基于波疊加方法的聲全息技術(shù)與聲學(xué)靈敏度分析

內(nèi)容概要

本文圍繞產(chǎn)品噪聲測量與控制這一日益受到關(guān)注的課題，開展了關(guān)于近場聲全息技術(shù)（NAH）和聲學(xué)靈敏度分析方面的研究。近場聲全息技術(shù)，誕生于20世紀(jì)80年代初，通過在輻射體的近場測量聲壓數(shù)據(jù)可以重建和預(yù)測出整個三維空間聲場的聲學(xué)量，如聲壓、質(zhì)點振速、聲強(qiáng)以及遠(yuǎn)場指向性等。因其具有此優(yōu)點，近場聲全息技術(shù)迅速地成為一種聲源識別和聲場可視化的強(qiáng)有力工具。在過去的20多年中，該技術(shù)也取得了很大的發(fā)展，形成的全息變換算法主要有：空間聲場變換（STSF）、邊界元方法（BEM）和Helmholtz方程最小二乘法（HELS）。本文在實現(xiàn)和改進(jìn)基于STSF方法的NAH基礎(chǔ)上，提出了空間聲場分離技術(shù)，為克服BEM和HELS方法的缺點，提出可應(yīng)用于內(nèi)、外聲輻射問題分析的基于波疊加方法（WSA）的NAH。而在聲學(xué)靈敏度分析方面，本文通過對波疊加公式進(jìn)行關(guān)于設(shè)計變量的求導(dǎo)，提出基于波疊加方法的三維聲學(xué)靈敏度分析。每章內(nèi)容簡要概括如下：    第1章回顧近場聲全息技術(shù)和聲學(xué)靈敏度分析的發(fā)展歷史，分析了二者的研究現(xiàn)狀和存在的問題，在此基礎(chǔ)上提出了這些問題的解決途徑，確定了本文的主要研究內(nèi)容。    第2章實現(xiàn)基于STSF的近場聲全息技術(shù)，解決該技術(shù)中的若干關(guān)鍵問題。采用特殊函數(shù)和分離變量法推導(dǎo)出平面、柱面和球面NAH的理論公式，并討論它們的數(shù)值實現(xiàn)算法，以及全息重建過程中的誤差傳遞。最后，進(jìn)行掃描全息測量的實驗驗證工作，提出一種不需要先驗或后驗知識的截止波數(shù)選取方法。    第3章提出空間聲場分離技術(shù)，拓寬基于STSF的近場聲全息技術(shù)的使用范圍。從近場聲全息原理出發(fā)，利用聲波沿不同方向傳播的特點，針對平面、柱面和球面全息測量建立了波數(shù)域內(nèi)的聲場分離公式。利用聲場分離技術(shù)分離后的全息聲壓，可以不受背景干擾地重建目標(biāo)源面上和聲場中的聲學(xué)參量。    第4章給出聲輻射問題的聲學(xué)基礎(chǔ)和定解問題描述，推導(dǎo)出邊界Helmholtz積分方程，隨后給出了邊界Helmholtz積分方程的離散化形式——邊界元方法，以及在離散化實施過程中存在的問題和相應(yīng)的處理方法。在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出波疊加方法的基本公式，論證了波疊加方法和邊界元方法之間的等價性關(guān)系，最后給出波疊加方法的實施過程和精度分析。    第5章提出基于波疊加方法的近場聲全息技術(shù)。依據(jù)波疊加積分公式，通過離散化連續(xù)虛源方法來改進(jìn)簡單源替代方法，并引入混合層勢理論，建立了一種穩(wěn)健的全波數(shù)空間聲場重構(gòu)技術(shù)。研究聲全息重建過程中的不適定性問題，以及相應(yīng)的正則化策略。通過典型算例和實驗驗證了理論分析的正確性，并研究了聲源頻率及虛源位置等對重構(gòu)精度的影響。    第6章推導(dǎo)出腔體內(nèi)聲場計算的波疊加積分公式，并建立基于wsA的腔體內(nèi)聲全息理論和采用等參插值離散虛源表面的全息實現(xiàn)方法。通過幾個典型算例對腔體內(nèi)全息技術(shù)進(jìn)行仿真驗證，結(jié)果表明：在采用不同的正則化方法之后，即使采用含有測量誤差的數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)和預(yù)測，其計算結(jié)果與理論值都能吻合得相當(dāng)好，其中采用Tikhonov方法比TSVD方法濾波效果稍好。    第7章建立基于波疊加方法的三維聲學(xué)靈敏度分析理論和實現(xiàn)算法。根據(jù)波疊加方法建立空間點的聲學(xué)量與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)表面上聲學(xué)、位置參量之間的關(guān)系；然后，通過對設(shè)計參數(shù)的求導(dǎo)可以得到解析的三維聲學(xué)靈敏度計算公式；最后，通過對該公式的離散化處理可以得到聲學(xué)靈敏度計算方程。通過仿真算例，驗證了基于波疊加方法進(jìn)行聲學(xué)靈敏度計算的可行性和有效性。    第8章對全文的研究工作進(jìn)行總結(jié)，并指出了有待進(jìn)一步研究的課題。

作者簡介

于飛，合肥工業(yè)大學(xué)博士?，F(xiàn)為博世技術(shù)中心（蘇州）有限公司高級匹配工程師。主要負(fù)責(zé)制定制動系統(tǒng)的測試方案，進(jìn)行振動／噪聲的臺架和模擬試驗，以及摩擦材料的開發(fā)等工作。同時，與博世技術(shù)中心（全球）有限公司的NVH研究人員合作，從事新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，以提高制動系統(tǒng)的振動／噪聲性能。攻讀博士學(xué)位期間，參加了包括國家自然科學(xué)基金項目在內(nèi)的5項國家重大課題的研究，發(fā)表了中英文論文20余篇，多次參加相關(guān)國際會議和全國博士論壇，并參加了多個企業(yè)項目的攻堅工作，解決了多項技術(shù)難題。

書籍目錄

總序致謝摘要第1章  緒論  1.1  聲全息技術(shù)的研究進(jìn)展    1.1.1  傳統(tǒng)聲全息技術(shù)    1.1.2  近場聲全息技術(shù)  1.2  NAH的研究進(jìn)展與分析    1.2.1  基于空間聲場變換（STSF）的NAH    1.2.2  基于邊界元方法（BEM）的NAH    1.2.3  基于Helmholtz方程最小二乘法（HELS）的NAH    1.2.4  全息測量方法和測量系統(tǒng)    1.2.5  NAH研究中仍存在的問題  1.3  聲學(xué)靈敏度分析  1.4  本文主要研究內(nèi)容第2章  基于STSF的近場聲全息技術(shù)研究  2.1  平面NAH變換研究    2.1.1  平面NAH的理論背景    2.1.2  G算子和波數(shù)域濾波    2.1.3  參數(shù)選取和仿真模擬分析  2.2  柱面NAH的研究    2.2.1  柱面NAH的理論背景    2.2.2  柱面NAH的數(shù)值實現(xiàn)    2.2.3  仿真模擬分析    2.2.4  誤差分析與濾波處理  2.3  球面NAH的研究    2.3.1  球面NAH的理論背景    2.3.2  實現(xiàn)算法與誤差分析    2.3.3  仿真算例與分析  2.4  NAH的實驗研究    2.4.1  理論背景    2.4.2  實驗測量    2.4.3  分析處理  2.5  本章小結(jié)第3章  空間聲場分離技術(shù)及其應(yīng)用  3.1  平面聲場分離技術(shù)    3.1.1  雙平面聲場分離技術(shù)    3.1.2  數(shù)值仿真分析    3.1.3  單平面聲場分離技術(shù)    3.1.4  數(shù)值仿真分析  3.2  柱面聲場分離技術(shù)    3.2.1  雙柱面聲場分離技術(shù)    3.2.2  單柱面聲場分離技術(shù)    3.2.3  數(shù)值仿真分析  3.3  球面聲場分離技術(shù)    3.3.1  雙球面聲場分離技術(shù)    3.3.2  單球面聲場分離技術(shù)  3.4  聲場分離技術(shù)的實驗研究    3.4.1  實驗數(shù)據(jù)測量    3.4.2  實驗數(shù)據(jù)處理  3.5  本章小結(jié)第4章  振動體聲輻射計算的波疊加方法  4.1  振動聲輻射問題的聲學(xué)基礎(chǔ)  4.2  振動聲輻射問題的求解    4.2.1  邊界積分公式    4.2.2  邊界Helmholtz積分方程  4.3  振動聲輻射計算的邊界元方法  4.4  振動聲輻射計算的波疊加方法    4.4.1  波疊加積分方程    4.4.2  數(shù)值實現(xiàn)    4.4.3  數(shù)值計算誤差分析  4.5  本章小結(jié)第5章  基于波疊加方法的聲全息技術(shù)  5.1  簡單源替代的波疊加方法    5.1.1  簡單源替代波疊加方法實現(xiàn)的聲全息理論    5.1.2  數(shù)值仿真算例  5.2  全息重建問題的不適定性與正則化技術(shù)    5.2.1  全息重建問題的不適定性    5.2.2  全息過程中的正則化技術(shù)    5.2.3  實驗驗證  5.3  解的非唯一性處理與參數(shù)選取原則    5.3.1  解的非唯一性問題    5.3.2  數(shù)值實現(xiàn)    5.3.3  數(shù)值算例與分析  5.4  長寬高比例較大聲源的實驗驗證  5.5  本章小結(jié)第6章  腔體內(nèi)三維聲場的全息重建與預(yù)測  6.1  腔體內(nèi)聲場的波疊加積分表示    6.1.1  腔體內(nèi)聲場的Helmhohz積分方程    6.1.2  腔體內(nèi)聲場的波疊加積分方程  6.2  基于波疊加方法的腔體內(nèi)聲全息技術(shù)  6.3  仿真算例分析    6.3.1  仿真算例分析    6.3.2  重建精度的若干影響因素  6.4  本章小結(jié)第7章  基于波疊加方法的聲學(xué)靈敏度分析  7.1  基于邊界元方法的聲學(xué)靈敏度分析    7.1.1  聲學(xué)靈敏度計算的理論公式    7.1.2  聲學(xué)靈敏度計算的實現(xiàn)算法  7.2  基于波疊加方法的聲學(xué)靈敏度分析    7.2.1  理論基礎(chǔ)與算法實現(xiàn)    7.2.2  數(shù)值仿真分析  7.3  本章小結(jié)第8章  全文總結(jié)與展望參考文獻(xiàn)攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文

章節(jié)摘錄

　　第1章　緒論　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和人們生活水平的日益提高，噪聲已成為環(huán)境和產(chǎn)品評價的一項重要指標(biāo)，如何降低噪聲水平也就成為一個備受關(guān)注的課題，在軍事、交通運(yùn)輸、航空航天、工程機(jī)械、家用電器等領(lǐng)域一直有著廣泛的需求。噪聲污染、大氣污染、固體廢棄物污染以及水污染是當(dāng)代社會最主要的四種污染。噪聲污染同其他三種污染不同，它不存在時間上的積累效應(yīng)，聲源停止發(fā)聲時伴隨的噪聲也就馬上消失，但其影響面非常廣，幾乎影響到城市全體居民，是受到人們抱怨和控告最多的污染類型。噪聲控制，一般從聲源控制、傳播途徑控制和受者保護(hù)三方面著力進(jìn)行，具體采用哪一種或幾種，則應(yīng)從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)滿足要求上來考慮。一般來講，聲源控制是噪聲控制中最根本和最有效的手段，而主要聲源的定位與識別是噪聲控制工程的關(guān)鍵問題?！　穆曉捶矫嫒耸挚刂圃肼?，第一個同時也是最為關(guān)鍵的一個問題就是要正確地識別和定位聲源，獲得聲源的聲輻射特性。在20世紀(jì)80年代初，美國賓夕法尼亞大學(xué)學(xué)者提出了近場聲全息技術(shù)（Near—field AcousticHolography，NAH），該技術(shù)將聲學(xué)理論同噪聲測量與控制工程充分結(jié)合起來，并迅速地成為一種可視化空間聲場和識別聲源的強(qiáng)有力工具。經(jīng)過20多年來的發(fā)展，NAH從最初的平面、柱面等簡單形狀聲源的分析，發(fā)展到任意形狀聲源的分析。其復(fù)聲壓獲取方法也發(fā)生了很大的變化，從多通道傳聲器的同時快照測量，發(fā)展到參考信號互譜測量以及基于聲強(qiáng)測量的復(fù)聲壓重構(gòu)技術(shù)。近場聲全息技術(shù)具有如下的優(yōu)良特性：通過記錄有限場點的全息聲壓，可以重建和預(yù)測出整個三維空間場內(nèi)的聲學(xué)信息。本文在已有研究成果基礎(chǔ)上，對近場聲全息技術(shù)中的選取濾波參數(shù)、抑制背景噪聲干擾以及提出新型全息算法等方面，開展更為深入的研究。

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