声场中该点声压的幅值和相位,从而可精确校准水听器的复数灵敏度.利用该技术,我们在10～100 kHz频段建立了一套水听器复数灵敏度的校准装置.本文简要介绍了装置的校准原理、方法以及各组成部分,并对Φ20球形水听器进行实验测试.结果表明,激光测振技术是一种有效的校准水听器复数灵敏度的方法,校准结果具有很高的精度.