基于相位共轭方法进行声源识别和定位

【摘要】：目前,舰船噪声已经成为威胁舰船安全和影响其战斗力的一个重要因素。而对舰船噪声的控制最根本的方法是对噪声源进行识别和定位,从而控制噪声源。因此,研究噪声源识别技术,对提高我国舰船减振降噪技术、加速海军装备的现代化有着重要理论意义和实用价值。本文采用相位共轭方法对声源的识别和定位进行了数值模拟和实验研究,完成的主要工作和创新性成果叙述如下： 阐述了相位共轭方法的基本理论,首先基于相位共轭方法采用不同相位共轭阵列形式进行点声源识别和定位计算,并对相位共轭阵列相关参数进行了数值模拟研究；接着研究了界面条件对相位共轭阵列聚焦特性的影响；最后在时间反转方法中引入声汇概念的基础上,提出了两种方法计算引入的声汇幅值,并讨论了引入的测量球面半径对声场重建结果的影响。数值计算结果表明：只有在近场测量声压梯度并使用偶极子源才能突破声波的衍射极限,阵元间距应小于0.5λ,最优的阵元间距为0.15λ；如果阵列与声源为共形面,则相位共轭声场幅值与声源的辐射声功率成比例；相位共轭方法对于阵列变形和声源运动并不敏感；对于阵列形式,只需要采用平面阵列的对角线的十字交叉阵列,用很少的阵元个数就可以在近场突破衍射极限,既简单实用,又能满足工程精度；界面反射条件对聚焦分辨率影响不大,只是增大了聚焦的强度,界面反射系数的绝对值越大,相位共轭声场的声压幅值越大；引入声汇之后,相位共轭阵列在一定的测量距离上时,采用两种计算方法都能突破声波的衍射极限；计算声汇幅值时引入的测量球面半径需要小于一个波长。 基于相位共轭原理采用有限元方法研究了室内稳态声场中单频声源的识别和定位。采用两种不同阵列形式,即线阵列和平面阵列进行声场测量并共轭,在声源处形成聚焦。还探讨了当壁面存在吸声材料时对相位共轭聚焦特性的影响。数值计算结果表明：利用有限元方法,采用平面阵列和线阵列基于相位共轭方法完全能够实现室内稳态声场的声源识别和定位,而采用线阵列形式仅用较少的阵元个数就可识别出声源的位置。壁面越接近刚性,即吸声系数越小,越满足相位共轭方法多途相位补偿原理,得到的重构效越好。 基于相位共轭方法采用离散阵元进行了实际工程结构声源识别和定位的数值仿真计算,采用不同的阵列形式对三种声源形式：平板、辐射立方体和流体加载的水下圆柱壳,进行了声场幅值和声源位置识别研究,并研究了结构的辐射声功率以及声强的重构,给出了相关误差分析；对水下圆柱壳还探讨了存在界面条件,如自由海面或海底的边界条件时相位共轭方法的聚焦特性；通过两种方法识别了平板和水下圆柱壳的法向振速。数值计算结果表明：对三种声源而言,均是在近场基于声压梯度测量使用偶极子源的相位共轭阵列形式对声场重构的效果最好；法向速度,声功率以及声强的重构分布结果与按照边界元方法计算得到的分布结果吻合较好。存在界面边界条件时,圆柱壳表面声压的绝对误差值明显小于全自由声场时的误差值,说明反射界面的存在增强了相位共轭阵列聚焦的精确性。基于声压梯度计算结构法向振速,能得到法向振速幅值的大致分布,该方法计算简单,对于无法得到声源表面阻抗关系的情况非常实用；而引入结构表面阻抗关系则能得到更加精确的结果。 联合内场边界元方法和相位共轭方法对振动平板的表面声压和法向振速的分布进行识别和定位数值模拟计算。内场问题通过构造一个将相位共轭阵列与平板封闭起来的虚构六面体实现。阵列处的测量复声压的共轭值作为声压边界条件,同时采用矩阵补零方法引入板表面声压和法向振速之间的阻抗边界条件,从而获得比直接采用相位共轭方法更为精确的识别结果。采用内场边界元方法进行声场重构,测量阵列与板表面的距离越近,得到的重构结果越精确；在远场测量时,测量阵列与板表面距离需小于5λ；取不同激励位置时采用内场边界元方法仍能得到较为精确的结果；对于不同的激励频率在低频段比高频段重构的结果更准确。 为验证相位共轭方法对结构声场识别和定位的可行性,在半消声室中进行了圆柱壳辐射声场识别的实验研究。首先通过阵列测量圆柱壳辐射声场的复声压,然后根据相位共轭的算法重构圆柱壳表面的法向振速及辐射声压。试验结果表明：本文采用有限元-边界元耦合方法计算的结构辐射声场是有效的。通过扫面的方式测量得到的阵列处声压幅值与数值仿真结果基本一致,采用相位共轭方法能清晰地给出圆柱壳表面声压和法向振速的分布趋势。本实验验证了相位共轭方法应用于声源识别和定位的可行性,说明该方法具有极大的工程实用价值。