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声全息技术及其应用
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声全息技术及其应用

  声场空间变换技术是声学研究中一种极其重要的方法,它是利用声场空间某一区域已知的声场特性来预报另一区域声场特性的方法。它主要包括近场声全息变换和远场预报两个方面。近场声全息是利用近场的声场特性来进行声源的重建。远场预报也就是通过测量近场来预报远场特性。在许多实际应用中,比如源尺寸较大时,按照远场条件,会使距离很大,而且远场测量时带来的多途效应、衰减、噪声等都会降低测量的准确度。因而若能在近场条件下,利用场变换推得远场的辐射场指向性等将有很大的实用价值。

  声全息技术在军事,民用等方面都有广泛的用途。比如在现代海军的发展中,通过声全息技术进行潜艇噪声源的定位,可为潜艇降噪提供理论依据及实验参数,从而有效地降低潜艇的辐射噪声,既增加其隐蔽性,达到保护自己的目的,又可以有效地攻击对方。减振降噪不仅在军事上有重大的意义,在民用方面也有广泛的应用领域,众所周知,噪声为三大污染之一,它对人类的生理和心理健康都有极大的危害,强噪声不仅会损害人的听力,而且会引起心悸、头晕等一系列不良反应,因此,降低工业噪声及车船噪声一直是环保工作的重点。又比如B&K公司建立一个风洞模拟汽车行驶时的声场,通过声全息办法进行汽车部件噪声源的定位,可针对性地进行降噪处理。

  已发展的噪声源识别和定位的方法很多,包括分部运转法、声强测量法、时域分析法、相关分析法、相干分析法等,但这些方法都各有缺点,而声全息法是一种比较好的方法。

  全息术的概念最早于40年代出现在光学中。这种技术通过对物体的散射光和参考光的衍射图象进行照相来获得含有散射光的幅度和相位信息的图片,利用参考光照射到全息图上来重现物体的三维图象。由于全息术的这种优点,在声振动的研究中也曾引入来记录振动体表面的振速分布,但振动体的声场辐射并不能完全由它表面的振速幅度分布表征,因此在60年代将全息的概念引入声学,提出了声全息。

  但早期的测量是在距离源面几个波长之外进行的,当声波波长较大时,会丢失一些很重要的近场声信息,这直接影响到分辨率,故声全息分辨率受到波长的限制,比如两个间距为一个波长的点源就不能被分辨出来,这就使得低频波声全息技术难以实现,所以,早期的声全息技术具有很大的局限性。

  为了克服早期声全息技术的上述缺点,80年代初,美国的Williams提出由近场测量的平面声压全息图重建源表面上声压和法向振速的近场声全息技术NAH (Nearfield Acoustical Holography),研究了平板的振动和声辐射,并在空气和水中进行了实验研究。全息图上的声压可以表示成源面上声压和在源面上满足Dirichlet边界条件的Green函数的卷积,声场重建过程即为这个卷积的逆过程,借助于Fourier变换技术可以方便地实现从全息面到源面的声场重建。

  NAH提出后,其推广应用面临着两个重要的问题:一是怎样能适用于宽带噪声源情况;二是平面NAH仅适用于源表面为平面情况,对于源表面为其它形状,如柱面、球面或任意形状时,应如何修改重建算法。

  为了能使NAH技术适用于宽带噪声源研究,1988年Pascal等人提出了BAHIM(Broadband Acoustical Holography from Intensity Measurements ) ,通过测量全息图上的声强分布,然后计算得到全息面上的复声压。这种方法仅用一个声强探头即可完成一次测量,并且不需要一个对应于源的参考信号,能用于宽带稳态噪声源的研究。缺点是仅适用于每个测量点上都有确定相位情况,对具有两个以上独立噪声源情况则不适用。

  平面声全息的重建比较容易地推广到源表面为其它正交坐标系(如球面、柱面)且全息面和源表面是共形的情况。在这种情况下,声场在可正交坐标系上按本征函数展开,然后计算垂直于坐标面方向声场的传播因子并将它用于从全息面到源表面的重建。1987年,Williams等人提出了广义声全息技术[4]GENAH(Generalized Nearfield Acoustical Hologrphy ) ,将它用于柱壳振动与声辐射的研究,并导出同心柱面上声场的关系式。在柱坐标系下,声源外的任意柱面上声场按轴向波数和周向波数的分解都可表示成Fourier变换的形式,所以柱面声全息的实施也可借助于FFT,同时它不仅可确定三维声压场也可以确定振速场和声强场等。

  80年代末,美国人Borgiotti和Sarkissian等人进一步将NAH推广到轴对称几何体的情况。在这种情况下,可将源表面沿轴向分成很多小环,在每个小环上假设振速沿轴向分布均匀,而周向则可按圆周波数分解。通过这种方法可以得到联系全息面上任意点声压和源表面振速展开系数的关系式,然后利用最小均方误差原则求得表面振速展开系数。

  此外,Williams和Sarkissian等人还对一振动柱的声场重建进行了研究。通过一些实验,得出全息面可以不是整个包围柱声源,只要是在环绕着振动柱圆周角方向上邻近柱面的某一曲面(它可以是沿圆周的一段,也可以是沿圆周角方向的半柱面或四分之一柱面)。该项技术又使得对源面的要求大大降低了。

  但以上研究还是基于共形面情况,而当声源结构很复杂时,共形面反演就难于甚至不能实现,尤其在实际应用中,除了所研究物体的外表面为平面、柱面之外,测量和源表面共形的全息面上各点声压将是非常困难的。因此发展非共形近场声全息是十分必要的。

  Maynard首先提出了可以实现任意形状声源重建的方法。在这种方法中,首先将源表面用一系列小平面来近似表示,并假设每个小元面上声压和振速是均匀的,然后将表面Helmholtz积分方程和外部Helmholtz公式离散化,得到联系全息图上测点声压和源面上各个小元面上法向振速的方程组。求解这个方程组,便可得到源面上的振速分布,并进一步利用表面Helmholtz积分方程和外部Helmholtz方程求得源表面上的声压分布和源外任意点的声压和振速。在文献中,提出利用CHIEF方法来解决在本征频率上解不唯一的问题,并应用奇异值滤波技术来改善重建结果的稳定性。

  采用边界元法(BEM)替代上述的方法可以大大提高任意形状声源重建的精度。 90年代,台湾人Mingxian.R.Bai用边界元法进行了理论计算与分析。他在对源表面进行离散化时,采用了六节点的三角形单元和八节点的四边形单元。数值计算结果表明,在全息面和声源表面共形情况下,基于BEM的数值全息重建的精度能满足对源表面场和源外辐射场的定量分析的要求。当源表面和全息面之间的距离不是太远时,重建过程中采用高斯消去法求解方程即可满足精度的要求;而当源表面和全息面之间的距离较远时,则必须采用奇异值滤波技术。韩国人G.T.Kim和B.H.Lee于同一时期也对一具体问题进行了研究,他们也是利用边界元方法将一换能器表面离散化,把一封闭球面作为源面,来对换能器表面场进行重建。

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