基于等效源法的平面近场声全息及其实验研究

目前的平面声源全息重建与预测的主要方法是基于FFT的近场声全息技术,但是该方法存在卷绕误差、边缘重建误差等很多固有的影响重建精度的因素,有时甚至会导致重建结果严重失真。本文提出将等效源法应用于平面声源的全息算法,由于该方法不涉及到波数域空间变换,所以避免了卷绕误差和边缘重建误差,简化了计算过程,有利于工程实际推广。文中首先从理论上推导出了等效源法用于平面声源的理论模型,并以点激励固支板的声辐射实验,验证了该方法的正确性和有效性.

平面近场声全息中正则化参数的确定

近场声全息的逆向重建过程属于线性病态逆问题,必须进行正则化处理。本文对三种基于Tikhonov正则化的参数选择方法,即离差原理法、广义交叉验证法、L曲线法,在不同全息距离、声源频率和信噪比的条件下进行了比较,结果表明,它们在远距离及低噪声环境下难以获得合适的正则化参数。采用等效噪声方差的方法,对其中较为稳定的离差原理进行了改进,使其在较远全息距离及低噪声环境下仍能获得合适的正则化参数。相应的仿真实验表明,改进后的离差原理法在很宽的信噪比(>6 dB)和较远的全息距离(～10 cm)均能稳定地找到合适的正则化参数。此外,由于该方法无须对全息声压进行平滑处理,其有效重建孔径和全息孔径相等。

平面近场声全息重建结果不准确性问题的研究

平面近场声全息作为一种有效的声场分析方法被广泛用于声场分析和振动体的振动模态及其辐射声场的研究。在介绍了平面近场声全息理论的基础上,指出了利用该方法进行声场重建时存在质点振动速度和声强重建不准确的问题,并从理论分析和模拟计算两个方面给予了证明,在此基础上进一步分析了该方法的应用局限性。

统计最优平面近场声全息对振动体的定位研究

基于空间傅里叶变换的平面近场声全息(FFT-based planar NAH)技术对全息面尺寸的要求,在很大程度上限制它的应用范围。为此,引入了统计最优平面近场声全息(SOPNAH)技术,并提出了一种确定波数矢量的新方法。SOPNAH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,可以从理论根源上克服FFT-based planar NAH的局限性。实验结果表明,SOPNAH能实现振动体的精确定位及其辐射声场的可视化,并且要求的最小全息面面积比FFT-based planar NAH要小。

重建参数对平面近场声全息重建精度影响研究

针对近场声全息重建结果不准确性问题,基于平面近场声全息的基本原理,分析了使用k-空间抽样格林函数逆向重构过程中产生重建误差的原因,并研究了重建距离、重建频率和采样点数等重建参数的变化对声压重建精度的影响.研究结果表明:重建精度随着重建距离的增加而降低;随着重建频率的增加,重建精度逐渐降低;在全息面大小不变时,采样点数越多,重建精度越高;在采样间隔不变时,重建精度随采样点数的增加而增大.

基于空间傅里叶变换的平面近场声全息中信噪比估计方法研究

在近场声全息技术中，信噪比是一个非常重要的参数，但无法直接测量。为解决此问题，给出了基于空间傅里叶变换的平面近场声全息中两种可靠的信噪比估计方法：能量法信噪比估计和幅值法信噪比估计；其中能量法信噪比估计更精确，而幅值法信噪比估计更简单。采用两种方法进行信噪比估计，都可以得到较真实的信噪比结果。数值仿真和实验结果验证了两种方法的正确性和适用性。

基于压缩感知的平面近场声全息方法及其应用

传统的平面近场声全息在其重建过程中,无论采用波数域滤波或是正则化方法,都无法解决其本身的不适定性,进而无法提高重建精度。基于压缩感知的平面近场声全息,有效地利用了质点振速信号的稀疏性,将传统地直接求解质点振速转化为间接求解稀疏系数,避免了重建过程中的不适定问题。结合基于Tikhonov正则化方法的平面近场声全息,从数值仿真角度分析了两种方法的重建精度,结果表明,基于压缩感知的平面近场声全息方法具有很好的重建精度,尤其是在重建面的边界区域。最后,应用该方法有效地识别出了冰箱的噪声源,为其噪声控制提供有效依据。

运动流体介质和剪切层共同作用下平面近场声全息技术改进

传统的平面近场声全息将全息面置于射流内部。为了降低窗效应和卷绕误差对重建精度的不利影响,一般要求全息面尺寸为声源的2倍以上,而较大尺寸的传声器阵列放在射流内部会干扰射流的稳定。针对这一问题,提出将整个全息面置于射流外部的方法。根据经典的剪切层修正理论,首先分析声波由声源传播至全息面过程中路径和幅值的改变,继而推导出修正后的声场传播公式,最终建立起马赫数小于0.3的运动流体介质和剪切层共同作用下的平面近场声全息理论模型。数值仿真表明,改进后的平面近场声全息技术能够得到高分辨率的重建声场,对气动噪声源的定位精度较高,并且具备一定的抗干扰能力。

循环谱密度组合切片分析在近场声全息中的应用研究

为减小循环谱密度的计算量以及提高其特征提取的准确性,提出了组合切片法:取循环自相关切片的各峰值频率作循环频率分别计算循环谱密度切片,通过组合切片分析来确定声场信号的特征频率。然后采用循环谱密度取代功率谱密度作为平面近场声全息的重建物理量。实验结果表明,此方法可针对性的提取循环平稳声场的调制特性,全息重建的结果可准确反映噪声源的位置。

基于近场声全息的舰船水下辐射噪声识别研究

基于半自由场平面近场声全息的基本原理,采用数值计算的结果作为全息数据,对水面舰船水下辐射噪声进行了反演,着重研究了由螺旋桨噪声和流噪声的数据获得的重建结果与重建距离之间的关系。研究结果表明,半自由场平面近场声全息重建算法能对水面舰船水下辐射噪声进行识别;半自由场平面近场声全息对重建距离的变化较敏感,从而限制了重建距离的适用范围;螺旋桨噪声在船尾附近是主要噪声源。

基于平滑l_0范数的压缩感知近场声全息方法

传统平面近场声全息(CPNAH)是一类典型的不适定问题,采用波数域滤波或Tikhonov正则化等方法都无法彻底解决,因此,提出一种基于平滑l_0范数的压缩感知平面近场声全息法(SL0-CS-PNAH)。根据全息面上测量声压的特点,采用symlets8小波函数构建正交小波变换矩阵,将其作为重建面质点法向振速的稀疏基。将CPNAH中使用的瑞利(Rayleigh)第一积分公式离散化,确定SL0-CS-PNAH中满足约束等距原则的测量矩阵,设置合适的压缩比,利用测量矩阵对稀疏信号进行压缩采样。在由感知矩阵、全息面测量声压和稀疏向量共同构成的约束条件下,建立稀疏向量的最小l_0范数优化模型,采用平滑l_0范数重建算法求解此模型下的最优化问题,得到质点法向振速的最优稀疏解,再将最优稀疏解和稀疏基相乘恢复重建面质点法向振速。在数值仿真实验中,将测量点由64×64减少到32×64的情况下将传统CPNAH、基于正交匹配追踪算法的压缩感知近场声全息(OMPCS-PNAH)、基于子空间追踪算法的压缩感知近场声全息(SP-CS-PNAH)和SL0-CS-PNAH进行比较。实验结果表明,在相同采样率和压缩比条件下,采用SL0-CS-PNAH的声场重建质量较好且重建效率较高。

基于统计最优的近场声全息理论与仿真实验

对统计最优平面近场声全息(SOPNAH)技术进行研究,提出了一种吉洪诺夫(Tikhonov)正则化方法并选择最优正则化参数λ。通过仿真实验验证了结合吉洪诺夫正则化方法的SOPNAH能够对噪声源进行准确定位及实现声场重建,并且重建的精度比传统的方法更高。

声全息重构卷积计算中混迭问题的研究

分析了实空间离散格林函数的特点和平面声全息重构卷积计算的特殊性 ,推导了在重构条件下二维循环卷积与重构卷积的关系。理论上证明了在全息重构中将二维全息声压序列补零使其成为原序列长度的两倍 ,而二维格林函数序列无需进行补零处理仍可由二维离散傅氏变换准确地得到全息重构卷积结果 ,而不会产生循环卷积中的混迭现象 ,即不存在所谓的重构“卷绕”误差。同时还证明了实空间格林函数的取值不确定性不会影响重构结果 ,并通过仿真算例进行了验证。

基于K-空间积分格林函数的近场声全息技术

目前基于Neumann边界条件空间声场变换技术格林函数的主要有限离散化算法是k-空间抽样格林函数法.然而,该条件下的k-空间积分格林函数法却很少应用在相关的课题研究中.所以对于该算法的重构特性以及这两种算法在空间声场变换中的优劣是人们一直普遍关注的问题.本文通过计算修正了该算法在Neumann边界条件下的计算参数,并通过数值仿真分析了k-空间积分格林函数的相关特性,最后通过仿真计算给出了这两种方法在不同重构参数下的误差分析.这些分析结果可为进一步的工程实践提供参考.

统计最优平面近场声全息原理与声场分离技术

测量孔径尺寸的有限性 ,在基于空间傅里叶变换的平面近场声全息中会带来窗效应和卷绕误差 .为了克服窗效应和卷绕误差 ,引入了统计最优平面近场声全息技术 .运用声场叠加原理 ,证明了统计最优平面近场声全息的理论公式 .通过在空间波数域限定kx,ky 的取值范围 ,并离散其确定的空间波数面的途径 ,提出了一种确定波数矢量的方法 .为了克服常规统计最优平面近场声全息技术的应用局限性———全息面一侧的声场必须为自由声场 ,提出了适用于统计最优平面近场声全息的、基于双全息面测量的空间声场分离技术 .通过实验和数值仿真对理论推导的正确性进行了验证 .

能量法估计全息面信噪比研究

在近场声全息技术中,全息面信噪比是一个非常重要的参数,但无法直接测量得到。为了解决该问题,给出了基于能量法的波数域内信噪比估值公式,并根据该公式分析估值误差的来源,指出全息面采样间隔对估值具有重要影响。为了判别估值是否准确,提出了选取全息面不同区域的数据进行重复估计的判别方法。当估值不准确时,指出可以通过减小全息面采样间隔来降低估值误差。仿真给出满足不同误差条件的不同采样间隔所对应的最大信噪比估值,可作为实际应用中的参考。

基于倏逝波衰减特性的空间频域滤波器研究

平面近场声全息方法在全息面大小有限时存在由于测量距离增大而造成全息面空间频域能量泄漏而引起的不适定性问题。本文利用不同空间频率的平面倏逝波的衰减只与倏逝波波长相关的特性 ,提出了一种基于倏逝波随测量距离变化可利用准则的新型空间滤波器 ,在不引起不适定性问题的同时最大限度的利用了有用的倏逝波信息。通过模拟比较利用不同范围的倏逝波信息的声场重建结果 。

波数域循环加窗逼近法滤波方法研究

对平面近场声全息逆向重建过程中波数域滤波的弊端做了充分分析,提出一种波数域循环加窗逼近滤波的新方法,解决了固定的截止频率和陡峭系数不能适应全部波数域滤波要求的局限性问题。通过双声源仿真计算,对比波数域加不同窗滤波后的滤波效果,验证了该方法在噪声源的定位和声学信息重现上的有效性。

基于振速测量的HELS方法研究

为了提高重建声场中质点振速量的重建精度,在传统基于声压测量的Helmholtz方程最小二乘(HELS)方法理论基础上,推导得到了基于振速测量HELS声场重建的测量模型,简称振速模型.给出了该模型的声场重建算法和参数选取的基本原则,并对基于振速模型的声场重建和声压模型的声场重建进行仿真计算比较结果表明,新模型较传统模型的声场重建精度更高,有较强的抗噪声能力且能够更准确的识别定位声源,尤其是对振速量重建具有更明显的优势.试验研究中,通过选取不同工况进一步证明了振速模型重建声场中振速量的优越性,显示了其在工程实践中广泛的应用前景.

基于Green函数的两种STSF算法的比较

k-空间抽样格林函数法是目前基于Neumann边界条件空间声场变换技术格林函数的主要有限离散化算法。然而,该条件下的实空间积分格林函数法却很少应用在相关的课题研究中。所以对于该算法的重构特性以及这两种算法在空间声场变换中的优劣是人们一直普遍关注的问题。通过计算修正了该算法在Neumann边界条件下的计算参数,并通过数值仿真分析了实空间积分格林函数的相关特性,最后通过仿真计算给出了这两种方法在不同重构参数下的误差分析。这些分析结果可为进一步的工程实践提供参考。