双面Patch近场声全息实验研究

　　0 引  言

　　近场声全息(NAH)技术[1,2]是一种具有强大的声源识别定位、声场预测和可视化功能的声学分析工具。该技术要求测量空间为自由声场[3],在非自由场的情况下,特别是在存在反射、散射的封闭空间内应用受到限制;同时该技术一般均要求测量面大于或覆盖整个声源面,进而导致测量面较大,测量点数较多,测量工作量和时间都大大增加,特别是对汽车、潜艇壳体这样的大结构进行分析时比较明显。存在反射、散射问题时,一般采用双面声场分离技术排除背景干扰[4-8],以获得目标源的信息。而对于大结构,往往有时只关心其中一个或几个重点局部区域的信息,对其它区域不感兴趣,在这种情况下可以使用PatchNAH技术[9-15]。只对关心的局部进行测量,再通过波数域外推方法扩大虚拟全息孔径,进而准确地重建局部源面。对于大结构声源内部或其外部存在干扰源的情况,既无法满足自由声场,也无法满足对全息孔径的要求,则需综合考虑两者影响。

　　因此,本文将双面声场分离技术和PatchNAH技术结合起来,提出一种双面Patch NAH技术。首先采用基于空间Fourier变换的双面声场分离技术将目标声源辐射声分离出来,再采用基于波数域外推的Patch NAH技术进行重建,既排除了背景源的干扰,又减少了测量工作量和时间,进而解决有背景源干扰下噪声源识别所存在的问题。本文首先给出该方法的理论描述,再通过对实际声源的实验研究检验该技术的必要性及有效性。

　　1 双面Patch NAH理论

　　1．1 双面声场分离技术

　　双面Patch NAH的第1步需要对测量面上来自两侧的辐射声进行分离。图1所示为2个全息面与2个声源面之间的空间位置关系,其中全息面1与坐标平面(x, y)重合,其余3个面均与该面平行,Zh1、Dh和Zh2分别表示各平面之间的距离[5]。

　　全息面1上任意点(x1, y1)的复声压记为p1(x1, y1);声源1在该点产生的声压记为p11(x1, y1);声源2在该点产生的声压记为p21(x1, y1)。由于声压为标量,则有:

p1(x1,y1) = p11(x1,y1)+p21(x1,y1) (1)

  　同理,全息面2上任意点(x2, y2)上的复声压p2(x2, y2)可以表示为:

p2(x2,y2) = p22(x2,y2)+p12(x2,y2) (2)

　　其中,p12(x2, y2)、p22(x2, y2)为声源1、2在该点产生的复声压。对(1)式和(2)式两边取二维空间Fourier变换后得到:

P1(kx,ky) = P11(kx,ky)+P21(kx,ky) (3)

P2(kx,ky) = P12(kx,ky)+P22(kx,ky) (4)

 　 根据波场外推关系可以得到:

P12(kx,ky) = P11(kx,ky)eikzDh(5)

P21(kx,ky) = P22(kx,ky)eikzDh(6)

　  联立(3)~(6)式,可解出声源1单独作用在全息面1上的波数域声压P11为:

P11(kx,ky) = [P1(kx,ky)-P2(kx,ky)eikzDh]/(1-eikz2Dh) (7)