有限空間水下結(jié)構(gòu)近場聲全息技術(shù)及應(yīng)用研究.pdf

1、水下航行器輻射噪聲水平是衡量其戰(zhàn)斗力的主要性能之一，在軍事上受到廣泛重視，其研究成果用在軍用魚雷、潛艇等武器系統(tǒng)中，可以提高自身的隱蔽性，也就提高了自身的戰(zhàn)斗力和生存力。因此，開展水下結(jié)構(gòu)輻射噪聲測量及噪聲源分離與識別的研究對于其減振降噪、低噪聲隱身設(shè)計(jì)，十分必要。近場聲全息技術(shù)（NAH）是一種理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的聲源定位和聲場可視化技術(shù)，相比于其他噪聲測試技術(shù)，NAH技術(shù)具有重建精度高，聲像清晰且測試過程穩(wěn)定信噪比高等優(yōu)點(diǎn)。在NAH測

2、量過程中，為了保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，要求測量在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)消聲水池或者在廣闊較深且周圍安靜的湖泊中進(jìn)行。但是成本較高，不易實(shí)現(xiàn)，并且消聲水池往往受到頻率下限的影響，不宜測量低頻聲源，但很多聲學(xué)實(shí)驗(yàn)水池并沒有進(jìn)行過消聲處理。因此研究如何消除有限空間測試條件對近場聲全息技術(shù)的限制，使其能夠在非消聲水池中得到近似自由場聲輻射信息很有必要。本文以水下結(jié)構(gòu)為研究對象，深入開展了自由空間、半自由空間及有限空間中的近場聲全息技術(shù)的算法及實(shí)際應(yīng)用方

3、面的研究，具體內(nèi)容如下：
　　首先介紹了采用簡單源替代的波疊加方法實(shí)現(xiàn)三維空間NAH技術(shù)，推導(dǎo)了該方法的聲場重建理論及數(shù)值實(shí)現(xiàn)過程。將其應(yīng)用于水下典型圓柱殼及橢球殼結(jié)構(gòu)的輻射聲場重建和預(yù)報(bào)問題中，有效地解決了常規(guī)NAH技術(shù)中對測量孔徑尺寸的限制，測量陣列與結(jié)構(gòu)尺寸相近即可準(zhǔn)確預(yù)測聲場，并且該方法可對聲源進(jìn)行局部重建。通過典型算例驗(yàn)證了理論分析的正確性，分析了聲源頻率、全息面孔徑、全息面形狀、虛源面形狀及虛源面位置等參數(shù)對重建精度的

4、影響。
　　針對半自由空間聲場，研究了一種采用雙全息面測量的聲場分離技術(shù)，解決了半自由空間水下結(jié)構(gòu)噪聲源定位和三維聲場重構(gòu)及預(yù)報(bào)問題。對影響重建精度的各種參數(shù)進(jìn)行分析討論，并與常規(guī)的單面波疊加方法重建結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明：該方法擺脫了常規(guī)近場聲全息中要求所有聲源均位于全息面一側(cè)的限制，可以在有干擾聲源或水下半自由空間條件下對聲場準(zhǔn)確地重構(gòu)和預(yù)測，同時(shí)該方法不需界面反射系數(shù)的先驗(yàn)信息，避免了測量或估計(jì)界面的反射系數(shù)帶來的誤差。

5、r>　　不同于自由空間 NAH技術(shù)，有限空間內(nèi)聲場為混合聲場，采用常規(guī)的NAH變換方法導(dǎo)致重建失效。針對該問題，研究了有限空間內(nèi)近場聲全息技術(shù)。詳細(xì)地推導(dǎo)了基于波疊加方法和Helmholtz方程最小二乘法兩種聲場分離算法的理論公式及數(shù)值實(shí)現(xiàn)過程。對于不同的聲場輸入信息，分別采用了雙全息面聲壓-聲壓測量和單全息面聲壓-質(zhì)點(diǎn)振速測量方法。分析了不同算法下聲源頻率、信噪比、測量點(diǎn)個(gè)數(shù)等影響分離誤差的各個(gè)因素。當(dāng)聲場中存在較強(qiáng)的由于結(jié)構(gòu)表面所產(chǎn)

6、生的散射聲場時(shí)，通過表面聲導(dǎo)納矩陣可以將散射聲場進(jìn)行二次分離從而消除散射聲干擾，準(zhǔn)確地恢復(fù)出聲源的自由場聲信息。采用恢復(fù)的近似自由場聲壓重建得到了聲源的表面聲壓，計(jì)算了聲源的輻射聲功率級并同理論值進(jìn)行分析比較，證明了算法的正確性和有效性。采用聲學(xué)有限元軟件對有限空間聲全息算法進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，得到了不同類型聲源在不同的池壁邊界條件下的有限空間內(nèi)混合聲場，再利用兩種算法將聲場進(jìn)行分離，比較了分離誤差。同時(shí)采用恢復(fù)出的自由場聲壓計(jì)算了聲源

7、的輻射聲功率級和指向性并同理論值進(jìn)行對比。最后探討了兩種分離方法的適用性。
　　針對NAH變換中有限孔徑測量問題，研究了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)極限學(xué)習(xí)機(jī)（ELM）的局部近場聲全息技術(shù)。該方法把初始全息面上的數(shù)據(jù)當(dāng)成訓(xùn)練樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)，將未知的全息面聲場當(dāng)作目標(biāo)值進(jìn)行預(yù)測，實(shí)現(xiàn)全息數(shù)據(jù)外推和插值。論文給出了網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程并結(jié)合NAH算法進(jìn)行聲場重建，分析了相關(guān)參數(shù)對誤差的影響。利用外推或插值后的全息面聲壓數(shù)據(jù)進(jìn)行重建并和直接應(yīng)用NAH的重建

8、結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該組合算法的有效性和優(yōu)越性。在有限空間中結(jié)合ELM插值技術(shù)，得到了由于傳感器個(gè)數(shù)較少導(dǎo)致測點(diǎn)間隔較大而遺漏的聲場細(xì)節(jié)信息，從而有效地提高了恢復(fù)的自由場精度和聲場空間分辨率。
　　最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文算法的有效性和可行性。首先在消聲水池和外場水域?qū)赪SA算法的NAH技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，將聲源的輻射聲場進(jìn)行了預(yù)測并和實(shí)測值進(jìn)行對比；隨后，針對有限空間近場聲全息技術(shù)，采用雙面聲壓測量的圓柱形全息面，分別在消聲環(huán)境和