论文摘要
水下航行器辐射噪声水平是衡量其战斗力的主要性能之一,在军事上受到广泛重视,其研究成果用在军用鱼雷、潜艇等武器系统中,可以提高自身的隐蔽性,也就提高了自身的战斗力和生存力。因此,开展水下结构辐射噪声测量及噪声源分离与识别的研究对于其减振降噪、低噪声隐身设计,十分必要。近场声全息技术（NAH）是一种理论与实践紧密结合的声源定位和声场可视化技术,相比于其他噪声测试技术,NAH技术具有重建精度高,声像清晰且测试过程稳定信噪比高等优点。在NAH测量过程中,为了保证测量数据的准确性和可靠性,要求测量在实验室内消声水池或者在广阔较深且周围安静的湖泊中进行。但是成本较高,不易实现,并且消声水池往往受到频率下限的影响,不宜测量低频声源,但很多声学实验水池并没有进行过消声处理。因此研究如何消除有限空间测试条件对近场声全息技术的限制,使其能够在非消声水池中得到近似自由场声辐射信息很有必要。本文以水下结构为研究对象,深入开展了自由空间、半自由空间及有限空间中的近场声全息技术的算法及实际应用方面的研究,具体内容如下:首先介绍了采用简单源替代的波叠加方法实现三维空间NAH技术,推导了该方法的声场重建理论及数值实现过程。将其应用于水下典型圆柱壳及椭球壳结构的辐射声场重建和预报问题中,有效地解决了常规NAH技术中对测量孔径尺寸的限制,测量阵列与结构尺寸相近即可准确预测声场,并且该方法可对声源进行局部重建。通过典型算例验证了理论分析的正确性,分析了声源频率、全息面孔径、全息面形状、虚源面形状及虚源面位置等参数对重建精度的影响。针对半自由空间声场,研究了一种采用双全息面测量的声场分离技术,解决了半自由空间水下结构噪声源定位和三维声场重构及预报问题。对影响重建精度的各种参数进行分析讨论,并与常规的单面波叠加方法重建结果进行比较。结果表明:该方法摆脱了常规近场声全息中要求所有声源均位于全息面一侧的限制,可以在有干扰声源或水下半自由空间条件下对声场准确地重构和预测,同时该方法不需界面反射系数的先验信息,避免了测量或估计界面的反射系数带来的误差。不同于自由空间NAH技术,有限空间内声场为混合声场,采用常规的NAH变换方法导致重建失效。针对该问题,研究了有限空间内近场声全息技术。详细地推导了基于波叠加方法和Helmholtz方程最小二乘法两种声场分离算法的理论公式及数值实现过程。对于不同的声场输入信息,分别采用了双全息面声压-声压测量和单全息面声压-质点振速测量方法。分析了不同算法下声源频率、信噪比、测量点个数等影响分离误差的各个因素。当声场中存在较强的由于结构表面所产生的散射声场时,通过表面声导纳矩阵可以将散射声场进行二次分离从而消除散射声干扰,准确地恢复出声源的自由场声信息。采用恢复的近似自由场声压重建得到了声源的表面声压,计算了声源的辐射声功率级并同理论值进行分析比较,证明了算法的正确性和有效性。采用声学有限元软件对有限空间声全息算法进行了数值仿真计算,得到了不同类型声源在不同的池壁边界条件下的有限空间内混合声场,再利用两种算法将声场进行分离,比较了分离误差。同时采用恢复出的自由场声压计算了声源的辐射声功率级和指向性并同理论值进行对比。最后探讨了两种分离方法的适用性。针对NAH变换中有限孔径测量问题,研究了一种基于神经网络极限学习机（ELM）的局部近场声全息技术。该方法把初始全息面上的数据当成训练样本进行学习,将未知的全息面声场当作目标值进行预测,实现全息数据外推和插值。论文给出了网络的训练过程并结合NAH算法进行声场重建,分析了相关参数对误差的影响。利用外推或插值后的全息面声压数据进行重建并和直接应用NAH的重建结果进行比较,验证了该组合算法的有效性和优越性。在有限空间中结合ELM插值技术,得到了由于传感器个数较少导致测点间隔较大而遗漏的声场细节信息,从而有效地提高了恢复的自由场精度和声场空间分辨率。最后,通过实验验证了本文算法的有效性和可行性。首先在消声水池和外场水域对基于WSA算法的NAH技术进行验证,将声源的辐射声场进行了预测并和实测值进行对比;随后,针对有限空间近场声全息技术,采用双面声压测量的圆柱形全息面,分别在消声环境和非消声环境中测量水下声源相同位置复声压。对非消声水池中的不同声源的声场进行分离和重建分析,并计算了声源的辐射声功率级,通过与消声水池的测量结果进行比较。有效地解决了测量环境对NAH技术的限制,拓宽了该技术的应用范围。