基于统计最优和波叠加方法的近场声全息技术研究

论文摘要

近场声全息技术是一种非常有效的噪声源识别、定位及声场可视化技术，它只需在靠近声源的全息面上测量复声压，就可以重建与预测整个三维空间声场中任意点处的声压、质点振速矢量、声强矢量以及声源辐射的声功率等声学量。本文在简要回顾了近场声全息技术的发展历史和研究现状的基础上，针对其中存在的一些亟需解决的问题进行了研究，并提出了解决途径。为了克服基于空间声场变换的近场声全息技术对全息测量孔径面积的严格要求，本文发展了基于统计最优方法的近场声全息技术：针对基于常规波叠加方法的近场声全息技术在相干声场和半自由声场重建与预测过程中的局限性，提出了基于联合波叠加方法的相干声场重建技术和基于波叠加方法的半自由声场全息技术；对点激励固支板辐射声场的实验研究，验证了近场声全息技术在声场重建与可视化过程中的有效性、可行性以及准确性，为近场声全息技术走向实际应用打下了基础。全文九章的研究内容概括如下：第一章简要回顾了近场声全息技术的发展历史和研究现状，分析了各种近场声全息技术的特点，针对其中存在的一些亟需解决的问题，确立了本文的主要研究内容。第二章简要介绍了基于空间声场变换的平面近场声全息技术的基本理论。在此基础上运用声场叠加原理，从理论上证明了统计最优平面近场声全息(SOPNAH)技术的全息重建与预测公式；并以Nyguist采样定理为基础，提出了一种确定波数矢量的新方法；为了克服常规SOPNAH的应用局限性——全息面一侧的声场必须为自由声场，推导了适用于SOPNAH的、基于双全息面测量的空间声场分离公式。第三章提出了一种实现柱面近场声全息的新方法——统计最优柱面近场声全息(SOCNAH)。针对柱面内外声辐射问题，分别推导了统计最优柱面内、外近场声全息技术的理论公式。在此基础上，为了解决全息柱面两侧均有声源情况下的柱面声场重建问题，提出了统计最优柱面声场分离技术，并且深入地研究了统计最优柱面近场声全息技术的实施过程和关键参数的选择。第四章将基于统计最优方法的近场声全息技术扩展到球面坐标系，提出了统计最优球面近场声全息技术，完善了整个基于统计最优方法的全息技术的体系结构。同样针对球面内、外声辐射问题，分别建立了统计最优球面内、外近场声全息技术，发展

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Abstract

第一章绪论

1.1 近场声全息技术（NAH）的诞生

1.1.1 全息术简介

1.1.2 传统的声全息技术

1.1.3 近场声全息（NAH）技术

1.2 NAH的发展历程、研究现状和未来的发展趋势

1.2.1 全息变换算法的发展

1.2.2 基于边界元（BEM）方法的NAH

1.2.3 基于Helmholtz方程最小二乘法（HELS）的NAH

1.2.4 全息面声场信息的测量方法

1.3 NAH研究中仍存在的一些问题

1.4 本文的主要研究内容

1.5 本章小结

第二章统计最优平面近场声全息理论及实验研究

2.1 基于空间声场变换的平面近场声全息

2.2 统计最优平面近场声全息技术

2.2.1 重建与预测公式的证明

2.2.2 波数矢量的确定

2.2.3 空间声场分离

2.3 数值仿真与分析

2.3.1 SOPNAH理论和波数矢量选择方法的正确性

2.3.2 窗效应和卷绕误差的克服

2.3.3 声场分离的可行性和准确性

2.4 实验研究

2.5 本章小结

第三章统计最优柱面近场声全息技术

3.1 柱面NAH的理论背景

3.2 统计最优柱面外声全息

3.2.1 重建与预测公式的建立

3.2.2 叠加系数矩阵的确定

3.2.3 数值验证

3.3 统计最优柱面内声全息

3.3.1 重建与预测公式的建立

3.3.2 叠加系数矩阵的确定

3.3.3 数值验证

3.4 声场分离技术

3.4.1 分离公式的推导

3.4.2 可行性和正确性验证

3.5 本章小结

第四章统计最优球面近场声全息技术

4.1 球面NAH的理论背景

4.2 统计最优球面外声全息技术

4.2.1 重建与预测公式的推导

4.2.2 叠加系数矩阵的确定

4.2.3 数值仿真

4.3 统计最优球面内声全息技术

4.3.1 重建与预测公式的推导

4.3.2 数值验证

4.4 统计最优球面声场分离技术

4.4.1 分离公式推导

4.4.2 可行性和正确性验证

4.5 本章小结

第五章波叠加方法在声辐射和声全息中的应用

5.1 振动体声辐射问题的描述

5.2 声辐射计算中的波叠加方法

5.2.1 波叠加积分方程

5.2.2 数值实现过程的讨论

5.3 声场重建与预测过程中的波叠加方法

5.3.1 重建与预测公式的建立

5.3.2 全息重建问题的不适定性

5.3.3 全息过程中的正则化方法

5.3.4 正则化参数的选择

5.4 全息重建问题的实验验证

5.5 本章小结

第六章基于联合波叠加方法的相干声场重建与预测技术

6.1 常规波叠加方法在相干声场重建中的局限性

6.2 基于联合波叠加方法的相干声场全息重建与预测技术

6.2.1 单全息面法

6.2.2 多全息面法

6.3 数值仿真和实验验证

6.3.1 数值仿真

6.3.2 实验验证

6.4 本章小结

第七章基于波叠加方法的半自由声场全息技术研究

7.1 常规基于波叠加方法的声全息技术在半自由声场重建中的局限性

7.2 基于波叠加方法的半自由声场全息理论模型

7.2.1 刚性反射平面

7.2.2 非刚性反射平面

7.2.3 数值仿真

7.3 本章小结

第八章声学测量装置的研制及其在全息实验中的应用

8.1 声学测量装置的研制

8.1.1 整体方案设计

8.1.2 机械结构和传动方案设计

8.1.3 电气控制原理

8.2 点激励固支无障板辐射声场的全息研究

8.3 本章小结

第九章全文总结与展望

参考文献

作者在攻读博士学位期间发表的论文

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