基于格林函數(shù)的近場(chǎng)聲全息技術(shù).pdf

1、格林函數(shù)作為聲場(chǎng)逆問題中反映聲場(chǎng)逆向傳遞的特征函數(shù),在近場(chǎng)聲全息技術(shù)發(fā)展過程中扮演著重要角色,是建立從聲場(chǎng)到聲源反演模型的理想函數(shù)。近場(chǎng)聲全息技術(shù)作為近些年來(lái)比較熱門的噪聲源識(shí)別技術(shù),能夠根據(jù)已知的聲場(chǎng)分布信息,有效地重建聲源和預(yù)報(bào)其聲場(chǎng)的相關(guān)特性,并在實(shí)際工程應(yīng)用中具有較好可操作性和工程實(shí)現(xiàn)性。本文以格林函數(shù)為研究基礎(chǔ),給出了適用于不同類型聲場(chǎng)重建的格林函數(shù),并通過優(yōu)化格林函數(shù)算法的方法對(duì)現(xiàn)有近場(chǎng)聲全息技術(shù)中存在的問題進(jìn)行了系統(tǒng)、深入

2、的研究。
　　本文首先系統(tǒng)的總結(jié)和推導(dǎo)了運(yùn)動(dòng)流體介質(zhì)下平面近場(chǎng)聲全息技術(shù)的基本理論,建立和討論了運(yùn)動(dòng)流體介質(zhì)中波動(dòng)方程、Helmholtz-Kirchhoff積分方程、空間聲場(chǎng)變換之間的內(nèi)在關(guān)系。給出了運(yùn)動(dòng)流體介質(zhì)下適用于兩種典型邊界條件聲場(chǎng)重建的格林函數(shù)(Dirichlet邊界條件、Neumann邊界條件)及波數(shù)域?yàn)V波器,并通過數(shù)值仿真對(duì)比分析了運(yùn)動(dòng)和靜止介質(zhì)下兩種格林函數(shù)的空間分布特點(diǎn),說明了運(yùn)動(dòng)介質(zhì)對(duì)聲場(chǎng)波數(shù)空間的影響。通過

3、仿真計(jì)算驗(yàn)證了利用這兩個(gè)典型邊界條件下格林函數(shù)對(duì)聲場(chǎng)重建的有效性和可行性,并通過對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)(或采樣間隔)、測(cè)量距離、重建距離以及馬赫數(shù)的計(jì)算參數(shù)的討論分析,給出一些有利于今后工程應(yīng)用值得參考的測(cè)量范圍。
　　針對(duì)靜止介質(zhì)中Neumann邊界條件下基于振速測(cè)量的格林函數(shù)輻射圓周存在的奇異性,給出了兩種與K-空間抽樣格林函數(shù)不同的格林函數(shù)有限離散化算法:K-空間積分格林函數(shù)法和實(shí)空間積分格林函數(shù)法。通過數(shù)值仿真分析了三種格林函數(shù)算法分

4、別在波數(shù)空間和實(shí)空間的分布特點(diǎn),討論不同的計(jì)算參數(shù)對(duì)這兩種格林函數(shù)分布的影響,給出了兩種格林函數(shù)優(yōu)化算法相對(duì)于K-空間抽樣格林函數(shù)輻射圓周上奇異性作出的改進(jìn)。利用這三種格林函數(shù)有限離散化方法對(duì)不同類型聲源的聲場(chǎng)進(jìn)行重建,以考查作為優(yōu)化算法的兩種格林函數(shù)對(duì)該條件下改善重建精度以及重建分辨率的貢獻(xiàn)。
　　根據(jù)柱面近場(chǎng)聲全息技術(shù)現(xiàn)階段存在的兩個(gè)問題,給出了相應(yīng)的公式推導(dǎo)和仿真運(yùn)算。一個(gè)是針對(duì)Neumann邊界條件下的聲場(chǎng)應(yīng)用柱面近場(chǎng)聲全

5、息技術(shù),另一個(gè)針對(duì)的是基于柱面聲場(chǎng)測(cè)量時(shí),聲場(chǎng)存在相干聲源時(shí),如何應(yīng)用兩種測(cè)量方法分離目標(biāo)聲源并對(duì)其進(jìn)行聲場(chǎng)重建。首先,利用數(shù)學(xué)物理方法中的相關(guān)定理計(jì)算得到Neumann邊界條件下基于法向質(zhì)點(diǎn)振速測(cè)量和基于聲壓測(cè)量格林函數(shù)的漸進(jìn)表達(dá)式,通過仿真計(jì)算驗(yàn)證該表達(dá)式的正確性,并通過仿真分析對(duì)比了這兩種測(cè)量方法的優(yōu)劣性。其次,研究了柱面相干聲源的分離技術(shù)。通過基于聲壓聯(lián)合振速測(cè)量的單全息面方法和基于聲壓、振速測(cè)量的雙全息面方法,仿真計(jì)算了相干聲

6、源分別在完全對(duì)稱、不完全對(duì)稱以及完全不對(duì)稱的條件下,干擾源不同強(qiáng)度對(duì)目標(biāo)聲源重建精度的影響,對(duì)比了兩種測(cè)量方法的優(yōu)劣性。
　　針對(duì)聲場(chǎng)中存在的瞬態(tài)聲場(chǎng),給出了基于三種格林函數(shù)算法的時(shí)域近場(chǎng)聲全息技術(shù)。通過對(duì)這三種格林函數(shù)空間分布特點(diǎn)的分析,給出了這三種格林函數(shù)可能在重建過程中對(duì)重建精度產(chǎn)生影響的因素,并根據(jù)這三種格林函數(shù)的計(jì)算特點(diǎn),計(jì)算了每個(gè)格林函數(shù)在一定參數(shù)條件下的運(yùn)行時(shí)間,分析了其對(duì)聲場(chǎng)重建效率的影響。以單極子源伴隨緩慢變化的

7、空間復(fù)包絡(luò)振蕩和整體波動(dòng)的輻射聲場(chǎng)為例,利用這三種格林函數(shù)對(duì)該聲場(chǎng)進(jìn)行重建,并通過計(jì)算給出了對(duì)空間復(fù)包絡(luò)進(jìn)行調(diào)制的方法,通過計(jì)算參數(shù)對(duì)三種算法下的重建精度進(jìn)行討論。通過對(duì)三種格林函數(shù)聲場(chǎng)重建特點(diǎn)的分析,采用基于FFT變換算法的K-空間格林函對(duì)無(wú)限大剛性障板上圓形活塞產(chǎn)生的瞬態(tài)聲場(chǎng)進(jìn)行重建,分析各個(gè)計(jì)算參數(shù)對(duì)聲場(chǎng)重建精度的影響。
　　最后,開展針對(duì)水下噪聲源利用平面近場(chǎng)聲全息技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究,探討基于本文算法的近場(chǎng)聲全息技術(shù)的可行性和