[发明专利]一种基于平面阵扫描的声场重建方法

说明书

本发明属于机械结构声辐射信号处理技术领域，公开了一种基于平面阵扫描的声场重建方法，利用小型平面阵在空间二维方向上步进扫描，获取不同位置扫描面阵的声压数据；通过在扫描面阵相邻区域实施交叠测量，计算相邻扫描面阵声压值之间由于非同时测量造成的相位偏移；通过对交叠位置处的声压幅值进行平均，将所有扫描面阵上的复声压数据组合到合成测量面上。利用合成测量面的声压值，结合基于傅里叶变换的近场声全息方法实现对空间声场的重建。本发明利用较少的测点完成较大范围内的声场测量与重建，所需的声传感器数目少，测量成本低，声场重建精度高，计算速度快，有效避免传统声场重建方法中的窗效应问题，实现合成测量面大小调制。

技术领域

本发明属于机械结构声辐射信号处理技术领域，一种基于平面阵扫描的声场重建方法。

背景技术

近场声全息(Nearfield Acoustic Holography，NAH)是一种高分辨率的声场重建方法，它利用声传感器阵列在声源附近收集声场信息，进而通过空间变换算法计算三维空间中的声压、声强及质点振动速度，同时也可以得到声源面上的声压和法向振速，从而能够实现声场的可视化和结构的振动分析，在噪声源识别定位、振动噪声控制和噪声监测领域有着广泛的应用。

大型水下航行器内部具有数目繁多的有源机械设备，会激励航行器壳体产生复杂的结构振动，同时不可避免地引发噪声辐射，不仅严重损害了机械结构的安全性能和健康寿命，也对环境产生了较大的噪声干扰，需要通过声场测量来进行噪声源识别定位，为振动噪声控制提供充分的理论依据和意见建议。传统的近场声全息方法在小型设备噪声源识别领域有着优异的性能，但是对于大型水下航行器而言，其测试条件比较严苛，需要在声场测量过程中满足测量面积不小于声源面大小，往往需要大量的声传感器组成阵列对声场进行测试，造成巨大的测试成本，且工程实施难度大。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统近场声全息方法要求测量面积不小于声源面大小，在对大型水下航行器进行测试时，由于成本高昂，测试条件可能难以满足。

解决以上问题及缺陷的难度为：在保证声场重建精度的同时，要尽可能降低工程测试的成本，并且测试方法要适应不同的环境特征，能够有效降低环境噪声的影响。

解决以上问题及缺陷的意义为：利用较少的测点完成较大范围内的声场测量与重建，可以降低所需的声传感器数目，大幅压减测量成本，为大型水下航行器等结构装备的声场测量与重建提供有效方法，对于大型水下航行器的噪声源定位、维修治理和改进设计可以提供相应方案意见。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于平面阵扫描的声场重建方法，尤其涉及一种基于平面阵扫描的声场重建方法。

本发明是这样实现的，一种声场重建方法，所述声场重建方法包括：

根据声源面和平面阵的大小，确定合成测量面大小和扫描路径；利用平面阵在空间二维方向上步进扫描，获得不同位置扫描面阵的时域声压数据，通过周期图法计算扫描面阵上测点的复声压幅值，并以扫描面阵中心位置的测点为参考，通过互谱法计算扫描面阵上测点的复声压相位；

实施交叠测量，计算相邻扫描面阵声压值之间由于非同时测量造成的相位偏移，并将交叠测量和扫描测量的重合点声压值进行幅值平均；将所有扫描面阵上的复声压数据组合到合成测量面上，利用合成测量面的复声压值，结合基于傅里叶变换的近场声全息方法，实现空间声场的重建。

进一步，所述声场重建方法包括以下步骤：

步骤一，根据声源面大小，设计合成测量面不小于4倍声源面的面积，根据扫描面阵大小，设计合适的扫描路径和平面阵测量位置，根据目标声源频率，确定采样率和采样时间；

步骤二，利用平面阵在空间二维方向上按照设计路径步进扫描，在不同时刻获得不同位置扫描面阵的时域声压数据；