一维声传播方程约束条件下双平面近场声全息测量方法研究

Near-field acoustic holography (NAH) is one of the primary methods to identify the surface source strength for the underwater vehicles, and the double-plane is often adopted as the holograms in practical experiments. In this project, the method that one degree sound propagation equation is combined with the original NAH equations as constrained condition is presented to deal with the problem of the sound field truncation error due to the limited dimension of the double-plane holograms and that of the strong surface singular integral. This method can not only increase the numerical calculation precision of the surface singular integral, and guarantee the successful sound field reconstruction on the source surface, but also greatly decrease the sound field truncation error with little expense. The numerical experiments are presented to research this method's validation 、the key parameters' effect to the sound field reconstruction error and its ability for the surface source strength identification. The double-plane NAH experiments will be done in an anechoic pool and in the lake for a cylindrical shell excited by one and multi point forces to experimentally value this NAH method presented in this project and the its application limitation will also be analyzed according to the experiment results. This project's results hopefully can present a new technique for the surface source strength identification about the underwater vehicles and an extensive application in the future.

水下近场声全息测试技术是水下航行器表面源强度识别的主要方法，实际试验测量中主要采用双平面作为全息测量面。本项目针对双平面近场声全息原理中存在的有限测量面带来的声场截断误差和声源表面强奇异积分处理问题，提出了利用一维声传播方程作为约束条件的处理办法。这样既可以提高强奇异积分处理精度，保证声源表面声场重建的可靠性；同时，由于只增加了有限个一维声传播测点，可以使声场截断误差明显提高，而所付出的代价却很小。本项目首先将对该方法有效性、关键参数对声场反演误差影响以及结构表面声源强度识别能力进行理论数值仿真研究。同时，在消声水池及湖上开阔水域，对一单点和多点力激励下的圆柱壳结构声源进行边界元双平面近场声全息测量试验，进一步验证本项目提出方法的有效性，并根据试验结果分析方法的适用条件，为提高水下航行器结构表面声源识别能力提供一新的技术手段，有较好的应用前景。

噪声源的识别与定位一直是水声领域的热点问题。近场声全息技术是噪声源定位和识别的一种重要途径，依据噪声源表面附近测得的声场信息即可计算得到噪声源表面的声学信息量大小和分布，以及实现声场空间中任意点的声压、振速、远场指向性的预报。因此，近场声全息技术广泛应用于噪声源目标的探测和结构强度的分析等相关领域，而如何进一步提升声全息的重建精度已然成为当前声学领域一大研究热点。.本项目主要针对边界元法声全息变换公式中的表面奇异积分问题，提出了施加一维声传播方程约束条件的处理方法，建立了一维声传播方程约束条件下的弱奇异积分方程。采用这种方法只需要在计算积分方程时，添加源面上参考点的约束条件，并不需要更改积分方程的形式，也不需要添加声场测点，即可实现强奇异积分的转化。采用等参变换法，对施加了一维声传播方程约束条件后的弱奇异积分进行了处理。考虑实际工程应用，分别建立了添加一维声传播测点和横向截面声场测点的双平面声全息理论模型，结合边界元法声全息，开展了不同的测点选取方式对重建精度的误差影响分析，研究了全息面位置、大小、形状和采样点间距等重建参数的变化对重建精度的影响。采用这种新的全息测试模型可以大幅度的降低由于双平面测量声场截断引起的源面声压及振速的变换误差。.考虑半空间中界面对源面的影响，改进了半空间环境下的全息变换方法。针对不同入水深度情况下的球壳模型源面声压及振速，进行了声全息重构数值仿真分析。结果表明，在模型与界面之间的距离较近时，必须考虑界面对源面的影响，采用文中改进后的半空间全息变换方法，源面声压及振速的重构精度有所提高。.选取单层圆柱壳体为试验模型，分别在自由场和半空间声场环境下，采用添加测点的双平面近场声全息测试理论模型，开展双平面近场声全息测试实验。实验结果验证了文中所提出的一维声传播测点和横向截面测点结合双平面近场声全息测量方法及奇异积分处理方法对提高全息重构精度的有效性。