应用近场声全息方法对噪声源的实验研究

    0 前言

    上世纪80年代初提出的近场声全息技术(NAH),是可视化空间声场和定位噪声源的一种强有力工具。近场声全息方法在过去的二十年里得到了很快的发展,从一个简单的概念,成为可以用来诊断噪音源和传输路径的成熟的工具。原始的近场声全息技术依靠傅立叶变换并允许在一系列恒定坐标下的物体表面重建声场。近场声全息可以由一个测量面的声压标量数据,反演和预测另一面上的声压、质点振速、矢量声强等重要声场参量[1]。

    与传统的声全息技术相比,NAH在其实验方案和原理方法上都已经发生了根本性的变化,它已不再是仅仅依赖于声的波动性质的简单成像技术,而是完全建立在声辐射理论(即声波的产生和传播理论)基础上的一种重要的声源定位和声场可视化技术[2],它已经可以为实际的噪声振动分析提供丰富的声源声场信息,对于有效地进行噪声源控制和噪声源的声辐射特性研究具有重要的意义[3]。由于NAH的优越性,许多学者纷纷对此展开研究。在原有NAH理论基础上,一些改进方法相继被提出,在实际中的应用也渐趋广泛。特别是对振动体进行低频振动模式及辐射声场的测量分析、研究物体的结构振动与其辐射声场之间的关系(尤其是理论上难以计算的不规则形状物体)等方面取得了相当的成果。根据NAH所获得的重建图像的高分辨率特性,在噪声源定位、设备诊断技术、复杂体结构强度和焊接、复合材料粘接质量的监测等方面获得重要的应用。

    1 NAH的理论发展

    1.1基于二维空间Fourier变换的NAH

    这是由W illians和Maynard[4, 5]在1980年提出的方法。在这个方法中,声压是由一种平面的波叠加而成,声场通过傅立叶转换完成波数域的重建。波数显示了在空间里面每米一个声波循环的数量,频率表明在每一秒时间内声波的波长。把声量转换成频率是为了让频率域披露出每个频率对频率分量的贡献,把他们转换成波数域是为了传播声量分量,并且把远场声音原理靠近源表面的瞬时分量。

    以NAH为基础的傅立叶声场变换适用于包涵恒定坐标的源几何形状,比如一个无限的平面。因此,声量被投影在平行于测量前或后的表面。理论的全息图片在测量表面是趋于无限的。平面NAH技术仅仅对自由空间有效。实际上我们并不能拥有一个无限的全息平面,所以一个必须做出一点修正。通常全息平面越大我们获得的数据重建就越精确,但是过程将会变得非常复杂。一个简单的原则就是全息平面至少要比被测源表面大四倍。如果一组错误数据。另外一个限制就是根据傅立叶变换要求测量麦克风的距离必须相等。既然平面NAH技术要求声压的空间样本,全息平面的边缘必须比低频极限的半波长宽,与此同时麦克风的距离也必须比最高极限频率的一个波长宽,支座距离必须比麦克风的分布距离近。这就意味着我们不能尽可能的靠近源表面的声压,将会降低高频分量的重建精度。在任何情况下,一旦传声器的尺寸间距被选择之后,支座距离频率范围通过声音的重塑将被自动固定了。显然在测量位置的选择上缺乏灵活性,重建表面的范围在平面NAH技术上也缺乏优越性。