近场平面声全息的测量和重构误差研究

摘要

论文综述了近场声全息技术(NAH)的发展和研究现状,分析了该项技术在研究和推广应用中存在的问题.分析表明,尽管近场平面声全息的重构算法和全息测量方法在近年来取得了较大的进展,但重构算法和全息测量方法中误差理论的研究还很不够,阻碍了这项先进的声学测量和声场分析技术的推广应用.论文对实空间格林函数离散化的特点和基于二维离散傅氏变换实现全息重构算法进行了深入的研究.从理论上明确了采用实空间格林函数进行全息重构时,全息重构的算法误差来源,证明了全息数据阵列补零延拓的方法可以有效地避免全息重构中卷绕误差以及实空间格林函数在离散过程中的取值范围不确定性并不影响全息重构的结果;从理论上证明了采用k-空间格林函数进行声场重构必将产生卷绕误差,提出采用实空间格林函数的幅值衰减率来表示卷绕误差的大小,讨论了重构频率和重构距离对幅值衰减率和正、逆全息重构精度的影响,指出k-空间格林函数只适用于近场重构.对实空间格林函数的获取方法及其对近场全息重构精度的影响进行了深入和系统的研究.讨论了实空间抽样格林函数的奇异性,指出当重构距离较小时实空间抽样格林函数的奇异性使其角谱出现过估计,导致重构误差,实空间抽样格林函数不适合于近距离的声场重构;推导了实空间积分格林函数的获取方法并修正了其计算参数;研究了基于泰勒展开的格林函数多项式积分的收敛性和近似精度,从理论分析和仿真算例证明实空间积分格林函数较实空间抽样格林函数具有更高的精度,它既适合于近场重构也适合于远场重构;分析了实空间采样间隔对重构精度的影响.论文对基于声压测量的全息信号中的误差形式和特征进行了系统的分析,建立了全息声压测量的误差模型,分析了随机误差对重构精度的影响,给出了随机误差从全息复声压测量到重构之间的能量传递关系;在分析声压测量系统的系统误差与测量通道频响特性之间的关系以及系统误差对全息数据影响的基础上,推导出系统误差—全息数据误差—重构误差之间的传递关系以及误差表达式,提出了基于传递函数测量的系统误差修正方法,通过理论分析和仿真算例证实了修正方法的有效性.研究了基于声强测量的全息平面复声压相位计算中的奇异性问题,推导了解决奇异性影响的相位重构算法;推导了采用FFT方法实现基于声强测量的全息相位重构的离散算法,并指出因离散算法的近似假设不满足将导致一种相位重构振荡误差,讨论了这种误差的分布特点以及测量参数对它的影响,提出采用波数空间窗函数的方法来抑制相位振荡误差并取得较好的效果;讨论了基于声强测量的全息声压幅值的近似计算方法并进行了精度对比分析;研究了声强测量系统的幅值和相位失配误差对全息相位计算精度的影响.以扬声器为对象,实验验证了NAH和BAHIM技术的有效性以及格林函数对全息重构精度影响、声强测量系统的相位失配误差对全息相位重构影响的研究结论;采用线阵传声器阵列和自编近场声全息分析程序对ZJ-150A型罗茨真空泵的端盖辐射声场进行实验研究,准确地识别出端盖辐射噪声的位置和辐射特征,为该泵的降噪和低噪声设计提供了参考依据.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明和关于论文使用授权的说明

第一章绪论

1.1概述

1.2近场声全息技术的发展和研究现状

1.2.1声全息技术的发展

1.2.2近场声全息测量技术的发展

1.2.3近场声全息技术中的重构算法发展

1.2.4国内近场声全息技术的研究现状

1.2.5近场声全息技术中的误差理论研究现状

1.3国内近场声全息技术研究和推广应用中尚存在的问题

1.4论文研究的主要内容

第二章近场平面声全息技术的基本理论

2.1声场中的基本方程

2.1.1声学量和理想声场假设

2.1.2理想流体介质的三个基本方程

2.1.3声场中的波动方程

2.1.4亥姆霍兹方程

2.2实空间声场的平面波展开

2.2.1平面波

2.2.2倏逝波

2.2.3以简正摸态振动的无限平板

2.2.4波数空间：k-空间

2.2.5角谱(付立叶谱)

2.3声场中的亥姆霍兹—基尔霍夫定理

2.4近场声全息技术

2.4.1引言

2.4.2瑞利第一积分公式

2.4.3瑞利第二积分公式

2.4.4近场平面声全息技术

2.5本章小节

第三章近场平面声全息重构的离散算法

3.1引言

3.2有限、离散化的假设条件

3.3近场平面全息重构的离散化

3.3.1全息重构表达式的离散化

3.3.2格林函数的有限离散化及特点

3.4离散全息重构卷积计算中混迭问题研究

3.4.1问题的提出

3.4.2二维循环卷积和线性卷积理论

3.4.3由DFT计算重构卷积的理论依据

3.4.4全息数据延拓和格林函数转换关系的分析

3.4.5仿真验证

3.5逆向重构的实现

3.6本章小节

第四章格林函数的特性及其对平面声全息重构的影响

4.1离散全息重构表达式及格林函数角谱的获取方法

4.2k-空间抽样格林函数以及重构中的卷绕误差

4.2.1k-空间抽样格林函数及特点

4.2.2k-空间抽样格林函数与卷绕误差

4.3实空间格林函数

4.3.1实空间抽样格林函数

4.3.2实空间积分格林函数

4.4k-空间抽样格林函数全息重构精度的影响

4.4.1实空间格林函数的衰减特点

4.4.2采用k-空间抽样格林函数进行正向重构的误差分析

4.4.3采用k-空间抽样格林函数进行逆向重构的误差分析

4.5实空间格林函数对全息重构精度的影响

4.5.1实空间抽样格林函数的重构精度分析

4.5.2实空间积分格林函数的重构精度分析

4.5.3采用实空间格林函数的重构精度与重构距离和采样间隔关系

4.6本章小节

第五章基于声压测量的近场平面声全息技术及其误差分析

5.1全息复声压的测量

5.1.1全息声压的测量方式

5.1.2全息复声压之间的相位关系

5.1.3基于声压测量全息复声压测量系统的构成

5.2全息测量和重构参数的确定

5.3全息声压测量的误差模型与误差分析

5.3.1全息声压测量中的误差形式

5.3.2全息声压测量中的误差模型

5.3.3全息声压测量中的误差分析

5.3.4全息声压测量中的随机误差对重构精度的影响

5.4测量系统的系统误差对全息重构精度的影响

5.4.1系统误差对全息数据精度的影响

5.4.2系统误差对重构精度的影响

5.5基于传递函数测量的全息系统误差修正

5.6重构中的泄漏误差与窗函数

5.6.1全息复声压角谱中的泄漏误差

5.6.2格林函数角谱中的泄漏误差

5.6.3采用实空间窗函数抑制泄漏误差

5.7本章小节

第六章基于声强测量的近场平面声全息技术及其误差分析

6.1前言

6.2基于声强测量全息复声压重构原理

6.2.1声能与声强

6.2.2时均声强

6.2.3基于声强测量的全息复声压重构原理

6.3全息复声压重构的有限和离散算法

6.3.1算法理论

6.3.2数值仿真验证

6.4全息复声压相位重构算法误差分析

6.4.1有限空间截断产生的相位重构误差及其抑制措施

6.4.2重构参数对相位重构精度的影响

6.5近场全息平面上全息声强阵列测量的实现

6.5.1互谱声强测量的基本原理

6.5.2近场全息平面上全息声强测量的实现

6.6基于声强测量的全息复声压幅值估计误差分析

6.6.1全息声强测量的系统模型

6.6.2全息复声压幅值的估计方法和误差函数定义

6.6.3测量通道幅频特性失配对全息复声压幅值估计精度的影响

6.6.4估计方法对全息复声压幅值估计精度的影响

6.7声强测量系统的系统误差对全息复声压相位重构精度的影响

6.7.1相位失配误差对全息复声压相位重构精度的影响

6.7.2幅频特性失配对全息复声压相位重构精度的影响

6.8本章小节

第七章近场平面声全息方法的实验验证与应用

7.1基于声压测量的扬声器声场近场全息测量与重构

7.1.1试验装置的构成和参数设置

7.1.2全息重构结果与分析

7.2基于声强测量的扬声器声场近场全息测量与重构

7.2.1实验技术路线和参数设置

7.2.2互谱声强法全息复声压重构结果分析

7.3基于近场声全息测量技术的罗茨真空噪声源识别与定位

7.4本章小结

第八章全文总结

参考文献

作者在攻读博士期间发表的学术论文

致谢