Ｖｏｌ｜３３ Ｎｏ．９ ８８ 舰船电子工程 Ｓｈｉｐ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 总第２３１期 ２０１３年第９期 水下结构近场声全息数值仿真与试验研究 刘敏林 刘伯运 张若愚。 （１．海军—［程大学船舶与动力学院武汉４３００３３）（３．北京神州普惠科技股份有限公司北京１０００８５） 摘要近场声全息（ＮＡＨ：Ｎｅａｒ－ｆｉｅｌｄ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ）技术采用近场测量。可以有效地记录垂直于源表面并随距离增加而迅速 衰减的倏逝波，这一特点使得ＮＡＨ技术可获得不受波长的重建分辨率。论文中对水下结构辐射声场进行数值仿真及试验研究，在获 得声场重构结果的基础上分析测量条件对分析结果的影响，论证声全息技术应用于水下结构辐射噪声测试的可行性及应用场景。 关键词 声全息技术；近场测量；噪声测试；数值仿真及试验 中图分类号ＴＮ９３７．４ ＩＸ）Ｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ１６７２－－９７３０．２０１３．０９．０２９ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｎｅａｒ－ｆｉｅｌｄ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ＬＩＵ Ｍｉｎｌｉｎ ＬＩＵ Ｂｏｙｕｎ ＺＨＡＮＧ Ｒｕｏｙｕ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｎａｖａｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ。Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｎａｖａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ ４３００３３） （２．Ａｐｐｓｏｆｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｇｙ Ｃｏ．。Ｉ ｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８５） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｎｅａｒ－ｆｉｅｌｄ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｓｅｓ ｎｅａｒ ｆｉｅｌｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ，ｒｅｃｏｒｄｅｄ ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ ｗａｖｅ ｔｈａｔ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ ｓｏｕｒｃｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ａｎｄ ｒａｐｉｄｌｙ，ｔｈｉｓ ｆｅａｔｕｒｅ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＮＡＨ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｏｆ ｔｈｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｒｅｓｏｌｕ ｔｉｏｎ ｌｉｍｉｔ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｕｔｔｅｄ ｆｏｒｗａｒｄ， Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｏｕｎｄ ｆｉｅｌｄ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ ａｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｃｅｎａｒｉｏｓ ｏｆ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ ｔｈａｔ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｒａｄｉａｔｅｄ ｎｏｉｓｅ ｔｅｓｔ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ，ｎｅａｒ４ｉｅｌｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ，ｎｏｉｓｅ ｔｅｓｔ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ Ｃｌａｓｓ Ｎｕｍｂｅｒ ＴＮ９３７．４ １ 引言 近年来，近场声全息技术在空气声学中得到了广泛的 应用，并且在应用中不断发展和完善【 。针对声全息技 术在水下结构辐射声场测试中的实际应用问题，国外已经开 展诸多研究，国内近年来也有所发展。然而，不同于空气中 数，ｋ＝￣ｏ／ｃ＝Ｄｒ／；，；ｉｔ为特征波长；ｐＤ（ ， ），Ｐ～（ ， ）分别 为平面 —０的Ｄｉｒｉｃｈｌｅｔ边界条件和Ｎｅｕｍａｎｎ边界条件。 Ｓ表示积分在无穷大的边界平面上进行，ｇｏ，ｗ为无穷大平 面的格林函数： 对式（１）两边取二维Ｆｏｕｒｉｅｒ变换，并由二维卷积公式 可得 Ｐ（意 ，ｋ ， ）＿＿ＰＤ．Ｎ（忌 ，毛 ）ＧＤ，～（是 ，是 ， ） （２） 声场，水下目标的辐射声波具有波长较长、频率较低的特点， 在对水下目标进行全息测试时，需要兼顾全息测试的要求和 水下声场的特性。本文针对声全息技术在水下的工程应用 问题，开展了一系列数值仿真与试验，旨在获得声全息技术 其中Ｇｆ），Ｎ（ ，ｋ ，ｚ）为ｇＤ．Ｎ的二维Ｆｏｕｒｉｅｒ变换，其解析表 达式为 （ （ ， ， ）一ｅ ，ＧＮ（是 ，志 ，ｚ）一ｅ ｚ ／ｋ。 （３） 应用于水下结构辐射声场重构时的参数选择及测量要求。 ｉｋ。一￣／ 一（ ＋ ） ｌ也＿一ｉ￣／（ ＋ ：）一 蟛十砖 鹾＋志 ＞志 … ２声全息原理 ２．１平面声全息原理 此时，可以得到平面ＮＡＨ重建的基本公式口 ｊ： Ｐ（是 ， ，￣ｚ ）一Ｐ（愚 ，是 ，ｚＨ）ｅ ｚ‘ ｆｔ 。ｓ （５） 自由、谐和声场中，声场传递函数用格林函数表示，波 动方程在直角坐标系的解为 ｒｒ ． ２．２全息测试参数选取规则 ２．２．１测量孔径选取 Ｐ（ ， ，２）一ｆｊ，、Ｐｖ，～（ ，ｙ ）ｇｏ，Ｎ （ —Ｔ ，ｖ—ｙｌ，ｚ一２ ）ｄｘ＇ｄｖ （１） 为确保全息场变换可靠和精确，全息面必须足够大，保 证测量数据获得必要的辐射能量和声源信息，并有适当多 的高波数分量。对高频大型声源，全息面比源面尺寸的尺 其中，Ｐ（ ， ， ）为空问点（ ， ， ）的复声压；ｋ为特征波 ＊收稿日期：２０１３年３月１１日，修回日期：２０１３年４月２７日 作者简介：刘敏林，男，硕士研究生，副教授，研究方向：振动噪声测试与故障诊断。刘伯运，男，博士研究生，讲师，研究方向：振动噪声 测试与故障诊断。张若愚，女，硕士研究生，工程师，研究方向：水下结构振动与噪声机理及其控制技术、噪声源特性分析与识别技术。 ２０１３年第９期 舰船电子工程 酥瓢。ｄ ８９ 寸也应大些，当Ｌ／Ｚ＞３时，可取２倍；对低频小声源，全息 面与声源面共形为最佳。 ２．２．２测量间隔选取 由图３可见，在仿真频率下，声压重构误差不超过 ２ｄＢ。在工程实际中，若从声源识别与定位的角度，当全息 测量条件不完全满足理论要求时，也能够获得较为理想的 分析结果。 为精确测量声场分布，要求全息面上的测点足够密。 鉴于表面声场波幅驻波形式分布，类似频率一时间域中采 样定理，这里空间测量、采点间距，应为１／（７～１０）自由场 波长。 ２．２．３测量距离选取 ４水池试验研究 ４．１试验工况及参数 针对ＮＡＨ技术实际应用 高波数波沿声源面法线方向减弱很快，因此，要求全息 面到声源面的间距尽可能近。其间距以取１／３自由场波长 较合适［ 。 的问题，本文开展了一系列测 试试验。试验在消声水池环境 （尺寸为１６ｍ×８ｍ×８ｍ）下进 ３数值仿真 在实际全息测试中，尤其是针对尺寸较大的结构，测试 条件很难满足全息理论要求。此时需要分析在测试条件不 满足时对全息分析结果的影响。为此，本文通过数值仿真 的形式对实际测试情况进行模拟。 ３．１仿真条件 图４水下近场声 全息扫描阵列 行，试验采用直线阵扫描的方 式，被测对象包括圆面活塞换 能器、脉动球换能器（如图５所 示）。通过本次试验，对水下 ＮＡＨ分析精度、基于ＮＡＨ技 术的相干源识别、基于ＮＡＨ 分析的远场指向性算法等进行 了验证ｌ７。 仿真模型为长７０ｍ，直径ｌＯｍ的椭球。全息面尺寸为 ３０ｍ＊１２ｍ，测量面网格划分方式为１２５＊５Ｏ，水平和垂直 测点间距为０．２４ｍ。全息面距模型距离为ｌｍ。验证在模 拟实际测量条件下，平面近场声全息重构结果的精确度，以 说明平面近场声全息算法对于声场重构的有效性。 ３．２仿真结果 仿真频率为２０Ｈｚ与１５００Ｈｚ，声压重构结果如下： 重构声压幅度分布，＝２０ Ｈｚ直接测量声压幅度分布，＝２０ Ｈｚ （ａ）圆面活塞换能器 （ｂ）脉动球换能器 图５水下近场声全息试验被测换能器 ４．２试验结果 ４．２．１ 平面ＮＡＨ重构精度分析 赫如 ５０ ｆａ）重构声压幅度分布 （ｂ）理论结果 平面ＮＡＨ测试采用直线扫描阵列实现声源附近矩形 平面（即全息面）的扫描，测量阵列如图４，该试验目标为圆 面活塞换能器，如图５，换能器发射面直径１７０ｍｍ。 将目标换能器放置在距测量面４２５ｍｍ、距水面 图ｌ 频率为２０Ｈｚ时声压幅度重构结果与直接测量结果 ３８００ｍｍ处，通过信号源控制换能器分别发射ｌｋＨｚ，２ｋＨｚ， …，７ｋＨｚ的单频连续信号。扫描面尺寸为１８００ｍｍ× 利用声全息算法对测试数据进行平面ＮＡＨ分析，重 １４４０ｍｍ，测量点间隔为６０ｍｍＸ ６０ｎｍ￣。 构出距离换能器２２５ｍｍ的平面上（重构面）的复声压分布 （见图６（ｂ））ｌ８ ］。然后，将扫描阵列移至重构面上，其他测 （ａ）重构声压幅度分布 ）理论结果 试参数不变，直接测试重构面上的声压分布（见图６（ａ））。 图２频率为１５００Ｈｚ时声压幅度重构结果与直接测量结果 重构误差分析 仿真中选取的测试参 数对于２０Ｈｚ的频率能过 满足全息测试要求，单 １５００Ｈｚ的频率显然不能 ＝！： 一————————＿ｊ Ｌ——————————＝＝———一 完全满足，但从声压重构 结果看，重构结果与理论 结果仍比较接近。计算不 同频率下重构误差，结果 图３不同频率下声压重构误差 如图３。Ｆｒｅｑ（Ｈｚ） （ａ）直接测量结果 （ｂ）平面ＮＡＨ结果 图６平面ＮＡＨ测试与重构效果（３ＫＨｚ） 对不同频率下重构结果与直接测量结果进行误差分 析，计算重构结果与直接测量结果的相对误差，相对误差计 ９０ 算公式如下 刘敏林等：水下结构近场声全息数值仿真与试验研究 ２３１期 图８（ａ）绘制的是在距换能器４２５ｒｎｍ处直接测量得到 （６） ｌｌ 的声压幅度分布，在图中只出现一处亮点，无法分辨出两 个声源；图８（ｂ）中绘制的是利用图８（ａ）中测量数据进行 为全息重构得到的空间点的声压幅度，＂ｏ０为与 一一对 平面ＮＡＨ分析，重构声源附近５ｒａｍ处面上的声强幅度 分布，在图中可以明显的区分出两个声源的位置。由此可 应的空间点的直接测量值。将相对误差以分贝形式表示， 计算公式如下 Ｅ一２０ｌｏｇ（１＋Ｐ） （７） 见，对于分布式相干声源的识别，ＮＡＨ较传统识别方法具 有更高的分辨率。该结果也印证了文献［１０］中的相应结 论。 对重构面上各空间点的重构声压与直接测量结果的相 对误差进行统计分析，得到不同频率下相对误差的统计值， 见表１。 表１ 重构结果与实测结果相对误差 频率（Ｈｚ） １０００ ２０００ ３０００ ４０００ ５ 结语 通过数值仿真，证明在实际测试条件，尤其是针对于 水下大型目标的声全息测试中，当测试条件不完全满足声 全息测试理论要求时，也能够获得较为理想的声源定位结 果。 误差（ｄＢ） ０．５４３７３ ０．７９４６３ ０．７５７４３ ０．６８１１８ 频率（Ｈｚ） ５０００ ６０００ ７０００ 误差（ｄＢ） １．５４４５ ２．１７２ １．９８３２ 根据数值仿真中获得的结论，采用水池试验进行验证， 分别考察了声场重构误差与分布式相干声源识别效果，可 根据表１，在各分析频点上误差不超过２ｄＢ。并且随着 频率降低，在４ｋＨｚ以下频段，相对误差均不足ｌｄＢ。当分 析频率大于４０００Ｈｚ时，测点间隔不满足小于七分之一波 长的要求，因此重构误差开始增大，单直至频率升至 ７０００Ｈｚ，重构误差仍保持在３ｄＢ之内。 ４．２．２基于ＮＡＨ的分布式相干声源识别与定位 采用ＮＡＨ技术通过一定距离上的复声压场测量，重 建源面上声场后，再进行近距离识别，能够准确的识别出相 干声源。试验中使用圆面活塞换能器和脉动球换能器（图 ５（ａ）、（ｂ））作为测试目标，其放置方式见图７。 见，声源的定位角度讲，在试验中所述的测试条件下，能够 获得较理想的声场重构与声源识别定位效果。 参考文献 ［１］Ｊ Ｄ Ｍａｙｎａｒｄ，Ｅ Ｇ ｗ｜ｌ１ｉａｍｓ ａｎｄ Ｙ Ｌｅｅ．Ｎｅａｒ—ｆｉｅｌｄ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｈｏ— ｌｏｇｒａｐｈｙ：Ｉ．Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌ— ｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＮＡＨ［Ｊ］．Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａ肌１９８５，７８（４）：１３９５— １４ｌ３． Ｅ２３孙玉．基于声全息技术的噪声源识别方法研究［Ｄ］．哈尔滨工程 大学博士论文．２００７． ｒ３１何元安．大型水下结构近场声全息的理论与实验研究［Ｄ］．哈尔 圜 图７基于ＮＡＨ的分布式相干声源识别与定位试验换能器位置 滨工程大学博士论文．２０００。 ［４］何元安，何祚镛，商德江．基于平面声全息的全空间场变换：水 下大面积平面发射声基阵的近场声全息试验［』］．声学学报， ２００３，２８（１）：４５—５１． ［５］邓江华，刘献栋，单颖春，李兴虎．声场中倏逝波特性及改进全 息重建方法的研究［Ｊ］．噪声与振动控制，２００９．８（４）． ［６］何祚镛，何元安，王曼．近场声全息技术应用有关物理问题研究 ［Ｊ］．声学学报，２００７，３２（２）：１３７—１４３． 换能器与测量面距离４２５ｍｍ，距水面３８００ｍｍ，活塞与 脉动球换能器距离为３００ｍｍ，扫描面尺寸１８００ｍｍ× １４４０ｍｍ，扫描间隔６０ｒａｍＸ ６０ｍｍ。两个换能器同时发射 频率为４ｋＨｚ的连续信号。 ［７］何祚镛，王文芝．声全息测量基阵的设计与研制Ｉ－Ｊ］．哈尔滨工 程大学学报，２００２，２３（２）：５９—６５． ［８］李凌志，冯涛．近场声全息中复声压的频谱校正＿Ｊ］．声学技术， ２００７，２６（５）：１０９一ｌ１Ｏ． ［９］陈新华，孙长瑜，鲍习中．基于相位补偿的时域平均方法Ｉ－Ｊ］．应 用声学，２０１１，３０（４）：２６８—２７４． ［１Ｏｊ Ｓｈｅｎ Ｈｅｐｉｎｇ，Ｎｉｅ Ｊｉａ．Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｎｏｉｓｅ ｓｏｕｒｃｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇｎｅａｒ ｆｉｅｌｄ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｔｒａｎｓｆｏｒ— （ａ）直接测量声压幅度分布 （ｂ）重构声强幅度分布 ｍａｔｉ０ｎ［Ｃ］／／３７ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ａｎｄ Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｎ Ｎｏｉｓｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．２００８． 图８平面ＮＡＨ对分布式相干源识别效果
