有限空間水下結構近場聲全息技術及應用研究.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，開展水下結構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、低噪聲隱身設計，十分必要。近場聲全息技術（NAH）是一種理論與實踐緊密結合的聲源定位和聲場可視化技術，相比于其他噪聲測試技術，NAH技術具有重建精度高，聲像清晰且測試過程穩(wěn)定信噪比高等優(yōu)點。在NAH測

2、量過程中，為了保證測量數據的準確性和可靠性，要求測量在實驗室內消聲水池或者在廣闊較深且周圍安靜的湖泊中進行。但是成本較高，不易實現，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，但很多聲學實驗水池并沒有進行過消聲處理。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。本文以水下結構為研究對象，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的算法及實際應用方

3、面的研究，具體內容如下：
　　首先介紹了采用簡單源替代的波疊加方法實現三維空間NAH技術，推導了該方法的聲場重建理論及數值實現過程。將其應用于水下典型圓柱殼及橢球殼結構的輻射聲場重建和預報問題中，有效地解決了常規(guī)NAH技術中對測量孔徑尺寸的限制，測量陣列與結構尺寸相近即可準確預測聲場，并且該方法可對聲源進行局部重建。通過典型算例驗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，解決了半自由空間水下結構噪聲源定位和三維聲場重構及預報問題。對影響重建精度的各種參數進行分析討論，并與常規(guī)的單面波疊加方法重建結果進行比較。結果表明：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確地重構和預測，同時該方法不需界面反射系數的先驗信息，避免了測量或估計界面的反射系數帶來的誤差。

5、r>　　不同于自由空間 NAH技術，有限空間內聲場為混合聲場，采用常規(guī)的NAH變換方法導致重建失效。針對該問題，研究了有限空間內近場聲全息技術。詳細地推導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值實現過程。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-質點振速測量方法。分析了不同算法下聲源頻率、信噪比、測量點個數等影響分離誤差的各個因素。當聲場中存在較強的由于結構表面所產

6、生的散射聲場時，通過表面聲導納矩陣可以將散射聲場進行二次分離從而消除散射聲干擾，準確地恢復出聲源的自由場聲信息。采用恢復的近似自由場聲壓重建得到了聲源的表面聲壓，計算了聲源的輻射聲功率級并同理論值進行分析比較，證明了算法的正確性和有效性。采用聲學有限元軟件對有限空間聲全息算法進行了數值仿真計算，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混合聲場，再利用兩種算法將聲場進行分離，比較了分離誤差。同時采用恢復出的自由場聲壓計算了聲源

7、的輻射聲功率級和指向性并同理論值進行對比。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網絡極限學習機（ELM）的局部近場聲全息技術。該方法把初始全息面上的數據當成訓練樣本進行學習，將未知的全息面聲場當作目標值進行預測，實現全息數據外推和插值。論文給出了網絡的訓練過程并結合NAH算法進行聲場重建，分析了相關參數對誤差的影響。利用外推或插值后的全息面聲壓數據進行重建并和直接應用NAH的重建

8、結果進行比較，驗證了該組合算法的有效性和優(yōu)越性。在有限空間中結合ELM插值技術，得到了由于傳感器個數較少導致測點間隔較大而遺漏的聲場細節(jié)信息，從而有效地提高了恢復的自由場精度和聲場空間分辨率。
　　最后，通過實驗驗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對基于WSA算法的NAH技術進行驗證，將聲源的輻射聲場進行了預測并和實測值進行對比；隨后，針對有限空間近場聲全息技術，采用雙面聲壓測量的圓柱形全息面，分別在消聲環(huán)境和