基于矢量阵近场声全息技术的噪声源识别方法研究

论文摘要

近场声全息技术是上世纪八十年代发展起来的一种声源识别和声场可视化技术,它通过在辐射体的近场测量声压数据可以重建和预测出整个三维空间声场的声学量,如声压、质点振速、声强以及远场指向性等。本文首先回顾了近场声全息技术的发展和研究现状,详细讨论了各种实现方法和各自具有的特点,明确了需要解决的问题,针对水中潜艇噪声源识别问题进行了研究,并提出解决途径,确立了论文研究内容。针对大尺寸声源的噪声源识别问题,克服常规近场声全息技术对全息测量孔径的严格要求,本文从理论上证明了统计最优柱体近场声全息技术的重建和预测公式,并重点提出了基于声压、振速和声压振速联合重构的统计最优近场声全息技术,比较了三种方法的重构效果,结果表明声压法重构声压以及振速法重构的振速结果具有明显的优势。为了解决全息柱面两侧均有声源的柱面声场重建问题,提出了采用声压振速联合重构的声场分离技术,对多源复杂声场进行了声场分离,得到满意的分离结果。针对近场声全息技术在宽带声源识别和重建过程中的局限性,本文研究了基于声强测量的宽带柱面近场声全息技术的基本原理,对实际计算过程中有限长柱体的近似问题进行了研究,给出了近似化条件,进而推导了解决奇异性影响的相位重构离散算法,论文着重讨论了误差的分布特点以及测量参数对它的影响,并对算法的定位识别性能进行了对比分析。最后,进行了基于矢量阵测量的BAHIM技术实验,实现了声源辐射声场的有效重构。本文针对实际应用时潜艇难以共形测量的问题,研究了基于边界元法的声全息变换技术,详细分析了全息技术的不适定性问题,介绍了几种正则化方法和正则化参数的选取方法,并重点对柱面—双平面的非共形面模型进行研究,进行了仿真验证,进一步讨论了柱面—双平面的非共形面模型的参数选取原则。最后,对多种正则化方法和正则化参数选取问题进行讨论,结果表明"Tikh+GCV"组合的重构误差最小。针对近场声全息重构过程中遇到的宽带、非共形面、测量距离较大等问题,基于SONAH技术、BAHIM技术以及BEM技术,本文提出了两种混合近场声全息重构技术,即基于声强测量和边界元法的混合近场全息技术和基于统计最优和边界元法的混合近场全息技术。该方法结合各算法的特点,一方面继承了边界元法能适用于任意形状声源分析的优点,发挥其长处,另一方面又克服了边界元法作为声场全息变换算法时所存在的测量孔径、参考源、重构距离、不适定性处理等问题,对其缺陷进行弥补,使其有利于实际工程应用的实施。最后,本文基于以上研究理论,进行了基于矢量阵测量的水中近场声全息实验研究,采用矢量阵进行水中近场测量,该技术和测量方法能够快速方便的实现全息测量。在复杂条件下,采用矢量阵进行了水中近场全息测量。通过对实验数据的处理,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和准确性,以及矢量阵应用于近场全息测量的可行性。本文方法为水中潜艇的噪声源识别和预测提供了可靠的依据,为实际工程推广应用打下了基础。最后,总结了本文的主要研究成果,指出了需要进一步研究和解决的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 声全息技术简介
• 1.1.1 全息术概述
• 1.1.2 传统声全息技术
• 1.1.3 近场声全息技术
• 1.2 近场声全息技术的发展
• 1.2.1 基于空间声场变换（STSF）的NAH
• 1.2.2 基于边界元法（BEM）的NAH
• 1.2.3 基于Helmholtz方程最小二乘法（HELS）的NAH
• 1.2.4 基于波叠加法的NAH
• 1.2.5 近场声全息技术测量方法及系统的发展
• 1.3 NAH仍存在的一些问题
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 基于振速测量的近场声全息技术
• 2.1 基本理论
• 2.2 数值验证
• 2.3 实验研究
• 2.3.1 实验装置的构成及参数设置
• 2.3.2 实验数据分析处理
• 2.4 本章小结
• 第3章 统计最优柱面近场声全息技术
• 3.1 柱面近场声全息的基本理论
• 3.2 统计最优柱面近场声全息技术
• 3.2.1 基于声压重构的SONAH
• 3.2.2 基于振速重构的SONAH
• 3.2.3 基于声压振速联合重构的SONAH
• 3.3 数值仿真
• 3.3.1 基于声压重构的算法验证
• 3.3.2 基于振速重构的算法验证
• 3.3.3 基于声压振速联合重构的算法验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于声强测量的柱面近场声全息技术
• 4.1 声强场的基本关系式
• 4.2 柱面BAHIM技术的基本原理
• 4.3 柱面BAHIM技术的有限离散算法
• 4.3.1 有限长柱体的近似化处理
• 4.3.2 复声压相位重构的有限离散算法
• 4.4 算例与仿真研究
• 4.4.1 柱面BAHIM技术理论验证
• 4.4.2 重构参数的影响
• 4.5 实验研究
• 4.5.1 全息声强测量的实现
• 4.5.2 实验系统介绍
• 4.5.3 实验结果处理
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于边界元法的非共形面近场声全息技术
• 5.1 积分表面离散化
• 5.2 表面积分的数值计算方法
• 5.2.1 非奇异积分的求解
• 5.2.2 奇异积分的求解
• 5.3 基于边界元法的声全息算法
• 5.4 重建过程的误差影响
• 5.5 重建过程的正则化处理
• 5.5.1 两种正则化方法
• 5.5.2 正则化系数的选取
• 5.6 算例与仿真
• 5.6.1 非共形面模型的声源重建
• 5.6.2 参数分析
• 5.6.3 正则化处理
• 5.7 本章小结
• 第6章 混合近场声全息技术研究
• 6.1 模型的假设
• 6.2 基于声强测量和边界元法的混合全息技术
• 6.2.1 问题的提出
• 6.2.2 全息变换处理过程
• 6.3 基于统计最优法和边界元法的混合全息技术
• 6.3.1 问题的提出
• 6.3.2 全息变换处理过程
• 6.4 数值仿真
• 6.4.1 基于声强测量和边界元法的混合全息技术验证
• 6.4.2 基于统计最优法和边界元法的混合全息技术验证
• 6.5 本章小结
• 第7章 基于矢量阵测量的近场声全息实验研究
• 7.1 实验目的
• 7.2 实验系统及参数介绍
• 7.2.1 实验系统
• 7.2.2 测量方法
• 7.2.3 实验参数及工况
• 7.3 实验数据预处理
• 7.3.1 数据长度的确定
• 7.3.2 多普勒校正
• 7.3.3 灵敏度校准
• 7.3.4 测量面信息构造
• 7.4 实验结果分析
• 7.4.1 统计最优法的近场全息重构
• 7.4.2 基于声强测量和边界元法的混合全息重构
• 7.4.3 基于统计最优法和边界元法的混合全息重构
• 7.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录A