有限孔径近场声全息技术研究

Vol. 8 No. 4

Jul. 2019第8卷第4期

2019年7月网络新媒体技术有限孔径近场声全息技术研究

吴永胜黄亮

(南部战区海军92682部队 湛江 524047)

摘要：为了在有限孔径测量下实现大尺寸结构声源的辐射声场全息重构，对基于Patch 技术近场声全息方法开展了系统的研 究。利用基于波数域迭代手段的Patch 声全息手段，选用简谐激励控制下无限大障板的简支钢板作为目标，利用仿真对算法 作出了理论上的验证，分析了全息面数据空间补零长度和迭代循环次数对声场重构的影响；仿真结果表明，采用基于空间声 场变换的Patch 近场声全息方法，并通过局部孔径多次组合测试，可以准确有效实现覆盖整个大尺寸结构的声源辐射声场全 息重构。

关键词：近场声全息.Patch 声全息，波数域迭代，空间拼接

Research on Finite Aperture Near 一 field Acoustic Holography

WU Yongsheng , HUANG Liang

(Southern Theater Command Navy 92682 Force , Zhanjiang , 524047 , China)

Abstract : In order to realize the holographic reconstruction of the radiated sound field of a large — sized structured sound source under finite aperture measurement , a near - field acoustic holography method based on Patch technology was systematically studied. Using Patch acoustic holography based on the wave number domain iterative method , the simple supported steel plate with infinite baffle a- round the simple harmonic excitation was chosen as the object. The algorithm was verified by simulation and the spatial zero length of the holographic data was analyzed. The effect of the number of iteration loops on the reconstruction of the sound field is simulated. The simulation results show that the near - field acoustic holography based on the spatial sound field transformation can be used to accurate ­ly and effectively cover the holographic sound field of the entire large - size structured sound source through multiple combinations of lo ­cal apertures. Refactoring.

Keywords : NAH, Patch NAH , wave number domain iteration method , space matching

o 引言

近场声全息技术在噪声源定位和辐射声场重构部分被使用的越来越多，对制定振动噪声控制方案具有 极其关键的参考意义。因为计算方法单一及精准迅捷，基于空间声场转变的近场声全息算法在工程实际中 获得了广泛的使用⑴，然而要想增加声场重构精准度，就必须让全息测量孔径达到声源尺寸的四倍或者更 大⑵，针对飞机等大型结构声源，要想完全符合这些要求可能性的确不大。

Patch 近场声全息的出现为解决上述问题提供了思路，其本质是在局部孔径内测得声压数据的基础上， 利用合理有效的计算方法进行外推，从而推导出较大测量孔径内的声压数据。利用这种推导方法能够有效 的增大所测对象的孔径，使得测量声压在全息孔径边缘处的连贯性得到了保障，进而能够保证声场重构的本文于2018-11 -12收到，2019 -03 -28收到修改稿。

46网络新媒体技术2019年

精度⑶。Patch近场声全息的技术优势和独特功能使其很快成为声学领域学者们争相研究的课题。学者Williams[4,5]等人对此进行了一系列深入的研究，他们将改进型Tikhonov正则化处理技术加入到现有的全息面复声压数据外推过程中，从而使正则化因子在迭代过程中依据偏差理论原则进行自主适应选择。与此同时，他们通过相应的验证方法验证了这一方法的合理性及有效性。Lee和Bolton[ 6 ]将Patch近场声全息方法推广到柱面坐标系，开展了柱面结构声源的辐射声场全息重构；毕传兴等对基于空间声场变换的Patch 近场声全息方法进行了相应的分析研究并取得了关于Patch近场声全息的重要方法，他们通过研究分析，在Patch近场声全息中引入主成分分析(principal component analysis,PCA)71以及波叠加法⑻，然而在实现全息面数据外推过程中，均需要通过全息面数据空间域扩展以及波数域迭代循环计算实现，但有关算法在实际应用中参数选择的研究却不够充分；同时在实际操作过程中，通过局部孔径测量的测量结果推导出整个结构的声源表面的声场分布还没有一个明确的理论结果。

对于这一问题，笔者将通过分析基于空间声场变换的Patch近场声全息方法开展系统的研究，首先对这一算法是否合理有效进行验证，然后在此基础上对声场重构受到的迭代循环次数影响及全息面数空间扩展进行了深入研究探讨，同时提出多次组合测量的方法，在局部孔径测试下采用Patch近场声全息方法实现对应区域声场重构，根据声场位置关系进行空间拼接，从而得到覆盖整个大尺寸结构声源表面的声场分布。

1基于空间声场变换的Patch近场声全息

11基于空间声场转变的近场声全息

利用均匀理想流体媒质里面的小振幅声波的波动公式，能够获得摆脱时间限制的单频声波场公式，如式(1)所示。

Vp(x,y,z)+=0(1)其中，y为拉普拉斯算子,p(x,y,z)是声场空间的复声压必是波数,k=3/c=2e/X,3是声源简谐振动的圆频率,C是声速，入是声波的波长值。

针对Z大于零的空间其属于自由声场的情况，通过Green方程,能够获得任意平面上的声压，如式(2)所示。

p(sy,z)=肝Pg；"%(…,,y_y))dS

—,严(…‘‘丁儿'…'))ds⑵

其中S表示积分在无穷大的边界;n为S面的外法线；G(”,y,z)是格林函数，对于下标s其代表了声源平面上的量。

挑选出格林函数G(x,y,z),让其符合Dirichlet边界要求，格林函数G D(x,y,z)变成如式(3)所示。

G0(x,y,z)=1-jkr)e ikr(3)

式(3 )中r=+y2+z2o

将式(3)代入式(2)可得到Dirichlet边界条件下声场的解，如式(4)所示。

P(%』,z)=Jf(P(x s,y1,z!)G D(x-x s,y--z s))dS(4)

s

将式(4)两边进行二维Fourier变换，并根据卷积定理可得式(5)。

P(k*,k”,z)=-z,)(5)式(5)中p(k x,k y,z),p(k x,k r,z s),G D(k x,k y,z-Z1)分别表示p{x,y,z),p(x,,G”(％,z,z-z,)的二维Fourier变换。

由均匀理想流体媒质里的小振幅声波的波动公式，能够获得摆脱时间束缚的单频声波场公式，如式(6)所示。