主动声全息原理与试验研究

1、基于主动声全息的全向声反射系数测量方法理论仿真与实验研究答辩人：聂 佳导 师：何元安 教授专 业：声 学主要内容一.基本原理与测量模型二.理论仿真与分析三.原理实验与实际样品测量四.总结一.基本原理与测量模型研究背景基本原理测量模型研究背景现实需要现实需要：吸声材料在各个领域的应用越来越广泛 ，反声特性是考量吸声材料优劣的重要的声学特性之一。因此，吸声材料声反射系数的测量与反演也受到越来越多的关注。 现有技术：现有技术： 1.声管中的小样测量，只能反演法向的声反射系数 ，且只能进行高频测量 2.自由场中的大样测量，包括表面声压法、干涉图法、信号分离法、双传感器传递函数法、主动式近场声全息法。

2、主动式近场声全息法的优点1.提供了一种新的全向反声特性测量方法。理论上，不同入射角（ 0，90）的反射系数可以通过一次测量全部获得；2.半无界空间反射面反射系数的常规测量中，“平面波”近似与“球面波”近似以及有关的修正在这里不必要了。因为通过声场空间变换技术，已将入射波分解成了不同入射方向的“纯”平面波分量。 基本原理 该方法基于波动声学理论，利用空间傅立叶变换(SFT)，将测得的两个全息面上的球面波声压分布分解为不同波数的平面波分量，再利用平面波传播理论，将材料表面(即反射面)的入射波分量和反射波分量分离出来，从而得到大样材料的声反射系数。 三维空间中有一个球面波辐射声源，在平面和上产生复声

3、压分布和。利用二维傅立叶变换，可将两个平面上的复声压分解为各个方向上的平面波分量： 11, ,expxyxyP k kzp x y zj k xk y dxdy 22, ,expxyxyP k kzp x y zj k xk y dxdy 两个平面上各波数的平面波分量可看作是相应波数的入射平面波和反射平面波分量的叠加： 应用平面波传播理论，将各平面和反射面的相应波数的入射平面波和反射平面波分量联系起来： 111,xyixyrxyP k kzP k kzP k kz222,xyixyrxyP kkzP kkzP kkz111,0 exp(),0 exp()xyixyzrxyzP kkzP kkj

4、k zP kkjk z222,0 exp(),0 exp()xyixyzrxyzP kkzP kkjk zP kkjk z 将上面的两式联立，就可以实现将反射面上入射平面波和反射平面波分离的目的，从而得到反射系数的表达式: 12212112exp,exp,exp,exp,zjkzkkPzjkzkkPzjkzkkPzjkzkkPkkCzyxzyxzyxzyxyxr测量模型二.理论仿真声源类型对反演结果的影响 反射介质对反演结果的影响 声场测量几何参数对反演结果的影响 测量噪声对反演结果的影响 测量通道不一致性对反演结果的影响 声源类型对反演结果的影响 根据仿真结果，建议在实际测量时可尽可能采用偶

5、极子声源，可以有效的减小由于测量区域有限而带来的空间截断误差。 反射介质对反演结果的影响 仿真结果指出软质反射边界的反演结果要好于硬质反射边界。 考虑到吸声材料的硬度与水介质相比不可能差别太大，因此反射界面硬度对反演结果的影响不会对实际的样品测量造成太大的影响。 声场测量几何参数对反演结果的影响测量面尺寸对反演结果的影响测量点间距对反演结果的影响 测量面与被测样品间距对反演结果的影响 声源与被测样品的距离对反演结果的影响测量面的边长应大于3倍波长，对于硬质的反射材料，还应当再增大测量范围，至少应该大于5倍波长 测量点间距小于测量面到被测样品的距离应小于 ，两测量面间距应小于声源与被测样品的距离

6、应取 /3/10/80.51实验参数设计建议测量噪声对反演结果的影响 仿真指出，要保证反演精度，测量环境的信噪比应当达到20dB以上。测量通道不一致性对反演结果的影响 通过仿真可以看出采用双元水听器阵单面隔行扫描和单面连续扫描的方式，通道偏差对反演结果的影响非常小，考虑到水听器本身的散射问题，在实际测量中水听器之间不宜离得过近，因此采用多元水听器连续扫描的方式更有实际应用价值。三.原理实验与实际样品测量测量内容2005.10.23原理实验：反演假想面的声反射系数 2006.1.13原理实验：反演假想面与钢板的全向声反射系数实际样品测量：声学覆盖层大样材料的全向声反射系数 水下测量示意图测量系统

7、框图测量系统测量系统仪器组成信 号 源： Agilent 3312信号发生器；测量水听器： B&K 8103水听器(4个)；参考水听器： B&K 8104水听器；功率放大器： B&K 2713功率放大器； L6功率放大器；适调放大器： B&K 2692适调放大器；多通道分析仪：B&K Pulse 3560多通道分析仪。 测量水听器阵 相邻水听器间隔24cm，水听器探头与支撑杆距离约为42cm； 原理实验数据处理与分析实验参数2005.10.23实验：频率10kHz，采样频率65.536kHz，采样时长125ms每个测量面测量3232个点，测量点水平间距和

8、垂直间距均为3cm，测量面尺寸为93cm93cm。测量面与假想面的距离： z1=1.5cm,z2=3cm,z3=4.5cm2006.1.13实验：假想面反演实验：频率6kHz、8kHz和10kHz 钢板反演实验：频率6kHz、7kHz和9kHz 采样频率65.536kHz，采样时长500ms每个测量面测量3232个点，测量点水平间距和垂直间距均为3cm，测量面尺寸为93cm93cm。测量面与假想面的距离： 钢板反演实验：z1=3.5cm,z2=5cm,z3=6.5cm 假想面反演实验：z1=3cm,z2=4.5cm数据处理与分析2005.10.23实验：00.511.522.533.54-4-

9、3-2-101234time(ms)Temporal Signal at point(11,15) of Plane 101020304050607000.511.522.5amplitude of freq spectrumfrequency(kHz)Amplitude of freq spectrum at point(11,15) on plane1测量面1上 (11,15) 点测得时域信号和频谱 测量面1声压幅度分布左图为空间滤波前的结果，右图为空间滤波后的结果0102030405060708090-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81angle of inc

10、idence (deg)real part of reflection coef0102030405060708090-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81angle of incidence (deg)image part of reflection coef010203040506070809000.10.20.30.40.50.60.70.80.91angle of incidence (deg)error of amplitude of reflection coef利用测量面1和测量面2声压分布反演的结果 2006.1.13假想面反演实验测量面声压幅度分布

11、01020304050607080-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.100.1入射角度()反射系数反射系数实部反射系数虚部6kHz反演结果 020406080100-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.100.10.2入射角度()反射系数反射系数实部反射系数虚部10kHz反演结果 020406080100-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.100.1入射角度()反射系数反射系数实部反射系数虚部将两测量面与假想面距离改为1.5cm和3cm后10kHz的反演结果 2006.1.13钢板反射系数反演实验01020304050607

12、080-0.4-0.200.20.40.60.811.2入射角度()反射系数反射系数实部反射系数虚部入射角度0 o7.7244 o系数实部反演结果0.594350.53178理论值0.314560.31062系数虚部反演结果0.448560.64245理论值0.463650.46226 6kHz 反演结果 接近垂直入射反演结果与理论值比较实际样品测量数据处理与分析测量参数频率3k10kHz，采样频率65.536kHz，采样时长500ms样品大小为1.2m1.6m，厚度5cm 每个测量面测量1921个点，测量点水平间距和垂直间距均为6cm，测量面尺寸为1.08m1.2m 。测量面与假想面的距离：

13、 z1=4cm,z2=5cm,z3=6.5cm数据处理与分析测量面2第(5,14)点时域信号和频谱 测量面1声压幅度分布 5kHz测量面2和测量面3声压幅度分布 3kHz反演结果 8kHz反演结果 分析造成以上结果不合理的原因 由于本次测量所用的消声水池的消声频率下限约为3.5kHz，因此3kHz的测量结果受水池反射的严重影响，造成较大误差。 而对于高频的情况，由于本次测量时测量面与大样样品的距离最近为4cm，当频率为8kHz时波长为18.75cm，测量面与样品最小距离约为 ，这是不能保证反演效果的，因此高频的反演结果差也就在所难免了。/ 5 综合考虑实验环境与测量条件，可以认为本次测量的4kHz、5kHz和6kHz的反演结果是可信的。特别是4kHz的结果，可信度最高 。 4kHz反演结果 5kHz反演结果 6kHz反演结果 四.总结 本文从理论与实验两方面证实了无源声学材料声全息测量的有效性和先进性。为无源材料声性能有效评估提供了一种先进实用的有效方法，值得推广应用。 声场仿真与主动声全息计