基于格林函數的近場聲全息技術.pdf

1、格林函數作為聲場逆問題中反映聲場逆向傳遞的特征函數,在近場聲全息技術發(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。近場聲全息技術作為近些年來比較熱門的噪聲源識別技術,能夠根據已知的聲場分布信息,有效地重建聲源和預報其聲場的相關特性,并在實際工程應用中具有較好可操作性和工程實現性。本文以格林函數為研究基礎,給出了適用于不同類型聲場重建的格林函數,并通過優(yōu)化格林函數算法的方法對現有近場聲全息技術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)的總結和推導了運動流體介質下平面近場聲全息技術的基本理論,建立和討論了運動流體介質中波動方程、Helmholtz-Kirchhoff積分方程、空間聲場變換之間的內在關系。給出了運動流體介質下適用于兩種典型邊界條件聲場重建的格林函數(Dirichlet邊界條件、Neumann邊界條件)及波數域濾波器,并通過數值仿真對比分析了運動和靜止介質下兩種格林函數的空間分布特點,說明了運動介質對聲場波數空間的影響。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對聲場重建的有效性和可行性,并通過對采樣點數(或采樣間隔)、測量距離、重建距離以及馬赫數的計算參數的討論分析,給出一些有利于今后工程應用值得參考的測量范圍。
　　針對靜止介質中Neumann邊界條件下基于振速測量的格林函數輻射圓周存在的奇異性,給出了兩種與K-空間抽樣格林函數不同的格林函數有限離散化算法:K-空間積分格林函數法和實空間積分格林函數法。通過數值仿真分析了三種格林函數算法分

4、別在波數空間和實空間的分布特點,討論不同的計算參數對這兩種格林函數分布的影響,給出了兩種格林函數優(yōu)化算法相對于K-空間抽樣格林函數輻射圓周上奇異性作出的改進。利用這三種格林函數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對該條件下改善重建精度以及重建分辨率的貢獻。
　　根據柱面近場聲全息技術現階段存在的兩個問題,給出了相應的公式推導和仿真運算。一個是針對Neumann邊界條件下的聲場應用柱面近場聲全

5、息技術,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,如何應用兩種測量方法分離目標聲源并對其進行聲場重建。首先,利用數學物理方法中的相關定理計算得到Neumann邊界條件下基于法向質點振速測量和基于聲壓測量格林函數的漸進表達式,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。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算法的時域近場聲全息技術。通過對這三種格林函數空間分布特點的分析,給出了這三種格林函數可能在重建過程中對重建精度產生影響的因素,并根據這三種格林函數的計算特點,計算了每個格林函數在一定參數條件下的運行時間,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、空間復包絡振蕩和整體波動的輻射聲場為例,利用這三種格林函數對該聲場進行重建,并通過計算給出了對空間復包絡進行調制的方法,通過計算參數對三種算法下的重建精度進行討論。通過對三種格林函數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生的瞬態(tài)聲場進行重建,分析各個計算參數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的實驗研究,探討基于本文算法的近場聲全息技術的可行性和