基于声参量阵的风速测试算法研究

摘要

传统超声波测风速由于自身频率过高，在空气中传播距离短，导致其在大范围空间的平均风速测量上存在局限；而普通可听声因不具有指向性特征，声场分布无规律，导致其也不可应用于测风速，因此提出利用声参量阵测量大空间平均风速。声参量阵能够产生具有强指向性的差频可听声，传播距离远，置于风场中的声场分布特征信息丰富，利用这些优势将实现大空间范围的平均风速的测量。本文提出基于垂直风场对声参量阵声场声压分布存在显著的影响的特征，研究基于声参量阵的风速测试算法。
　　首先，本文对声参量阵的基本理论进行研究，对声参量阵测试的几个基本特性进行理论及仿真上的分析，包括：指向性特征、波束分布特征、非线性特征声压级（SPL）的表现形式，为研究声参量阵声场与风速之间的关系，本文提出优先从基础声波（平面波、球面波）理论出发，对声波波动方程及运动方程引入风速因子进行公式推导，得出理想情况下风速不影响声波的声压大小，仅影响声波传播方向，依托此结论得出推论：声参量阵的声场会因受到垂直稳定风速的作用而产生偏移。
　　其次，为研究声参量阵声场及风场的分布情况及表现特征，本文采用对相关理论进行仿真的方式进行分析。针对声参量阵声场模型，对KZK方程准线性解进行MATLAB仿真，获得声参量阵声场分布，得出声场声压分布截面呈现的内高外低的拱形分布特征，通过和超声波声场对比发现，参量阵声场比超声波声场表现的特征更显著。针对定向风场模型，不考虑风向，基于组合理论对二维风场进行建模仿真分析，发现各个风速组合因子在一定条件下对平均风速的测量并不产生很大影响，可以只关注基本风速。以声参量阵声场分布及风场分布特征为依据，采用实验验证垂直风场对声参量阵声场的声压分布的影响，发现风速会使声压分布呈现整体偏移现象，风速越大，偏移越大。
　　然后，基于前述结论，本文提出基于声参量阵的风速测试算法，对理想情况下利用风速与声场声压分布偏移量线性关系测风速进行理论推导，考虑到实际测试条件，利用两者之间映射关系的思路设计算法，然后对实验得到的风速与声压分布偏移量的数据进行处理，利用神经网络泛化能力拟合分析两者之间的映射关系，在拟合效果保证的条件下发现两者之间存在非线性关系，对非线性关系来源提出几个可能性产生因素，拟合结果作为后续算法实验测试结果来源依据。
　　最后，搭建风速测试算法的实验系统，包括声参量阵发射模块、音频接收模块、风力产生及测试模块，通过测量声参量阵声场在风速作用后传播轴线中心点处声压级，在无风时已有的声压分布曲线上找到对应的偏移位置，然后利用BP神经网络拟合的风速VS偏移量的映射关系模型，获得偏移量对应的平均风速值，参照超声波风速仪所测结果，分析发现基于声参量阵的风速测试算法可以应用在测量大空间平均风速值，算法总体可以达到一定程度的性能要求，在一定条件下具有可行性。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的及内容

1.4 本论文结构安排

第二章 声波风速测试基础理论分析

2.1 声参量阵理论基础

2.2 声波受风速影响基础理论分析

2.3 本章小结

第三章 声参量阵风速测试特性分析

3.1 声参量阵声场模型分析

3.2 参量阵风场模型分析

3.3 风速对声参量阵声场的影响研究

3.4 本章小结

第四章 声参量阵风速测试算法研究

4.1 基于声参量阵的风速测试算法设计

4.2 基于BP网络的参量阵测试数据处理

4.3 本章小结

第五章 基于声参量阵的风速测试算法的系统测试

5.1 实验测试总体设计

5.2 系统实验测试及结果分析

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1论文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果