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单层传声器阵列分离三维声场声波的方法研究

宋玉来  
【摘要】:近场声全息方法(NAH,Near-field Acoustic Holography)可以重构三维空间内的声场分布,已被广泛用于声源的识别和定位。但是,该方法理论上要求三维空间中所有声源必须位于全息测量面的同一侧。为了实现全息测量面两侧都存在声源时的声场重构,研究人员提出了基于近场声全息的声波分离方法。根据测量方式的不同,现有的声波分离方法可分为三类:一,基于双层声压测量面的声波分离方法,即声波分离方法的输入量由放置在目标声源与干扰声源之间的双层传声器阵列获取;二,基于双层粒子速度测量面的声波分离方法,即声波分离方法的输入量由放置在目标声源与干扰声源之间的双层粒子速度传感器阵列获取;三,基于单层声压-粒子振速测量面的声波分离方法,即声波分离方法的输入量由放置在目标声源与干扰声源之间的能够同时获得声压和粒子振速的单层P-U(Pressure-Velocity)探头阵列获取。上述方法都使用了复合测量值作为声波分离方法的输入量,即使用双层测量面获取同一种物理量信息或使用单层测量面获取两种不同的物理量信息。相对于NAH中使用的单物理量单层阵列的声场信息采集方法,现有采集方法不仅增加了采集的工作量和采集的成本,也大大增加了声场信息的采集难度,是声波分离方法工业化应用过程中必需克服的难点之一。因此,提出了基于单物理量单层阵列采集声场信息的声波分离方法,即使用单层传声器阵列采集声场声压信息的三维声场声波分离方法。此外,在建立测量面上的声压数学模型时,提出使用不同阶次球面谐波的叠加进行逼近,使得所提出的声波分离方法,在采集声场信息时可以使用任意几何形状的测量面。本论文主要工作如下:(1)综述了三维空间声波分离方法的理论基础,即对主要近场声全息方法的发展与特点进行了归纳。随后对三维空间声波分离方法的发展现状做了总结,并简要阐述了本文选题的背景和意义。为了对不同阶次球面波叠加逼近理论有更为直观认识,对使用该理论的声场重构进行了仿真分析。(2)通过建立声场模型和理论推导,提出了基于单物理量单层阵列采集声场信息的声波分离方法。该方法以不同阶次球面波叠加逼近理论为基础,以单层传声器阵列作为测量前端,根据数据处理方式的不同,分别得到了基于叠加逼近的单层传声器阵列声波分离方法和基于二次重构的单层传声器阵列声波分离方法,获得了目标声源单独作用在全息测量面上的声压分布。(3)使用基于叠加逼近的单层传声器阵列声波分离方法,对声场中目标声源和干扰声源分别为径向脉动球和横向振动球、横向振动球和受迫振动简支板、二者都为横向振动球声源的三种声场分布进行了声波分离仿真,考察了频率变化对声波分离精度的影响,并使用扬声器分别作为目标声源和干扰声源,在全消声室内对声源对称分布的声场做了分离验证。(4)针对为了快速提取目标声源的声压幅值信息,并不需要高分辨率重构结果,提出使用5测点传声器探头采集声场信息,将基于叠加逼近的单层传声器阵列声波分离方法进行简化,得到5测点传声器探头为测量前端的声波分离方法。然后,以简单球形声源作为声场中的目标声源和干扰声源,对5测点传声器探头为测量前端的声波分离进行了仿真分析,随后使用近似球形的扬声器组合在消声室内检验了方法的可行性。(5)使用基于二次重构的单层传声器阵列声波分离方法,对由脉动球声源和振动球声源组成的叠加声场进行了声波分离研究。首先,把该方法与基于叠加逼近的单层传声器阵列声波分离方法做了对比。然后,通过仿真计算对该方法的主要影响参数进行了讨论,如相对声源强度、全息测量面的面积、全息测量面的几何形状等。实验研究中:一方面对声源非对称分布的声场进行了分离,并检验了测量面面积对分离结果的影响。另一方面,为进一步提升分离精度,自行设计了近似四棱台立体网格阵列,在全消声室内使用该阵列进行了声波分离实验,并将分离结果与使用单层平面网格测量面的声波分离结果做了比较。(6)在水介质中对声波分离方法的实验验证。根据水介质中封闭空间内的声场分布特点,制作了一套水下声波分离原型系统。该系统包括水听器阵列、反射水池、消声水池、数据采集组件和后处理系统等。使用基于二次重构的单层传声器阵列声波分离方法(水听器即为水介质中的传声器),对存在严重反射的反射水池声场进行分离处理,并把分离后的声场分布与消声水池内的直接测量值做了对比。由于实验条件的限制,此系统的实验验证在4kHz~8kHz的较高频段内进行,针对较低频段内的声波分离,可通过调整测点布置和阵列孔径实现。最后,对全文进行了概括和总结。归纳了论文的主要结论,给出了全文的主要创新点,并对所述声波分离方法未来发展的难点和焦点进行了展望。


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