1.一种半空间均匀流中声场重建方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤1):对半空间均匀流中声场重建问题进行等效处理:一方面将实际声源关于半空间中反射面对称镜像,将半空间声场重建问题转换为自由空间多源声场重建问题;另一方面,将实际均匀流关于半空间中反射面对称镜像,得到镜像均匀流,将镜像声源转换到与实际声源相同的流场环境;
步骤2):在实际声源和镜像声源处分别布置等效源,使用若干等效源来等效实际声源和镜像声源;在实际声源近场选定全息测量面;
步骤3):构建均匀流中多声源辐射声场数学模型;根据全息面声压计算出包含对流效应的所有等效源源强;
步骤4):提取出对应于实际声源的等效源源强,并确定重建面位置,利用提取出的等效源和自由空间均匀流中NAH进行声场重建,进而得到消除半空间影响且考虑了对流效应的实际声源所产生声场的重建结果。
2.根据权利要求1所述的一种半空间均匀流中声场重建方法,其特征在于:所述的步骤
1)包括以下步骤:
步骤1.1):将潜在的实际声源关于半空间中反射面对称镜像,得到镜像声源及其空间分布信息,将反射声视为镜像声源辐射产生,进而将半空间声场重建问题转换为自由空间多源声场重建问题;
步骤1.2):考虑到反射声也受到流动效应的影响,将实际均匀流关于半空间中反射面对称镜像,得到镜像均匀流,其流速大小和方向与实际均匀流相同,进而将反射声受到流动媒质的影响视为镜像声源受到流动媒质的影响。
3.根据权利要求1所述的一种半空间均匀流中声场重建方法,其特征在于:所述的步骤
2)包括以下步骤:
步骤2.1):根据等效源法的基本思想,即任意形状声源所辐射的声场可以由一系列具有不同源强的等效源所辐射声场的叠加来近似,在实际声源和镜像声源处分别布置等效源,使用若干等效源来等效实际声源和镜像声源,等效源布置方案按照常规的基于等效源法的NAH来进行;
步骤2.2):在实际声源近场选定全息测量面,对全息面进行等距网格划分,并确保全息面网格点数大于或等于实际声源和镜像声源对应等效源的数量之和,以保证等效源源强解的唯一性。
4.根据权利要求1所述的一种半空间均匀流中声场重建方法,其特征在于:所述的步骤
3)包括以下步骤:
步骤3.1):构建均匀流中多声源辐射声场的数学模型,获得全息声压与流动媒质中等效源源强的关系,具体过程如下:建立笛卡尔直角坐标系,假设半空间中反射面位于x‑o‑y平面,媒质沿着平行于反射面的正x方向流动,流动速度以马赫数M表示,则半空间均匀流中全息面上任一网格点r=(x,y,z)处声压可视为对应于实际声源和镜像声源的等效源在自由空间均匀流中辐射声压的叠加,其表达式为:式中,q(rl)表示实际声源的第l个等效源源强,qm(rj)为镜像声源的第j个等效源源强;
L是对应于实际声源的等效源数量,J是对应于镜像声源的等效源数量,推荐取L=J;g(r,rl)为实际声源的第l个等效源到场点r处的自由空间对流传递函数,其表达式为:其中,
gm(r,rj)为镜像声源的第j个等效源到场点r处的自由空间对流传递函数,其表达式与g(r,rl)的表达式相似,只需要将公式(2)、(3)和(4)中下标“l”替换为下标“m”即可;
由于全息面等距划分为多个网格点作为声压采样点,则全息面声压根据(1)式写成矩阵形式为:式中G和Gm分别为由自由空间对流传递函数g(r,rl)和gm(r,rj)构成的声压传递矩阵,P为全息面上包含对流效应的声压向量,Q和Qm分别为由源强q(rl)和qm(rj)组成的向量,上标“T”表示矩阵转置;公式(5)即为均匀流中多声源辐射声场的数学模型,由于声压传递矩阵中考虑了对流效应,因此可以精确地描述流动媒质中声场的传递关系;
步骤3.2):根据全息面声压计算出包含对流效应的所有等效源源强,具体过程如下:根据公式(5)可得包含所有等效源源强的向量:
式中上标“+”表示矩阵的广义逆运算;由于逆矩阵 通常具有病态性质,且全息声压数据不可避免地包含噪声,因此在计算等效源源强时需要采用正则化处理,来抑制求解过程中噪声放大的问题,这里采用Tikhonov正则化方法,则(6)式为:式中,上标“H”表示矩阵的共轭转置,E为单位矩阵,λ为正则化参数,可由广义交叉验证(Generalized Cross Validation,GCV)方法进行自动选择。
5.根据权利要求4所述的一种半空间均匀流中声场重建方法,其特征在于:所述的步骤
4)包括以下步骤:
步骤4.1):提取出对应于实际声源的等效源源强:由公式(7)已计算出包含所有等效源源强的向量 同时根据公式(5)可知,该向量由对应于实际声源的源强向量Q和对应于镜像声源的源强向量Qm组成,因此可以从 中提取出源强向量Q;
步骤4.2):在获得对应于实际声源的源强向量Q后,利用该部分等效源和自由空间均匀流中NAH进行声场重建,选定重建面的位置,对重建面进行等距网格划分,网格点数可根据需要来确定,重建面上任一网格点 处声压的计算表达式为:式中 为实际声源的第l个等效源到重建点 处的自由空间对流传递函数,其表达式为:其中,
由于重建面上划分为多个网格点作为重建点,则重建面上所有重建点声压根据(8)式写成矩阵形式为:Ps=GsQ (12)
式中Ps为重建面上包含对流效应的声压向量,Gs是由自由空间对流传递函数构成的声压传递矩阵;由公式(12)可以看出,重建面声压取决于对应于实际声源的等效源源强向量Q,而与对应于镜像声源的等效源无关,因此重建面声压不包含反射声,实际声源产生的声场得到精确重建,进而可以根据重建面声压实现对实际声源的识别。