近场声全息测量阵架的设计与分析

    0 引 言

    近场声全息(Near-field Acoustical Holography,NAH)理论[1,2]自 20 世纪 80 年代初由美国宾夕法尼亚州大学学者 Williams. E. G 和 Maynard. J. D 提出后，已广泛应用于声源或振动体辐射声场的测量与分析、噪声源识别与定位以及声场可视化等方面[3]。全息场重建技术对全息面上声压幅值和相位测量的精度要求高，全息测量应能得到声场中复数声压(振幅和相位)的真实数据，即给出全息面上正确的声压分布，保证全息面测点复声压测量的可靠性[4]。因此，在全息测量装置的设计和加工中，需要考虑以下两个关键问题：

    (1) 各测量场点(阵元)定位的精确性[5]；

    (2) 测量装置本身对声场的影响要尽量小。

    本文介绍了自行设计的 NAH 测量线阵扫描系统(见图 1)，并利用边界元软件仿真计算了传声器线阵架(见图 2)声散射所带来的复声压偏差，提出了敷设吸声材料降低散射影响的措施，为 NAH 测量线阵扫描装置的设计和加工提供了可靠的依据。

    1 NAH 测量线阵扫描系统

    工程中常常采用传声器线阵在声源的近场进行扫描，以获得全息面上的复声压数据。线阵架刚度应足够大、强度足够高以保证其结构稳定不易变形，使扫描过程中传声器的位置不出现偏差，从而保证测点的精确定位。本研究使用的线阵架如图 2所示。该架全长 2510mm，主体采用 40mm×80mm轻型铝合金型材，能很好满足刚度、强度要求，将阵架竖直安装于架体前端滑台上，40mm 宽面与图1 中架体滑台滑动配合，线阵架可以由安装在架体一侧的步进电机带动沿滑台左右移动进行扫描，并且移动时误差不超过±2mm，保证了扫描时所测量场点位置的精确性。

    图 1 所示系统适用于空气中大型声源设备的声场测量。传声器夹具纵向安装于图 2 所示的线阵架上，可以上下滑动调节间距，整个线阵架配有刻度带，方便传声器调整时作为参照，阵架前端与全息面(即传声器所扫描平面)的距离为 80 mm。

    由于线阵架尺寸较大，离待测辐射声结构近，线阵架结构表面的散射场叠加到待测的自由场之上，使测得的全息面声压幅值和相位偏离待测的自由场声压值，而全息面上测量数据的误差导致重建声场量的误差可能会很大，从而影响全息重建的精度。

    2 线阵架声散射的计算

    2.1 边界元法计算声散射的基本理论

    图 3 所示为典型的声散射问题，依瑞利散射理论，假设在自由空间 C 中有一列平面声波 pi射到物体 B 上产生散射波 ps，则空间中任意一点声压 p 应为入射声压和散射声压之和为