瞬态近场声全息理论和实验研究

摘要

近场声全息技术(NAH)是近二十多年来发展起来的一种具有强大的噪声源识别定位和声场可视化功能的声学前沿技术，它可以为产品的噪声控制、低噪声及声质量设计等提供重要依据。目前，国内外学者提出了多种全息算法，然而这些算法大多在频域内进行，且只适用于稳态声场。在实际工程中，很多情况下声场为瞬态声场，若将NAH应用到瞬态声场，获得声场随时间的变化规律，必将极大地扩展其工程应用范围。正是在这一背景下，瞬态近场声全息（TNAH）被提出来。本文在分析TNAH的研究意义和研究进展的基础上，将已有的TNAH按照全息面声压信号处理方式的不同分为四类:基于三维变换的TNAH、基于二维变换的TNAH、基于一维变换的TNAH和无需变换的TNAH。本文对这四类TNAH中存在的问题进行了深入地研究和探讨，并提出了相应的解决方法。在基于三维变换的TNAH研究中，提出了基于Laplace变换的瞬态声场质点振速重建方法，用于解决基于Fourier变换的时域声全息在重建质点振速时出现的奇异性问题;在基于二维变换的TNAH研究中，推导出全息面声压到重建面质点振速之间的脉冲响应函数，并结合实时声全息的思想提出了基于该脉冲响应函数的质点振速重建方法;在无需变换的TNAH研究方面，提出了两种新的全息方法:基于时域平面波叠加法的TNAH和基于插值时域等效源法(ESM)的TNAH;最后提出一种瞬态声场分离方法，实现了TNAH在非自由声场条件下的运用。本文具体研究内容如下:
　　 第一章首先阐述了TNAH的研究意义，然后通过论述国内外有关瞬态声辐射计算的研究进展为TNAH的研究提供借鉴和思路，最后通过回顾目前国内外已有的TNAH方法，并分析其存在的问题，确立了本文的主要研究内容。
　　 第二章研究了基于三维变换的时域声全息。首先推导了基于Fourier变换的时域声全息的声压重建公式，并从理论上分析了声压重建过程中的误差及其控制办法。为了解决基于Fourier变换的时域声全息在重建质点振速时出现的奇异性问题，提出了基于Laplace变换的瞬态声场质点振速重建方法，并通过以固定在障板上的活塞为声源的数值仿真验证了所提出方法的有效性。
　　 第三章分析了基于二维变换的实时声全息。首先从速度势波动方程和Neumann边界条件出发，运用Laplace变换推导了全息面声压到重建面声压之间的脉冲响应函数，并阐述了基于该脉冲响应函数的声压重建过程。为了能够实现声场中质点振速的实时重建，运用Laplace变换推导了全息面声压到重建面质点振速之间的脉冲响应函数，并结合实时声全息的思想提出了基于该脉冲响应函数的质点振速重建方法，最后通过以障板上的圆形活塞为声源的数值仿真检验了该方法的有效性。
　　 第四章基于波叠加法的思想，提出了两种无需对全息面声压进行任何变换的TNAH:基于时域平面波叠加法的TNAH和基于插值时域ESM的TNAH。两者均避开了二维空间Fourier变换的使用，从而避免了二维空间Fourier变换所带来的限制;而且两者的重建过程均在时域内进行，因而具有实时重建声场的能力。首先推导了基于时域平面波叠加法的TNAH的重建公式，详述了其重建过程，并通过数值仿真和实验验证了其有效性，进一步与时域声全息和实时声全息相比较阐述了其优越性。随后推导了基于插值时域ESM的TNAH的重建公式，阐述了其重建过程，并通过三例具有不同形状声源的仿真阐述了该方法不仅具有TNAH常规的功能，而且不受声源形状的限制，因此该方法具有更加广阔的应用范围。
　　 第五章将TNAH扩展到非自由声场。首先基于声波在时域波数域的传播原理，推导了瞬态声场分离公式，提出了一种适用于非自由声场条件下的瞬态声场分离方法。该方法不仅可以在空间域，而且可以在时域，很好地移除干扰声源的影响，分离出只有目标声源辐射的声场;继而可以将分离出来的目标声源辐射声场与TNAH联合起来，实现非自由声场条件下的声场重建。
　　 第六章总结了本文的主要研究成果，提出了需要进一步研究和解决的问题。

目录

声明

摘要

致谢

第一章 绪论

1．1 瞬态声辐射计算的研究进展简介

1．1．1 平面声源的瞬态声辐射计算

1．1．2 曲面声源的瞬态声辐射计算

1．1．3 任意形状声源的瞬态声辐射计算

1．2瞬态近场声全息(TNAH)的研究进展

1．2．1 基于三维变换的TNAH

1．2．2 基于二维变换的TNAH

1．2．3 基于一维变换的TNAH

1．2．4 无需变换的TNAH

1．3 TNAH中仍存在的问题

1．4 本文的主要研究内容

1．5 本章小结

第二章 基于三维变换的时域声全息

2．1 基于时域声全息的声压重建

2．1．1 声压重建公式的推导

2．1．2 误差分析

2．1．3 数值仿真分析

2．2 基于时域声全息的质点振速重建

2．2．1 质点振速重建公式的推导

2．2．2 数值仿真分析

2．3 本章小结

第三章 基于二维变换的实时声全息

3．1 基于声压-声压(p-p)脉冲响应函数的声压重建

3．1．1 p-p脉冲响应函数的推导

3．1．2 声压重建过程

3．1．3 数值仿真分析

3．2 基于声压-质点振速(p-v)脉冲响应函数的质点振速重建

3．2．1 p-v脉冲响应函数的推导

3．2．2 质点振速重建过程

3．2．3 数值仿真分析

3．3 本章小结

第四章 基于波叠加法的TNAH

4．1 基于时域平面波叠加法的TNAH

4．1．1 公式推导

4．1．2 数值仿真分析

4．1．3 实验验证

4．2 基于插值时域等效源法的TNAH

4．2．1 公式推导

4．2．2 数值仿真分析

4．2．3 实验验证

4．3 本章小结

第五章 基于二维变换的瞬态声场分离技术及其在TNAH中的应用

5．1 瞬态声场分离技术

5．1．1 公式推导

5．1．2 数值仿真分析

5．1．3 实验验证

5．2 分离后的声场重建

5．3 本章小结

第六章 全文总结和展望

参考文献

攻读博士学位期间参与的科研项目

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间申请受理的专利