基于近场声全息的水下辐射声场可视化方法与实现
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可重 复性 差 ， 测试 精度 和准 确性 也不 高 ， 当振 动源 体 积较 大 、 结 构较 复杂 以及 辐 射 声 场 范 围 较 大 时 可操 作性 更 差 。近 场 声 全 息 剖作 为 一 种新 的测
１ 基 于近 场 声 全 息 测 量 的 声 压 场 数
据 获 取
在近 场声 全 息算 法 中 ， 从 测 量 面 到 源 面 的距 离是 波长 的几 分 之 一 ， 在 测量 系统 动 态 范 围选 择 适 当 的情 况下 ， 可 充 分 记 录测 量 面 上 声 场 的低 波
数 和高波 数成 分 ， 能达 到很高 的重 建分 辨率 。
１ ． １ 近 场声 全息 求解算 法 由于源 面声压 经格 林 函数卷 积后 即为测 量 面
量手段 ， 降低 了 测 试 实 施 难 度 ， 并 且 实 施 条 件 稳 定、 可重 复性 高 ， 无论 对空 气还 是水 下大 型结 构体 的振动 或声 辐射 特 性 的研 究 ， 都 是 一 种 非 常有 效
采用平面 近场声全 息技 术完成声场测量 ， 给出声压数据场 的获 取方法 ， 并运用光 线投射算法 对单频点 上声压 场进行体绘制 ， 较好地呈现 了某频点 上辐射声场的声源位置 、 强度 分布及衰减情 况。 关键 词 ： 近场声全息 ； 水 下结构体 ； 水 下辐射声场 ； 科学计算 可视化
Ｉ
一
为结 构体 振声性 能 的检 测 与分 析提供 了一种新 的
研 究手段 。
：ｄ ，
并且 ， Ｒ １ ＝Ｒ ２ ， Ｊ Ｒ ２ ／ Ｏ ａ＝ 一Ｊ Ｒ １ ／ Ｏ ａ， 则
有
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３—０ ３—１ ４
修 回 日期 ： ２ ０ １ ３— ０ ３— ２ １
Ｇ 。 （ ） ＝ ＝ １ ・ ２ （ ） ：
（ ２ ）
基金项 目： 国家 自然科学基金 （ ５ １ ０ ０ ９ １ ４ ３ ） 第一作者简介 ： 周琳 娜（ １ ９ ８ １ 一） ， 女， 博士生
研究方 向： 轮机 工程
Ｅ． ｍａ ｉ ｌ ： ｌ ｉ ｎ １ ３ ８ ＠ １ ６ ３ ． Ｃ Ｏ Ｉ Ｔ Ｉ
Ｐ （ ） Ｇ 。 （ ｒ ， ｒ ｓ ） 式 中： ｐ （ ； ）—— 测 量面 某点 复声压 ； （ １ ）
结构 体辐 射声 压 数 据 场 进行 可 视 化 ， 较好 地 展 现
了振 动体 声源 位置 、 声 能量 强度 分布 及 衰减情 况 ，
Ｐ （ ； ） — — 源面某 点 复声压 ； Ｇ — —格 林 函数 。 设ｚ 为 源 面上 垂 直分 量 ， 为反 演 面上 垂 直 分量 ， 当 ＝ 时， ａ Ｇ ／ Ｏ ｎ＝ａ Ｇ ／ Ｏ Ｒ ・ａ Ｒ ／ Ｏ
基 于 近 场 声 全 息 的水 下 辐 射 声 场 可 视 化 方 法 与实 现
周 琳娜 ， 楼 京俊 ， 朱石 坚
（ 海军工程大学 船舶与动 力学院， 武汉 ４ ３ ０ ０ ３ ３ ）
摘
要： 针对水下结构体辐 射声场的测试及分析 问题 ， 提出一种基于近场声全息 的辐射声场可视化方法 ，
中图分类号 ： Ｔ Ｂ ５ ３ ５ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ １ — ７ ９ ５ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５ － ０ １ ２ ３ － ０ ４
大 型水 下结 构体 的振 动声 辐射 水平 是其 进行
设计 与 检修 的一 项重 要依 据 。 当前 振动 辐射 声场 测试 主要 采 用传 统 的Fra Baidu bibliotek声 压测 试 技 术 Ｊ ， 可 在 一定 程 度上 反 映 其 噪声 水 平 ， 但耗资大、 测 试周 期 长 、
式中： Ｒ＝￣ ／ （ 一 Ｘ Ｓ ） ＋ （ ） ， 一 Ｙ ｓ ） ＋ （ ｚ 一 ） ，
对 方 程 两 边 进 行 两 维 空 间 快 速 傅 里 叶 变
的方法 。
声压 ， 因此 对 Ｈ ｅ ｌ ｍｈ ｏ ｔ ｚ方 程 使 用 傅 里 叶 变 换 ， 实
现 空 间域 到波 数 域 的快 速 变 换 计 算 ， 完 成 由声 压 测量 到源 面声 压 的计 算 。具 体 流 程是 ： 先 通过 空 间离 散点 的复 声压采 集 （ 声 场 的空 间采 样 ） ， 再 利
测量 将 产生 庞 杂 的数 据 ， 也 意 味着 繁 琐 的分 析过 程 。近 年来 ， 随着 计 算 机 性 能 的 飞 速 提 高 和
计算 机科 学 的迅 猛 发 展 ， 科 学 计 算 可 视 化 越来 越 成 为数据 分 析与 处理 的有 力工 具 。将科 学计 算可
用原 理公 式 ， 离散化 后借 助离 散傅 里 叶计 算 ， 然后
第４ ２卷 第 ５期 ２ ０ １ ３年 １ ０月
船 海 工 程
Ｓ ＨＩ Ｐ ＆ ０ＣＥＡＮ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ
Ｖ０ １ ． ４ ２ Ｎｏ ． ５ ０ｃ ｔ ． ２０１ ３
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ３ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ １ — ７ ９ ５ ３ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ５ ． ０ ３ ３
作逆 变换 实 现 源 面 场 的重 建 。对 于 平 面 型 声
视化 引入 到声 学 领 域 ， 是 对 传 统 声 学 研究 方 法 的 延拓 ， 能依 托 计 算 机强 大 的数 据处 理 能 力 ， 直观 、 高效 地对 测量 结 果 及 仿 真 数据 进 行 展 示 ， 帮助 研
究人 员完 成 声 场 量 的分 析 研 究 工 作 。本 文 利 用体 绘制 技术 ， 对 基 于 近 场 声 全 息 所测 得 的大 型
源， 结构表 面声 场与 外表 声场 变换 式可简 化 为
ｐ （ ； ） ＝ｆ ７ ｐ （ － １ ） ・ Ｇ ｏ （ ； ， ； ） ｄ ｓ （ ｒ 。 ） ＝
１ 基 于近 场 声 全 息 测 量 的 声 压 场 数
据 获 取
在近 场声 全 息算 法 中 ， 从 测 量 面 到 源 面 的距 离是 波长 的几 分 之 一 ， 在 测量 系统 动 态 范 围选 择 适 当 的情 况下 ， 可 充 分 记 录测 量 面 上 声 场 的低 波
数 和高波 数成 分 ， 能达 到很高 的重 建分 辨率 。
１ ． １ 近 场声 全息 求解算 法 由于源 面声压 经格 林 函数卷 积后 即为测 量 面
量手段 ， 降低 了 测 试 实 施 难 度 ， 并 且 实 施 条 件 稳 定、 可重 复性 高 ， 无论 对空 气还 是水 下大 型结 构体 的振动 或声 辐射 特 性 的研 究 ， 都 是 一 种 非 常有 效
采用平面 近场声全 息技 术完成声场测量 ， 给出声压数据场 的获 取方法 ， 并运用光 线投射算法 对单频点 上声压 场进行体绘制 ， 较好地呈现 了某频点 上辐射声场的声源位置 、 强度 分布及衰减情 况。 关键 词 ： 近场声全息 ； 水 下结构体 ； 水 下辐射声场 ； 科学计算 可视化
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一
为结 构体 振声性 能 的检 测 与分 析提供 了一种新 的
研 究手段 。
：ｄ ，
并且 ， Ｒ １ ＝Ｒ ２ ， Ｊ Ｒ ２ ／ Ｏ ａ＝ 一Ｊ Ｒ １ ／ Ｏ ａ， 则
有
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３—０ ３—１ ４
修 回 日期 ： ２ ０ １ ３— ０ ３— ２ １
Ｇ 。 （ ） ＝ ＝ １ ・ ２ （ ） ：
（ ２ ）
基金项 目： 国家 自然科学基金 （ ５ １ ０ ０ ９ １ ４ ３ ） 第一作者简介 ： 周琳 娜（ １ ９ ８ １ 一） ， 女， 博士生
研究方 向： 轮机 工程
Ｅ． ｍａ ｉ ｌ ： ｌ ｉ ｎ １ ３ ８ ＠ １ ６ ３ ． Ｃ Ｏ Ｉ Ｔ Ｉ
Ｐ （ ） Ｇ 。 （ ｒ ， ｒ ｓ ） 式 中： ｐ （ ； ）—— 测 量面 某点 复声压 ； （ １ ）
结构 体辐 射声 压 数 据 场 进行 可 视 化 ， 较好 地 展 现
了振 动体 声源 位置 、 声 能量 强度 分布 及 衰减情 况 ，
Ｐ （ ； ） — — 源面某 点 复声压 ； Ｇ — —格 林 函数 。 设ｚ 为 源 面上 垂 直分 量 ， 为反 演 面上 垂 直 分量 ， 当 ＝ 时， ａ Ｇ ／ Ｏ ｎ＝ａ Ｇ ／ Ｏ Ｒ ・ａ Ｒ ／ Ｏ
基 于 近 场 声 全 息 的水 下 辐 射 声 场 可 视 化 方 法 与实 现
周 琳娜 ， 楼 京俊 ， 朱石 坚
（ 海军工程大学 船舶与动 力学院， 武汉 ４ ３ ０ ０ ３ ３ ）
摘
要： 针对水下结构体辐 射声场的测试及分析 问题 ， 提出一种基于近场声全息 的辐射声场可视化方法 ，
中图分类号 ： Ｔ Ｂ ５ ３ ５ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ １ — ７ ９ ５ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５ － ０ １ ２ ３ － ０ ４
大 型水 下结 构体 的振 动声 辐射 水平 是其 进行
设计 与 检修 的一 项重 要依 据 。 当前 振动 辐射 声场 测试 主要 采 用传 统 的Fra Baidu bibliotek声 压测 试 技 术 Ｊ ， 可 在 一定 程 度上 反 映 其 噪声 水 平 ， 但耗资大、 测 试周 期 长 、
式中： Ｒ＝￣ ／ （ 一 Ｘ Ｓ ） ＋ （ ） ， 一 Ｙ ｓ ） ＋ （ ｚ 一 ） ，
对 方 程 两 边 进 行 两 维 空 间 快 速 傅 里 叶 变
的方法 。
声压 ， 因此 对 Ｈ ｅ ｌ ｍｈ ｏ ｔ ｚ方 程 使 用 傅 里 叶 变 换 ， 实
现 空 间域 到波 数 域 的快 速 变 换 计 算 ， 完 成 由声 压 测量 到源 面声 压 的计 算 。具 体 流 程是 ： 先 通过 空 间离 散点 的复 声压采 集 （ 声 场 的空 间采 样 ） ， 再 利
测量 将 产生 庞 杂 的数 据 ， 也 意 味着 繁 琐 的分 析过 程 。近 年来 ， 随着 计 算 机 性 能 的 飞 速 提 高 和
计算 机科 学 的迅 猛 发 展 ， 科 学 计 算 可 视 化 越来 越 成 为数据 分 析与 处理 的有 力工 具 。将科 学计 算可
用原 理公 式 ， 离散化 后借 助离 散傅 里 叶计 算 ， 然后
第４ ２卷 第 ５期 ２ ０ １ ３年 １ ０月
船 海 工 程
Ｓ ＨＩ Ｐ ＆ ０ＣＥＡＮ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ
Ｖ０ １ ． ４ ２ Ｎｏ ． ５ ０ｃ ｔ ． ２０１ ３
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ３ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ １ — ７ ９ ５ ３ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ５ ． ０ ３ ３
作逆 变换 实 现 源 面 场 的重 建 。对 于 平 面 型 声
视化 引入 到声 学 领 域 ， 是 对 传 统 声 学 研究 方 法 的 延拓 ， 能依 托 计 算 机强 大 的数 据处 理 能 力 ， 直观 、 高效 地对 测量 结 果 及 仿 真 数据 进 行 展 示 ， 帮助 研
究人 员完 成 声 场 量 的分 析 研 究 工 作 。本 文 利 用体 绘制 技术 ， 对 基 于 近 场 声 全 息 所测 得 的大 型
源， 结构表 面声 场与 外表 声场 变换 式可简 化 为
ｐ （ ； ） ＝ｆ ７ ｐ （ － １ ） ・ Ｇ ｏ （ ； ， ； ） ｄ ｓ （ ｒ 。 ） ＝