非自由场中近场声源定位识别算法研究

摘要

近场声全息技术只需测量靠近声源表面的声压就可以预测与重建出整个三维空间的任意声学量，是一项具有巨大潜力的声场可视化的前沿技术。但是传统的近场声全息技术对测量环境要求苛刻，即要求全息测量面背侧的声场为自由声场，这就大大限制了其在非自由场环境下（例如汽车或潜艇舱室内）的应用。目前对于非自由场中的全息变换往往是首先采用声场分离技术去除全息测量面背侧的干扰，然后再进行全息重建。但是声场分离技术忽略了干扰声在声源表面引起的散射，在干扰声源强度较大或在小的封闭空间内测量时可能会导致声场分离失败。本文针对类球形声源采用基于球面波叠加的自由场还原技术将目标声源辐射的自由声场从包含有舱室壁的反射声以及反射声在声源表面引起的散射声的混合声场中还原出来，为进一步全息重建提供了自由声场条件。
　　本研究主要内容包括：⑴回顾近场声全息技术的发展历程，介绍了非自由声场中近场声全息技术的国内外研究现状。⑵以理想流体介质中稳态小振幅声波的Helmholtz方程为基础，推导了近场声全息技术在直角坐标系，柱坐标系和球坐标系下实现的基本公式，并讨论了其实现过程中的算法误差，给出了抑制算法误差的基本措施。通过大量的数值论证了近场声全息技术在声源定位识别时的高分辨率优势。⑶利用小振幅波波动方程的叠加原理推导了空间声场分离技术的基本公式，通过数值仿真研究了声场分离技术去除全息面背侧干扰声的必要性和有效性；论证了球面声场分离技术在抑制封闭腔体内反射声时的适用性。⑷将干扰声在声源表面的散射考虑进来，推导了非自由场中的平面近场声全息公式，拓展了平面声场分离技术的应用范围；同时采用基于球面波叠加的自由场还原技术仿真实现了刚性球腔内活塞声源的定位识别，进一步论证了球面声场分离技术在封闭腔体内辨识声源的准确性和稳定性。⑸通过合理的设计平面声阵列实验，验证了论文中某些近场声源定位识别算法的正确性与有效性。

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第1章 绪论

1.1 论文的研究背景及意义

1.2 近场声全息技术的发展历史及现状

1.3 非自由声场中NAH国内外研究现状

1.4 论文的主要研究方法与主要内容

第2章 近场声全息(NAH)技术基本算法研究

2.1 平面近场声全息

2.2 柱面近场声全息

2.3 球面近场声全息

2.4 本章小结

第3章 空间声场分离技术基本算法研究

3.1 平面声场分离技术

3.2 柱面声场分离技术

3.3 球面声场分离技术

3.4 本章小结

第4章 非自由声场中NAH基本算法研究

4.1 非自由声场中平面近场声全息

4.2 非自由声场中球面近场声全息

4.3 本章小结

第5章 近场声源定位识别算法实验验证

5.1 平面近场声全息算法实验验证

5.2 平面声场分离算法实验验证

5.3 本章小结

结论

参考文献

致谢