单全息面分离声场技术及其在声全息中的应用

提出单全息面分离声场技术,突破以往近场声全息(NAH)和基于声强测量的宽带声全息(BAHIM)的应用局限。它们的局限在于:全息面一侧的声场必须是自由声场,即要求所有的声源仅能位于全息面的另一侧;而在工业测量的情况下,这个要求是很难达到的。提出的声场分离技术,利用全息面上微粒法向振速的叠加原理和波数域的Euler公式,建立起在波数域内的声场分离公式,然后通过二维逆Fourier变换,便得到了全息面一侧声源所产生的声压,从而达到声场分离的目的。原理的推导理论上论证该技术正确性,数值仿真显示了该技术的可行性和有效性。     

基于混合全息算法的多源相干声场分离方法

当空间声场中存在多个相干声源时,运用常规的近场声全息算法无法重建和预测每个相干声源的声场分布,限制了声全息的应用范围和对相干声场的分析。在针对该问题的现有方法中,基于傅里叶变换的声场分离技术只能用于相干声源位于全息面两侧的情况,而分布源边界点法、联合波叠加法等虽然可解决相干声源位于全息面同侧的分离问题,但在应用时必须预先知道声源的位置以及几何形状等先验知识。针对相干声源在全息面同侧的情况,提出一种新的多源相干声场分离方法。该方法只需全息面声压,不需要其他先验知识就可以实现相干声场分离,能很好地弥补现有方法的缺点,并为相干声场的分析提供有力手段。数值仿真和试验验证该方法的正确性、可行性和有效性。     

基于正交球面波源边界点法的声学灵敏度分析

提出采用正交球面波源边界点法作为声学灵敏度算法,计算空间任意点的声学量关于设计变量的灵敏度,克服基于边界元的声灵敏度分析中所固有的各阶奇异积分和非唯一性问题,降低数值处理难度和工作量.提出近场声全息与声学灵敏度的组合分析方法,利用声全息重建出表面法向振速及其导数,然后再进行灵敏度分析,解决表面声学量获取困难的问题.数值仿真的结果充分证明该声学灵敏度分析方法的正确性和可行性.     

RECONSTRUCTION STABILITY OF NEARFIELD ACOUSTIC HOLOGRAPHY

The distributed source boundary point method (DSBPM) is used as the spatial transform algorithm for realizing nearfield acoustic holography (NAH),the sensitivity of the reconstructed solution to the measurement errors is analyzed,and the regularization method is proposed to stabilize the reconstruction process,control the influence of the measurement errors and get a better approximate solution.An oscillating sphere is investigated as a numerical example,the influence of the measurement errors on the reconstruction solution is demonstrated,and the feasibility and validity of the regularization method are validated.     

基于单全息面三维声强测量的声场分离技术

在测量全息面三维声强和均方声压的基础上，根据平面上二维切向有功声强与复声压相位间的关系来间接获取复声压的相位，结合测得的均方声压，得到全息复声压；根据全息面上微粒法向振速的叠加原理和波数域的Euler公式，推导出基于单全息面三维声强测量的声场分离公式，将全息面两侧声源各自在全息面上产生的声压分离开来。在全息面两侧均有声源的情况下，实现噪声源的识别与定位，克服了近场声全息(NAH)和基于声强测量的宽带声全息(BAHIM)的应用局限性。数值仿真的结果证明了该技术的可行性和有效性。     

非规则结构表面多声源近场声全息方法

为了提高非规则结构表面多声源声场的全息精度,提出基于目标深度识别与球面波叠加逼近的非规则表面多声源近场声全息方法。该方法使用声源空间深度识别理论,确定结构体上各声源的空间位置,在各声源处分别使用球面波的叠加描述空间声场分布,然后结合现有单原点球面波叠加近场声全息法重构声场。为了验证方法的可行性,首先使用所述方法和现有单原点球面波叠加声全息法,分别对径向脉动球与横向振动球组成的不同声场进行全息重构。结果表明,当声源集聚分布时,所述方法与现有方法均能有效全息重构声压分布,重构误差在5%以下;当声源离散分布时,现有方法失效,所述方法能够较准确地给出重构面的声压分布,主要频段内的全息重构误差小于20%。进一步的对比实验表明,在全息重构多扬声器非规则空间分布声场时,使用所述全息方法的重构误差平均下降14.08%,显著提升了多声源非规则空间分布声场的全息精度。     

分布源边界点法在声场全息重建和预测中的应用

提出了以分布源边界点法作为声场的全息变换算法,建立了基于分布源边界点法的声全息重建和预测的数学模型。与基于边界元法的声全息重建和预测模型相比,此法避开了变量插值、数值计算和奇异积分的处理,具有计算速度快、计算精度高、计算稳定性好和简单易懂等优点,因此在工程实践中有着广泛的应用前景。     

机械噪声源识别的混合波叠加法

提出了一种稳健声场的全息变换算法——混合波叠加法，它结合了波叠加法和Helmholtz方程最小二乘（HELS）方法的优点，用相对少量的测点数据就可重建任意形状源表面的声场。在半消声室里，运用29个传声器组成的“＋”字形平面传声器阵列，对一运转的电机进行噪声源识别，得到声源的空间声压场分布及声源位置，显示出混合波叠加法在工程实践中广泛的应用前景。     

提高近场声全息重建精度方法

在近场声金息中利用扫描法进行全息面测量时,全息面上的测点信号与参考信号会不可避免地受到一些噪声的影响,降低重建精度,影响重建的实现.在噪声与声源信号以及噪声相互之间非相关的假设下,首先引入两种传递函数估计方法求解全息面复声压,然后再进行近场声全息重建.仿真和实验结果表明,该方法可以有效抑制非相关噪声对全息面复声压计算的影响.近场声全息重建结果表明,该方法减少了测量噪声带来的误差,提高了扫描法近场声全息的重建精度.     

APPLICATION OF DOMAIN DECOMPOSITION IN ACOUSTIC AND STRUCTURAL ACOUSTIC ANALYSIS

Conventional element based methods for modeling acoustic problems are limited to low-frequency applications due to the huge computational efforts. For high-frequency applications, probabilistic techniques, such as statistical energy analysis (SEA), are used. For mid-frequency range, currently no adequate and mature simulation methods exist. Recently, wave based method has been developed which is based on the indirect TREFFTZ approach and has shown to be able to tackle problems in the mid-frequency range. In contrast with the element based methods, no discretization is required. A sufficient, but not necessary, condition for convergence of this method is that the acoustic problem domain is convex. Non-convex domains have to be partitioned into a number of (convex) subdomains. At the interfaces between subdomains, specific coupling conditions have to be imposed. The considered two-dimensional coupled vibro-acoustic problem illustrates the beneficial convergence rate of the proposed wave based prediction technique with high accuracy. The results show the new technique can be applied up to much higher frequencies.     

基于波叠加的结构—声学灵敏度分析的伴随变量方法

声学灵敏度可以用于描述空间声学量随设计变量的变化情况,并为低噪声设计提供优化方向和量化依据,对其进行研究具有重要意义.在多设计变量的情况下,与直接求导法相比,伴随变量法是一种效率更高的灵敏度计算方法.基于有限元法和波叠加法,提出一种新的用于结构一声学灵敏度计算的伴随变量方法.该方法用波叠加法取代了现有伴随分析方法中的边界元法,消除了奇异积分的影响.应用该方法对脉动球声源和箱体振动模型进行声学灵敏度分析,并将计算结果分别与理论值和有限差分结果进行比较,得到了较好的精度.通过与边界元法在计算时间上的比较,表明了该方法在计算效率上的优势.     

混合波叠加法识别噪声源的理论与试验研究

针对基于边界元法的声全息中的奇异值积分和解的非惟一性难题及其基于Helmholtz方程最小二乘法（HELS）特殊函数选择计算问题，提出以一种稳健的声场的全息变换算法——混合波叠加法，此法用相对少量的测点数据就可重建任意形状源表面的声场。在对典型声源进行数值仿真并验证该技术重建空间声压场精度高、精确地识别和定位噪声源后，在半消声室里，运用29个传声器组成的“＋”字型平面传声器阵列，得到音箱声源的空间声压场分布及声源位置，显示出混合波叠加法在工程实践中广泛的应用前景。     

Detecting transverse material boundaries in multilayer anthropogenic structures

The Kirchhoff approximation has been used to analytically determine the field that is generated by the reflection of an acoustic wave from an interface with a sharp acoustic impedance gradient. Visual formulas have been derived to describe the incoming signal when the boundary is exposed to a pulsed point source. On the basis of numerical modeling and an experimental study of multilayer systems, the suggested approach is applicable for detecting flaws in planar and cylindrical structures under pulse excitation. An algorithm is given for improving the accuracy of locating the rupture boundary. It is based on revealing correlations in wave field parameters at various points in the system.     

封闭空腔内声场分析的等效声传递向量法

提出了一种用于封闭空腔内声场的计算方法--等效声传递向量法。采用位于腔体表面附近的若干虚构声源的叠加声场来等效由结构振动形成的封闭空腔声场,通过匹配振动结构表面上的法向振速获得虚构声源的源强,建立起结构表面的法向振速与腔体内场点声压的联系,并推导了结构面板声学贡献度的计算公式。计算过程避免了边界元法中复杂的数值计算和奇异积分的处理,提高了计算效率。仿真结果证明了该方法的正确性和有效性。     

半自由场波叠加噪声源识别方法研究

提出了一种适合半自由场条件下进行噪声源识别的方法，通过仿真和实验验证了半自由场波叠加噪声源识别方法的正确性。根据波叠加方法的原理，声源产生的空间声场可以用其内部的一系列虚源点来等效代替，而虚源源强可以通过匹配场点的声压来获得，进而由这些虚源重建任意场点的各种声学量。通过阵列获取声压场，结果表示成声压等值线图、三维视图或声强矢量图，便于直观地判别出声源的位置、大小和传播路径。半自由场渡叠加噪声源识剐方法可以在半自由场条件下对任意形状物体进行噪声源识别。     

Reconstruction of images of reflectors using the correlation method at an arbitrary number of reflections of an ultrasonic pulse from the boundary of a test object that consists of regions with different acoustic properties

An algorithm for reconstructing images of reflectors from echo signals that propagate in a test object, which consists of several regions with different acoustic properties, is considered. The ray trajectories are calculated using the method of direct construction of the family of rays that escape from the point where a transmitter is located but not the Fermat variational principle. After the family of rays is constructed, their belonging to a certain acoustic scheme can be analyzed and the approximation of the calculated delays on the spatial mesh of the image reconstruction region (IRR) can be performed. This will allow the reconstruction of both the pulse travel time from the transmitter to any point in the IRR and back to the receiver and the attenuation of the pulse amplitude caused by the divergence, reflection, and refraction effects at the boundaries of the regions that constitute the test object. Numerical and model experiments show the working capacity of the proposed algorithm for reconstructing reflector images.     

基于收发分体声波换能器的二维温度场重建

基于声学测温原理,运用发射端和接收端之间的声波信号飞行时间进行温度场重建,是工业应用领域中燃烧或加热处理过程温度测量的研究热点。本文采用收发分体声波换能器,确定其合理安装方式,运用Markov径向基拟合待测区域的声速分布,通过声速矩阵的奇异值分解,反演计算出温度场。仿真实验中设计了复杂程度不同的4种模型温度场,并考虑声波飞行时间在不同水平下的测量误差对重建结果的影响;实际测试中验证了本文方法在室温无加热、单峰对称、单峰偏斜的温度分布下的重建效果。实验结果表明,本文提出的收发分体声波换能器安装方式结合基于Markov径向基拟合的重建算法,在温度场重建中具有较高的精度和较强的抗干扰性。     

三维物体空间再现技术中的全息图计算

全息空间再现技术可以记录三维(3D)物体并在空间重构出三维像,是真实地再现三维场景的一种新的可行方法。三维物体全息图的计算是全息空间再现技术中的关键技术之一。本文在简要论述三维物体计算全息技术的理论基础上,对具有代表性的三维物体全息计算方法的原理和技术要点进行了重点论述。采用了层析法、菲涅耳波带法、多视角投影合成全息法等三种方法进行了三维物体全息图的计算,并利用LCR-2500空间光调制器及650 nm的150 mW半导体激光器对层析法计算的三维物体全息图进行了光电再现,对其它两种方法获得的三维物体全息图进行了数值再现,并三种计算方法各自的特点和局限性进行了具体的分析。在对目前三维物体计算全息技术中存在的硬件和算法等关键问题进行分析的基础上,讨论了提高三维物体计算全息图的效率和质量的有效途径。     

基于传递函数估计的近场声全息的噪声源识别

在近场声全息(NAH)声场测量中,噪声的存在使近场声全息重建精度降低,影响声场重建的实现。本文提出一种基于传递函数估计的双测量面NAH技术,首先采用双测量面对噪声源信号进行测量,然后基于传递函数法引入一种合理的传递函数估计,结合参考传声器信号来求解全息面复声压,最后利用前后测量面数据相位差异来求解格林函数,根据声场重建公式进行近场声全息声场重建。数值仿真及重建误差分析表明,存在测量噪声影响的情况下,本文提出的方法相比传递函数法NAH重建误差更小,能够更准确地识别声源位置并提高声全息重建精度。最后对某型拖拉机前端进行近场阵列扫描试验,验证基于传递函数估计的双测量面NAH的有效性。     

Rapid surface reconstruction from a point cloud using the least-squares projection

A new approach for the rapid and robust surface reconstruction from a point cloud is presented based on the distance field and the least-squares projection (LSP) algorithm. This novel approach works directly on the point cloud without any explicit or implicit surface reconstruction procedure. First, a coarse base polygonal model was created directly from the distance field for the given point cloud through the iso-surface extraction. After acquiring a rough base polygonal model, we obtain a quality polygonal model through the iterative refinement and least-squares projection which projects current working polygonal model onto the point cloud in a least-squares sense. The main contribution of this work is the robust and fast surface reconstruction from randomly scattered 3D points only without any further information. We demonstrate the validity and efficiency of this new approach through a number of application examples.