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低信噪比条件下的平面等效源近场声全息方法陈汉涛;郭文勇;陈林松;张宏宇【摘要】为提高低信噪比条件下的近场声全息成像效果,提出一种低信噪比条件下的平面等效源近场声全息方法,其将近场声全息对声场还原度高的优点和声源定位方法抗干扰能力强的优点相结合.该方法首先结合压缩感知技术的正交匹配追踪算法,在未知声源数目情况下求出虚拟声源在平面分布,再利用传导矩阵求出近场平面声压分布.通过仿真分析金属弹性材料壳体振动的近场声辐射,将该方法与Fourier 变换方法、常规边界元方法以及传统等效源方法的近场声全息效果相比较.仿真实验表明,该方法性能可靠且具有较强的抗噪能力,可作为低信噪比条件下平面近场声全息方法的一种有效补充.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2018(018)027【总页数】9页(P116-124)【关键词】近场声全息;压缩感知;等效源法;低信噪比【作者】陈汉涛;郭文勇;陈林松;张宏宇【作者单位】海军工程大学动力工程学院,武汉430033;海军工程大学动力工程学院,武汉430033;海军工程大学动力工程学院,武汉430033;海军工程大学动力工程学院,武汉430033【正文语种】中文【中图分类】TB525;TB529现有的噪声监测往往是借助声级计、频率分析仪等测量仪器，所获结果只含声信息的某一个方面，大量的噪声信息不能被有效获知。
通过声成像技术可获知一定空间内的声场分布情况,并准确直观地定位出噪声源，还可对相应设备、系统运行情况进行监测。
现有声成像技术主要通过近场声全息(near-field acoustical holography，NAH)[1]实现。
Koopmann等[2]于1989年提出用多个等效声源以波叠加方式来代替振动物体产生的声场。
Jeon和Ih[3]于2005年进一步提出等效源方法(equivalent source method，ESM)来重构振动声场，并与逆边界元方法进行了比较，达到同等声辐射效果时等效源方法所需的测点数量更少，在工程上更易实现。
哈尔滨工程大学硕士学位论文摘要近场声全息技术是声场预报和声源识别的一种重要途径，通过提取声源近场附近的声场所包含的信息即可计算出声源表面声压和质点振速等声学量，进而重建出整个三维声场。
传统近场声全息技术要求所有声源均处于全息面的一边，而另一边为自由场。
实际上，声源所处的环境往往并非自由场，通常会有边界的限制，这就导致了全息测量面获得声场数据不仅仅是声源的直接辐射的声波，还包括了由于界面多次反射所产生的声波。
由此，在非自由场中，采用传统近场声全息技术通常无法实现声源的准确识别。
因此，本文提出了有限空间中基于等效源法的近场声全息技术。
本文首先针对现有的自由场中基于等效源法的近场声全息技术进行了理论研究，以点源组合和结构声源为研究对象，数值分析了该方法的可行性和有效性，并分析了全息面布放方式、全息面测点间距以及声源频率等对于重建精度的影响。
在有限空间中采用近场声全息法进行声源识别和声场重建时，由于通常会受到边界影响，无法给出格林函数的解析解。
所以本文提出采用数值计算的方式来获取有限空间中格林函数的方法，利用数值计算的格林函数来实现声源在自由场中的三维声场重建。
并将其应用于点源组合和结构声源在自由场中的声辐射预报和声场重建，分析了不同声源频率、全息面尺寸、全息测点间距以及全息面位置对于重建精度的影响。
结果表明：本文提出的方法解决了近场声全息技术只能应用于自由场和半空间声场的问题。
可以应用于非自由声场中的声场重构，具有较好的效果。
关键词：有限空间；等效源法；近场声全息技术；格林函数；声场重建ABSTRACTNear-field acoustic holography（NAH）is an important method for sound field prediction and sound source identification. Using NAH technology, the sound pressures on the surface of the sound source and the vibration velocities of the particles can be calculated by extracting sound information in the near field of the sound source, and then the entire three-dimensional sound field can be reconstructed. Traditional near-field acoustic holography technology requires all sound sources to be on the same side of the holographic surface and the other side to be a free field. Usually, the environment in which the sound source is located, however, is not a free field because of the boundary restrictions. So, the sound field data obtained by the holographic measurement surface is not only the sound waves directly radiated by the sound source, but also the multiple reflections at the interface. Therefore, the sound source cannot be identified accurately by conventional near-field acoustic holography. In this paper, proposes a near-field acoustic holography technique based on the equivalent source method in limited space has been proposed.NAH technology based on the equivalent source method in the free field is studied firstly. Then, the point source combination and structural sound source are taken as the research object, the feasibility and effectiveness of this method are analyzed numerically. And the influences of the holographic surface layout method, the distance between the measuring points of the holographic surface and the frequency of the sound source on the reconstruction accuracy have been analyzed.Aiming at the problem of sound source identification and sound field reconstruction in a limited space, the analytical solution of the Green's function cannot be given due to the limitations of the boundary properties. Therefore, this paper proposes a method to obtain the Green's function in finite space by numerical calculation，and then the three-dimensional sound field of the sound source in the free field is reconstructed by the Green’s function .It is also applied to the acoustic radiation prediction and sound field reconstruction point source combination and structured sound source. The effects of sound source frequencies, holographic surface size, holographic measurement point spacing, and holographic surface position on reconstruction accuracy are analyzed. The results show that the method proposed in this paper can be used for sound field reconstruction in non-free sound fields, and has a good effect. This method solves the limitation that traditional NAH could only be applied to free-field and half-space acoustic fields.目录第1章绪论 (1)1.1 论文背景及研究目的 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.2.1 近场声全息研究现状 (2)1.2.2 有限空间声场测量技术 (5)1.3 本文主要内容与章节安排 (7)1.3.1 本文主要内容 (7)1.3.2 章节安排 (7)第2章基于等效源法的近场声全息变换方法 (9)2.1 引言 (9)2.2 等效源积分方程 (9)2.3 基于等效源法的近场声全息变换方法基本原理 (11)2.4 数值仿真分析 (12)2.4.1 点源组合情况的数值仿真分析 (12)2.4.2 球壳结构近场声全息变换数值仿真分析 (14)2.5 本章小结 (18)第3章有限空间中基于等效源法的近场声全息变换方法 (21)3.1 引言 (21)3.2 有限空间中基于等效源法的近场声全息变换理论模型 (21)3.3 有限空间中声场重构 (22)3.3.1 有限元法 (22)3.3.2 有限空间中声场重构步骤 (23)3.4 有限空间中基于等效源法的近场声全息理论模型的有效性验证 (24)3.5 本章小结 (25)第4章矩形水池中近场声全息变换方法数值仿真分析 (27)4.1 引言 (27)4.2 有限空间中点源组合的数值仿真分析 (27)4.3 不同全息测量参数情况下点源组合的数值仿真分析 (31)4.3.1 全息面尺寸和测点间距对全息重建的影响 (31)哈尔滨工程大学硕士学位论文4.3.2 全息面位置对全息重建的影响 (37)4.4 本章小结 (39)第5章循环水槽中近场声全息变换方法数值仿真分析 (41)5.1 引言 (41)5.2 不同边界条件下点源组合的数值仿真分析 (41)5.2.1 阻抗边界条件 (42)5.2.2 绝对软边界 (46)5.2.3 绝对硬边界 (51)5.2.4 整体绝对硬边界 (56)5.3 球壳结构表面源强度近场声全息变换数值仿真分析 (60)5.4 本章小结 (66)结论 (68)参考文献 (70)攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果 (74)致谢 (75)第1章绪论第1章绪论1.1 论文背景及研究目的控制水下航行体的辐射噪声水平是提高其自身隐蔽性、增强自身战斗力的重要保证。
基于等效源法和质点振速测量的近场声全息技术
佚名
【期刊名称】《机械工程学报》
【年(卷),期】2012(48)21
【摘要】近场声全息（NAH）是一种用于机电产品噪声源识别定位和辐射声场可视化的前沿技术。
它可以高分辨率地重建出机电产品的表面声压和法向振速，还可以预测机电产品所辐射的三维声场中任意点处的声压、质点振速和有功无功声强等声学量，从而为机电产品的故障诊断、噪声振动控制、低噪声及声质量设计等提供依据。
【总页数】1页(P56-56)
【关键词】声全息技术;近场声全息;质点振速;等效源法;机电产品;测量;辐射声场;识别定位
【正文语种】中文
【中图分类】TB877.2
【相关文献】
1.基于质点振速输入和Laplace变换的流动媒质中近场声全息技术 [J], 董必春;张润梅;陈雪辉
2.基于等效源法和双面质点振速测量的声场分离方法 [J], 毕传兴†;胡定玉;张永斌;徐亮
3.基于质点振速测量的近场声全息技术 [J], 张永斌;毕传兴;陈剑;陈心昭
4.基于等效源法的近场声全息技术研究与应用 [J], 张亚虎;王波;王一风;田甲;宁传
彬
5.基于矢量阵测量的振速重构近场声全息技术 [J], 胡博;杨德森;孙玉
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近场声全息试验用于医用制氧机噪声控制家庭医用分子筛制氧机是一种较为普及的新型氧疗设备,医用制氧机但运行噪声通常超过50 dB,从而影响氧疗效果。
本文针对采用进口螺杆压缩机成品制造的小型制氧机,采用现代近场声全息技术(nearfield a-coustical holography,简称NAH),通过试验分析制氧机噪声场形成机理和声传播途径,提出和评价了针对制氧机壳体和内部件隔音、隔振的噪声控制方案。
1 近场声全息技术NAH是建立在声辐射理论(即声波的产生和传播理论)基础上的声源定位和声场可视化技术,通过在非常靠近声源的二维或三维面上测量复声压数据,重建出声音在三维空间传播的声学量和声学能量流关联关系,如声压、声强以及声功率等,从而直接得到真实声场模型,避免机理建模和求解的诸多困难。
并可以针对真实声场模型,在很宽的频率范围内对声源及声场特性进行三维切片研究[2]。
NAH的实现包含全息面复声压的获取和声场空间变换算法两部分。
NAH空间变换算法是实现近场声全息技术的核心,如二维Fourier变换法、边界元法(BEM)和Helmholtz最小二乘法(HELS)等。
全息面复声压获取包括基于声压测量和声强测量两种.在国际上,B&K,LMS和01 dB等公司均提供商业化的近场声全息测量系统,算法核心为FFT变换,可为实际的噪声振动分析提供丰富的声源声场信息[3-4],使NAH具备了很高的工程应用价值和前景,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意义[5-7]。
目前,该技术已在汽车发动机、汽车车内噪声源识别和飞机舱内噪声分析等方面大量应用,但针对制氧机降噪的实际工程应用报道较少。
2 制氧机的近场声全息试验系统2.1 主要装置(1)目标声源:龙飞集团LFY系列医用制氧机;(2)近场声全息检测组件PCB130D21T传声器4×6阵列;(3) Larson Davis DSS 24通道数字传感系统、Larson Davis声音校准器和Dsit变送装置;(4) SenSound系列处理软件(SenAH数据捕捉以及SenDV声场可视化分析软件)。
声全息技术利用干涉原理来获得被观察物体声场全部信息（振幅分布和相位分布）的声成像技术。
它一般包括获得声全息图和由声全息图重建物体可见像。
为了构成声全息图，除了含有待测物体信息的声波──物波外，还需要另一束与物波相干的参考波，两者的干涉就形成了既有振幅信息又有相位信息的声全息图。
声全息技术中，这参考波一般是声波，有时也可用电信号来模拟。
为了把声全息图保存下来，通常把声全息图记录在照相底片上作为光调制器，需要时可随时用激光重建可见像。
在不需保留声全息图的情况下，声成像的两个阶段也可以设法使其极快完成，这就是所谓实时重建。
声全息的具体成像方法的种类很多，液面声全息和扫描声全息是最常用的两种。
液面声全息是利用液面的变形来形成声全息图的,其装置如图1[液面声全息装置示意图]所示。
频率为兆赫级的信号源同时激励两个声源。
透过物体后的物波与参考声波在液面上相互干涉，在液面上形成了声全息图。
当激光照射该液面时，声全息图表面就把相位变化加到反射光束上,使光束产生衍射,利用光阑，只让强度同液面上干涉图样振幅变化成正比的一级衍射光通过，经摄像头接收后就可以在荧光屏上直接观察到物体的实时重建像了。
若用宽度约数百个声波周期的声脉冲来进行液面声全息，并采用同步的脉冲激光来重建可见像,可以提高成像质量。
图2[成人拇指的液面声全息重建像]是用液面声全息拍摄的重建像。
液面声全息的优点是能实时重建物像，因此可以观察动目标。
但为了获得可分辨的图像，液面处需要的最低声强为10～10W/cm,所以其灵敏度较低,不宜用于较大距离的检测。
扫描声全息是一种灵敏的成像方法，它成像所需的声强只要10W/cm它是采用一个点接收器（尺寸小于1/2 声波波长）在物波与参考波重叠声场的全息记录平面上扫描，来获得每一点上的相位和振幅信息。
若用这个信号调制一同步扫描的点光源，使底片感光，就能得到一幅声全息图。
当然，扫描的也不一定必须是接收器，也可以是声源或被测物体，甚至也可以是声源和接收器一起进行扫描。
等效源法近场声全息一、原理等效源法近场声全息的基本原理是将复杂的声场分布近似为多个点源的叠加。
这些点源被称为等效源，它们的振幅和相位与原始声场在一定区域内的振幅和相位分布相似。
通过在近场记录等效源的干涉图案，可以还原出原始声场的信息。
具体而言，等效源法近场声全息的计算过程如下：1. 将声场分解为多个点源，每个点源对应一个等效源。
2. 计算每个等效源的振幅和相位，可以使用声学模拟软件或实验测量获得。
3. 在记录平面上设置接收点，计算每个等效源到接收点的声压贡献，并将它们叠加起来。
4. 根据叠加结果得到近场的干涉图案，通过干涉图案可以还原出声场的信息。
二、应用等效源法近场声全息在声学研究和工程应用中有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：1. 声场重构：等效源法可以用于重构复杂声场的分布，例如音乐厅的声场分布、车辆内部的声场分布等。
通过测量或模拟计算得到的等效源的信息，可以还原出原始声场的分布，为声学设计和优化提供依据。
2. 声场仿真：等效源法可以用于声场的仿真计算。
通过将声场分解为多个等效源，可以减少计算复杂度，提高计算效率。
这在实时声场仿真和大规模声场计算中特别有用。
3. 声学成像：等效源法可以用于声学成像，例如医学超声成像和非破坏性检测。
通过记录等效源的干涉图案，可以还原出被成像物体的声学特性，实现成像目标的检测和识别。
三、优缺点等效源法近场声全息有以下优点：1. 简化计算：等效源法将复杂的声场分布近似为多个点源，可以大大简化声场的计算过程，提高计算效率。
2. 灵活性：等效源法可以根据具体问题的需求进行适当的点源数量和位置设置，具有较大的灵活性。
3. 应用广泛：等效源法可以用于各种声学问题的研究和工程应用，具有广泛的适用性。
然而，等效源法近场声全息也存在一些缺点：1. 近场限制：等效源法适用于近场声全息，对于远场声全息的处理效果较差。
2. 点源近似：等效源法将声场分解为多个点源，这种点源的近似可能引入误差，影响结果的准确性。
复杂声场环境下的近场声全息技术
杜向华;朱海潮;毛荣富;朱海鹏
【期刊名称】《海军工程大学学报》
【年(卷),期】2011(023)004
【摘要】近场声全息对测量环境的严格要求限制了它在工程实际中的应用,特别是利用互谱法求解全惠面声压时,参考信号的获取极为关键.针对有多个噪声源同时存在的复杂声场环境,提出一种工程解决方法,利用振动信号和声源出口处的信号作为近场声全息的参考信号,在传递函数法的基础上推导出全息面上分离的复声压,由此达到复杂声场环境下的近场声全息重建,仿真和试验证明了该方法的有效性.
【总页数】4页(P80-83)
【作者】杜向华;朱海潮;毛荣富;朱海鹏
【作者单位】海军工程大学振动与噪声研究所,武汉430033;海军工程大学振动与噪声研究所,武汉430033;海军工程大学振动与噪声研究所,武汉430033;海军工程大学振动与噪声研究所,武汉430033
【正文语种】中文
【中图分类】TB532
【相关文献】
1.强干扰环境下双面Patch近场声全息技术 [J], 张诗科;朱海潮;毛荣富;苏俊博;苏常伟
2.复杂声场环境下目标声源声场重建误差分析 [J], 张诗科;朱海潮;谢志敏;毛荣富
3.复杂环境和复杂地质条件下的沟槽控制爆破技术 [J], 徐成光
4.复杂环境和复杂地质条件下的沟槽控制爆破技术 [J], 徐成光
5.复杂环境条件下的复杂钢结构综合施工技术 [J], 冯瑞丽;郭再民
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近场声全息技术方法简介高 随着科学技术的不断进步和人民生活水平的不断提高,噪声已成为环境和产品评价的一项重要指标,军事、交通运输、航空航天、工程机械等领域如何降低噪声水平也成为一个倍受关注的课题。
噪声控制需要从声源控制、传播途径控制和受者保护三方面进行,一般来讲,声源控制是噪声控制中最根本、最有效的手段,而主要声源的定位与识别也是噪声控制工程的关键问题。
从声源方面入手控制噪声就是要正确识别和定位声源,获得声源的声辐射特性。
近场声全息技术突破了传统上通过测量声源表面振速信息计算声场辐射特性方法的瓶颈,而将声辐射问题转化为逆问题来研究,从而可通过测量部分声场信息重建声源表面信息,根据重建信息预测整个三维声场的辐射特性,开展近场声全息技术研究对噪声和振动控制、声源识别与定位等具有非常重要的意义。
一、全息术与声全息术 20世纪40年代,全息术的概念最早出现于光学,是著名物理学家哈博(D.G abor)1948年在改进电子显微镜时发明的,最初只限于光学领域。
但实际上,前苏联早在1935年就做出了全息图的声学等效图。
1965年,李斯和帕特尼克斯对哈博提出的全息术进行了重要改进,他们让两束相干辐射波的平均传播方向不共线,解决了哈博全息术中存在的孪生像问题,并提出李斯-帕特尼克斯(Leith-Upat2 nieks)全息术。
这种全息照相术的图像记录和显示方式与常规照相术不同:全息照相术记录一个由稳定参考光和被测物体的反射光线之间的干涉图像,通过光的衍射特性显示出被测物体图像;而常规照相术则将图像直接记录在胶片上。
显然,常规照相术记录的实际上仍是二维图像信息,其三维效应是人脑想象出来的;而全息照相术通过捕获二维全息面上的信息重建真实的三维图像,因而可提供更多信息,便于更直观地观察、比较被测物体图像和实际物体。
1952年,毅森等将全息术思想推广到X射线领域,瑟斯通在1966年又将全息术用于超声波研究。
发展到今天,全息术的应用范围越来越广,诸如电子全息术、X射线全息术、光全息术、光电子全息术、微波全息术、声波全息术(包括常规声全息、近场声全息、远场声全息)等,由于全息术应用广阔,可用于进行场重建的非常直观的场研究方法,这些优点吸引了许多研究者。
近场声全息技术方法简介高 随着科学技术的不断进步和人民生活水平的不断提高,噪声已成为环境和产品评价的一项重要指标,军事、交通运输、航空航天、工程机械等领域如何降低噪声水平也成为一个倍受关注的课题。
噪声控制需要从声源控制、传播途径控制和受者保护三方面进行,一般来讲,声源控制是噪声控制中最根本、最有效的手段,而主要声源的定位与识别也是噪声控制工程的关键问题。
从声源方面入手控制噪声就是要正确识别和定位声源,获得声源的声辐射特性。
近场声全息技术突破了传统上通过测量声源表面振速信息计算声场辐射特性方法的瓶颈,而将声辐射问题转化为逆问题来研究,从而可通过测量部分声场信息重建声源表面信息,根据重建信息预测整个三维声场的辐射特性,开展近场声全息技术研究对噪声和振动控制、声源识别与定位等具有非常重要的意义。
一、全息术与声全息术 20世纪40年代,全息术的概念最早出现于光学,是著名物理学家哈博(D.G abor)1948年在改进电子显微镜时发明的,最初只限于光学领域。
但实际上,前苏联早在1935年就做出了全息图的声学等效图。
1965年,李斯和帕特尼克斯对哈博提出的全息术进行了重要改进,他们让两束相干辐射波的平均传播方向不共线,解决了哈博全息术中存在的孪生像问题,并提出李斯-帕特尼克斯(Leith-Upat2 nieks)全息术。
这种全息照相术的图像记录和显示方式与常规照相术不同:全息照相术记录一个由稳定参考光和被测物体的反射光线之间的干涉图像,通过光的衍射特性显示出被测物体图像;而常规照相术则将图像直接记录在胶片上。
显然,常规照相术记录的实际上仍是二维图像信息,其三维效应是人脑想象出来的;而全息照相术通过捕获二维全息面上的信息重建真实的三维图像,因而可提供更多信息,便于更直观地观察、比较被测物体图像和实际物体。
1952年,毅森等将全息术思想推广到X射线领域,瑟斯通在1966年又将全息术用于超声波研究。
发展到今天,全息术的应用范围越来越广,诸如电子全息术、X射线全息术、光全息术、光电子全息术、微波全息术、声波全息术(包括常规声全息、近场声全息、远场声全息)等,由于全息术应用广阔,可用于进行场重建的非常直观的场研究方法,这些优点吸引了许多研究者。
1965年史密斯等人就开始用红宝石激光沉积法制备薄膜材料,但是由于受激光器性能限制,脉冲激光沉积法并未受到重视。
直到1987年,Dijkkamp等人首次利用脉冲KrF准分子激光成功制备高质量高温超导薄膜Y BCO(Y2Ba2Cu oxide superconductor thin films),才使脉冲激光沉积法得到广泛关注和迅速发展。
现在脉冲激光沉积法已用于制备复杂的多组分、多元素氧化物薄膜及其异质结、氮化物薄膜、碳化物薄膜、硅化物薄膜及各种有机物薄膜、有机-无机复合材料薄膜等,也可用于铁电薄膜、磁性薄膜、光电薄膜、非线性波导薄膜、合成纳米晶量子点薄膜的制备。
脉冲激光沉积法在高温超导材料的研究中可用于制备Y BCO等系列高温超导薄膜;在生物医学研究领域可用于制备生物陶瓷薄膜,提高医用合金材料或高分子材料表面的生物相容性。
羟基磷灰石是一种生物活性陶瓷材料,化学成分为Ca10(PO4)6(OH)2,与生物骨组织中的磷酸钙无机物类似(Ca/P=1167),组织细胞在其表面易于生长,具有很好的细胞相容性。
但是,羟基磷灰石难以加工成型,利用脉冲激光沉积法把羟基磷灰石沉积在医用金属材料表面可提高其细胞相容性。
类金刚石薄膜是一种生物惰性陶瓷材料,硬度很高、摩擦系数很小、化学稳定性和抗腐蚀性强,并有很好的血液相容性和细胞相容性。
由于类金刚石薄膜的各种特性与薄膜中的sp3/sp2比值有关,因此可根据需要调整脉冲激光沉积参数沉积出具有特定功能的类金刚石薄膜,目前生物陶瓷薄膜已广泛用于人工心脏瓣膜、心血管支架、左心室辅助装置、人造心脏、髋关节、膝关节、植入人体的生物传感器和微电子机械系统(mi2 croelectromechanical system,M ENS)等。
(安徽省合肥工业大学理学院 230009) 声全息术是声学研究中极其重要的技术之一,是利用干涉原理获得被观察物体声场全部信息(振幅分布和相位分布)的声成像技术,能利用声场空间一已知区域的声场特性预报另一区域的声场特性。
早期声全息完全模仿光全息方法,即用一参考声束与频率相同的物体声束相干,在记录平面内得到全息图。
用一束激光照射全息图,即可得到分别与U 0及U 30相应的两个像,称之为孪生像(U 0为物体波、U r 为参考波、3表示共轭)。
U 0真实反映原物体,称为真像(其实为虚像),U 03则为其共轭像(是实像)。
声全息成像技术一般包括获得物体的声全息图和由声全息图重建物体可见像两个步骤。
要构成声全息图,除含有待测物体信息的声波(物波)外,还需要另一束与物波相干的参考波,两者干涉形成既有振幅信息、又有相位信息的声全息图。
为了获得物体的全息图,必须同时具备两束相干声波,一束照射物体并透过物体成为物波,另一束声波称参考波,物波和参考波在一定位置发生干涉,干涉图样就是物体声场的含有振幅和相位信息的声全息图(图1)。
图1 声全息原理示意图 参考波一般用声波,有时也可用电信号模拟。
若需要保存声全息图,通常把声全息图记录在底片上作为光调制器,需要时可随时用激光重建可见像;若不需要保留声全息图,可设法使声成像的两个阶段极快完成,这就是所谓实时重建。
如果重建时所用照明波与形成全息图所用波束的波长相同,就如同光全息一样,重建像就是与原物完全相同的立体像。
为了获得可见重建像,重建波束必须为可见光,而可见光波长与通常用来形成声全息图的声波波长相差数百倍,因此重建像有严重深度畸变,失去了三维成像的优势。
早期声全息测量在距离源面几个波长之外进行,当波长较大时会丢失高频波成分,受波长限制,全息成像分辨有很大局限性。
后来的声全息技术一般采用扫描声全息的方法,这是一种灵敏的成像方法,采用一个尺寸小于1/2声波波长的点接收器扫描声场的全息记录平面,获得每一点的相位和振幅信息。
如果以此信号调制一同步扫描点光源,底片即感光得到一幅声全息图。
扫描声全息也可不用参考声源,点接收器提供的物波信号可直接与超声波发生器提供的参考电信号相互叠加,然后输入显示器,这种方法不仅简单而且还有减少声干扰的优点。
但是这种简单的单探头扫描声全息设备成像时间较长,只能观察静态目标,图2为扫描声全息装置结构示意图。
图2 声全息技术以辐射理论为基础可分为传统声全息技术和近场声全息技术,按成像距离的不同可分为常规声全息、远场声全息和近场声全息技术。
二、近场声全息术 原理与特点 全息接收面与物体的距离d 甚小于声波波长λ(d νλ)时称为近场声全息(NAH )技术,它是上世纪80年代全息领域中脱颖而出的新技术,其出现对声全息技术的发展具有划时代意义。
这种声全息场变换技术通过包围源的全息测量面做声压全息测量,然后借助源表面和全息面之间的空间场变换关系,由全息面声压重建源面的声场。
近场声全息的理论基础是用于声辐射计算的亥姆霍兹积分方程 2p (x ,y ,z ,ω)+k 2p (x ,y ,z ,ω)=0,其中p (x ,y ,z ,ω)为空间点的复声压、,k =ω/c =2π/λ为声波数、c 为声速、λ为波长。
在平面声全息条件下,由格林公式可解得p (k x ,k y ,z H )=p (k x ,k y ,z S )e ik z (z H -z S )、p (k x ,k y ,z H )=ρck v (k x ,k y ,z S )eik z (z H -z S )/k Z 。
以上两式建立了波数域内全息面与重建面、预测面上的声压与振速之间的联系,对求得的波数域声学量作二维傅立叶变换即可得与其对应的空间域声学量。
在柱面条件下令x =r cos θ、y =r sin θ,由分离变量法分解方程p (r ,θ,z )=p r (r )p θ(θ)p z (z ),可解得p n (k z ,r s )=[H (1)n (k r r s )/H(1)n(k r r H)]p n(k z,r H),其中H(1)n表示n阶第一类汉克函数。
上式中上标(1)换成(2)即可用来重建内辐射问题。
近场声全息不仅可识别和定位噪声源,也可预测声源在声场中的辐射属性,因而它既是比声强测量技术优越的声源定位技术,也是拥有常规声辐射计算功能的声场预测技术。
近场声全息技术已广泛用于噪声源的定位与识别、特别是低频场源特性的判别、散射体结构表面特性以及结构模态振动等的研究,还用于源辐射功率和大型结构远场指向性预报等。
实际中如果源尺寸较大,按照远场条件距离会很大,而且远场测量带来的多途效应、衰减、噪声等都会降低准确度。
因而若能在近场条件下利用场变换推得远场的辐射场指向性等将有很大实用价值。
此外,近场声全息是完全建立在声辐射理论(即声波的产生和传播理论)基础上的一种重要声源定位和声场可视化技术,它可为实际的噪声振动分析提供丰富的声源与声场信息,对于有效控制噪声源、研究噪声源的声辐射特性具有重要意义。
近场声全息不仅可定位空间声源、分析声辐射能量的分布,还可提供其他的声场信息。
而且声强测量技术中存在的近场效应误差、有限差分误差、相位不匹配误差等固有缺陷也决定了它在声源定位精度、适用范围等方面无法与近场声全息技术相比。
噪声与误差处理 任何实际的近场声全息系统在测量全息数据时,总会引起各种各样噪声信号与测量误差。
例如环境噪声、测量系统的电噪声,接收阵元与通道的不一致性,有限的接收孔径,信号采样间距、量化精度不足等等。
这些噪声与误差将随全息数据进入空间频率域及以后的处理过程,从而严重影响重建结果。
对倏逝波而言,格林函数在反演运算过程中起着指数放大器的作用,即G(m,n,z0-z h)=e2π(z0-z h)m2/L2+n2/L2-1/λ2,其中k2x+k2y>k2,考虑到记录全息数据时,倏逝波成分经历了一个指数衰减过程。
所以反演运算过程的这个指数放大器正好使其恢复到声源所在平面的“原始值”。
但是测量全息数据时引入的噪声与误差并未经历传播过程中的指数衰减,在重建过程中却同样被指数放大,因此重建结果的信噪比大为降低,导致分辨率严重降低和重建结果不稳定。
为提高近场声全息算法的稳定性与可靠性及其抗噪声干扰能力,应在重建之前尽量滤去这些噪声,这就要求在空间频率域或波数域先进行滤波处理。
虽然近场声全息变换计算可通过滤波提高变换精度,但近场声全息测量也难免受到干扰。
测量系统误差及各种环境干扰都将因格林函数的奇异性,在源面场的重建中被放大而影响重建效果。
一般来说,空间频率域滤波函数的选择主要根据倏逝波的指数衰减特性,即设法在尽量保留全息数据倏逝波成分的条件下滤除噪声。
