基于波疊加方法的聲全息技術(shù)與聲學(xué)靈敏度分析.pdf

1、本文圍繞產(chǎn)品噪聲測(cè)量與控制這一日益受到關(guān)注的課題，開(kāi)展了關(guān)于近場(chǎng)聲全息技術(shù)(NAH)和聲學(xué)靈敏度分析方面的研究。近場(chǎng)聲全息技術(shù)，誕生于20世紀(jì)80年代初，通過(guò)在輻射體的近場(chǎng)測(cè)量聲壓數(shù)據(jù)可以重建和預(yù)測(cè)出整個(gè)三維空間聲場(chǎng)的聲學(xué)量，如聲壓、質(zhì)點(diǎn)振速、聲強(qiáng)以及遠(yuǎn)場(chǎng)指向性等。因其具有此優(yōu)點(diǎn)，近場(chǎng)聲全息技術(shù)迅速地成為一種聲源識(shí)別和聲場(chǎng)可視化的強(qiáng)有力工具。在過(guò)去的二十多年中，該技術(shù)也取得了很大的發(fā)展，形成的全息變換算法主要有：空間聲場(chǎng)變換(STSF)

2、、邊界元方法(BEM)和Helmholtz方程最小二乘法(HELS)。 本文在實(shí)現(xiàn)和改進(jìn)基于STSF方法的NAH技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了空間聲場(chǎng)分離技術(shù)，為克服BEM和HELS方法的缺點(diǎn)，提出可應(yīng)用于內(nèi)、外聲輻射問(wèn)題分析的基于波疊加方法(WSA)的NAH技術(shù)。而在聲學(xué)靈敏度分析方面，本文通過(guò)對(duì)波疊加公式進(jìn)行關(guān)于設(shè)計(jì)變量的求導(dǎo)，提出基于波疊加方法的三維聲學(xué)靈敏度分析。每章內(nèi)容簡(jiǎn)要概括如下： 第一章回顧近場(chǎng)聲全息技術(shù)和聲學(xué)靈敏度分

3、析的發(fā)展歷史，分析了二者的研究現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上提出了這些問(wèn)題的解決途徑，確定了本文的主要研究?jī)?nèi)容。 第二章實(shí)現(xiàn)基于STSF的近場(chǎng)聲全息技術(shù)，解決該技術(shù)中的若干關(guān)鍵問(wèn)題。采用特殊函數(shù)和分離變量法推導(dǎo)出平面、柱面和球面NAH技術(shù)的理論公式，并討論它們的數(shù)值實(shí)現(xiàn)算法，以及全息重建過(guò)程中的誤差傳遞。最后，進(jìn)行掃描全息測(cè)量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作，提出一種不需要先驗(yàn)或后驗(yàn)知識(shí)的截止波數(shù)選取方法。 第三章提出空間聲場(chǎng)分離技術(shù)，拓寬

4、基于STSF的近場(chǎng)聲全息技術(shù)的使用范圍。從近場(chǎng)聲全息原理出發(fā)，利用聲波沿不同方向傳播的特點(diǎn)，針對(duì)平面、柱面和球面全息測(cè)量建立了波數(shù)域內(nèi)的聲場(chǎng)分離公式。利用聲場(chǎng)分離技術(shù)分離后的全息聲壓，可以不受背景干擾地重建目標(biāo)源面上和聲場(chǎng)中的聲學(xué)參量。 第四章給出聲輻射問(wèn)題的聲學(xué)基礎(chǔ)和定解問(wèn)題描述，推導(dǎo)出邊界Helmholtz積分方程，隨后給出了邊界Helmholtz積分方程的離散化形式——邊界元方法，以及在離散化實(shí)施過(guò)程中存在的問(wèn)題和相應(yīng)的處

5、理方法。在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出波疊加方法的基本公式，論證了波疊加方法和邊界元方法之間的等價(jià)性關(guān)系，最后給出波疊加方法的實(shí)施過(guò)程和精度分析。 第五章提出了基于波疊加方法的近場(chǎng)聲全息技術(shù)。依據(jù)波疊加積分公式，通過(guò)離散化連續(xù)虛源方法來(lái)改進(jìn)簡(jiǎn)單源替代方法，并引入混合層勢(shì)理論，建立了一種穩(wěn)健的全波數(shù)空間聲場(chǎng)重構(gòu)技術(shù)。研究聲全息重建過(guò)程中的不適定性問(wèn)題，以及相應(yīng)的正則化策略。通過(guò)典型算例和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性，并研究了聲源頻率及虛源位置等

6、對(duì)重構(gòu)精度的影響。 第六章推導(dǎo)出腔體內(nèi)聲場(chǎng)計(jì)算的波疊加積分公式，并建立基于WSA的腔內(nèi)聲全息理論和采用等參插值離散虛源表面的全息實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)幾個(gè)典型算例對(duì)腔內(nèi)全息技術(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明：在采用不同的正則化方法之后，即使采用含有測(cè)量誤差的數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)和預(yù)測(cè)，其計(jì)算結(jié)果與理論值都能吻合得相當(dāng)好，其中采用Tikhonov方法比TSVD方法濾波效果稍好。 第七章建立了基于波疊加方法的三維聲學(xué)靈敏度分析理論和實(shí)現(xiàn)算法。根據(jù)波