基于格林函數(shù)的近場聲全息技術(shù).pdf

1、格林函數(shù)作為聲場逆問題中反映聲場逆向傳遞的特征函數(shù),在近場聲全息技術(shù)發(fā)展過程中扮演著重要角色,是建立從聲場到聲源反演模型的理想函數(shù)。近場聲全息技術(shù)作為近些年來比較熱門的噪聲源識別技術(shù),能夠根據(jù)已知的聲場分布信息,有效地重建聲源和預(yù)報其聲場的相關(guān)特性,并在實際工程應(yīng)用中具有較好可操作性和工程實現(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)算法的方法對現(xiàn)有近場聲全息技術(shù)中存在的問題進行了系統(tǒng)、深入

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

3、仿真計算驗證了利用這兩個典型邊界條件下格林函數(shù)對聲場重建的有效性和可行性,并通過對采樣點數(shù)(或采樣間隔)、測量距離、重建距離以及馬赫數(shù)的計算參數(shù)的討論分析,給出一些有利于今后工程應(yīng)用值得參考的測量范圍。
　　針對靜止介質(zhì)中Neumann邊界條件下基于振速測量的格林函數(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)空間和實空間的分布特點,討論不同的計算參數(shù)對這兩種格林函數(shù)分布的影響,給出了兩種格林函數(shù)優(yōu)化算法相對于K-空間抽樣格林函數(shù)輻射圓周上奇異性作出的改進。利用這三種格林函數(shù)有限離散化方法對不同類型聲源的聲場進行重建,以考查作為優(yōu)化算法的兩種格林函數(shù)對該條件下改善重建精度以及重建分辨率的貢獻。
　　根據(jù)柱面近場聲全息技術(shù)現(xiàn)階段存在的兩個問題,給出了相應(yīng)的公式推導(dǎo)和仿真運算。一個是針對Neumann邊界條件下的聲場應(yīng)用柱面近場聲全

5、息技術(shù),另一個針對的是基于柱面聲場測量時,聲場存在相干聲源時,如何應(yīng)用兩種測量方法分離目標(biāo)聲源并對其進行聲場重建。首先,利用數(shù)學(xué)物理方法中的相關(guān)定理計算得到Neumann邊界條件下基于法向質(zhì)點振速測量和基于聲壓測量格林函數(shù)的漸進表達式,通過仿真計算驗證該表達式的正確性,并通過仿真分析對比了這兩種測量方法的優(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)合振速測量的單全息面方法和基于聲壓、振速測量的雙全息面方法,仿真計算了相干聲

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

7、空間復(fù)包絡(luò)振蕩和整體波動的輻射聲場為例,利用這三種格林函數(shù)對該聲場進行重建,并通過計算給出了對空間復(fù)包絡(luò)進行調(diào)制的方法,通過計算參數(shù)對三種算法下的重建精度進行討論。通過對三種格林函數(shù)聲場重建特點的分析,采用基于FFT變換算法的K-空間格林函對無限大剛性障板上圓形活塞產(chǎn)生的瞬態(tài)聲場進行重建,分析各個計算參數(shù)對聲場重建精度的影響。
　　最后,開展針對水下噪聲源利用平面近場聲全息技術(shù)的實驗研究,探討基于本文算法的近場聲全息技術(shù)的可行性和