復雜聲場環境下目標聲源聲場重建誤差分析

張詩科，朱海潮，謝志敏，毛榮富

（1.海軍工程大學 振動與噪聲研究所，武漢 430033；2.船舶振動噪聲重點實驗室，武漢 430033；3.解放軍海洋環境專項辦公室，北京 100081）

復雜聲場環境下目標聲源聲場重建誤差分析

張詩科1，2，朱海潮1，2，謝志敏3，毛榮富1，2

（1.海軍工程大學 振動與噪聲研究所，武漢 430033；2.船舶振動噪聲重點實驗室，武漢 430033；3.解放軍海洋環境專項辦公室，北京 100081）

針對目標聲源在復雜聲場環境下進行聲場重建易受到其它聲源干擾的問題，提出存在干擾源聲場、散射聲場及目標聲源聲場的混合聲場環境下基于單面聲場分離技術的目標聲源聲場分離及重建方法。首先，通過理論分析和公式推導，清除干擾源聲場及散射聲場的影響；然后，利用傳遞函數性質對聲場分離及重建誤差進行分析，并對計算公式中存在的奇異性問題予以消除，得到高分辨率的聲場重建圖像。數值仿真表明：利用常規的單面聲場分離技術很難重建混合聲場環境下目標聲源的聲場，而利用本文研究的聲場分離及重建方法能夠很好反映目標聲源聲場的實際情況，提高聲場重建的精度。

聲學；聲全息；復雜聲場；聲場重建；誤差分析

近場聲全息（near-fieldacousticholography，NAH）技術研究日趨成熟，在噪聲源識別定位、聲場預測和可視化方面得到廣泛關注。但是，近場聲全息技術對試驗條件要求較高，聲源必須位于測量面同側，測量面另一側為自由場，而實際的測量環境比較復雜，很難滿足一側為自由場，要想實現目標聲源的聲場重建，就需要在非自由聲場環境下對近場聲全息技術進行研究。在不需要預知聲源位置信息的情況下，通常采用聲場分離技術作為非自由場環境下去除全息面背側干擾源影響的前處理技術。

目前在非自由聲場環境下聲場分離技術的應用研究中形成了基于空間聲場變換理論、邊界元法、波疊加法、統計最優法等多種算法聲場分離技術。在測量面的選取上又有單面聲場分離技術和雙面聲場分離技術之分。于飛、陳劍等針對平面和柱面測量面，利用波數域內的聲場外推理論及聲壓的標量疊加理論，構造了雙全息面的聲場分離公式［1-2］；利用波數域內的歐拉公式及粒子振速的矢量疊加理論，構造了單全息面的聲場分離公式，克服了近場聲全息和基于聲強測量的寬帶聲全息的應用局限［3］。Wu等利用球面波在徑向上體現梯度變化的信息，提出了混合近場聲全息技術［4］，但在球面波最優截止階數選取上仍需要增加一個輔助面，實際測量中需要兩個測量面。畢傳興等提出基于質點振速的雙面聲場分離技術，在近場聲全息聲場重建中取得很好的效果［5］。畢傳興、張永斌等基于歐拉方程及有限差分近似，推導了單面聲場分離技術的近場聲全息理論公式［6］，并用實驗檢驗了在有干擾源的情況下實現聲場分離及重建的有效性，同時又將聲場分離技術和Patch NAH進行了結合，對非自由聲場環境下局部近場聲全息進行了研究［7］。

在強干擾源的聲場環境下，干擾聲源在目標聲源表面產生的散射效應明顯，實際的測量環境變得更為復雜，此時的聲場環境應包含目標聲源的聲場、干擾源產生的聲場及散射聲場。以上基于不同算法或不同測量面的聲場分離技術的研究是在目標聲源聲場及干擾源聲場環境下進行的，剔除干擾源聲場的影響能夠提高目標聲源聲場的重建精度。但是，目標聲源的聲場分離及重建時只考慮干擾源聲場而忽視散射聲場的影響，會給目標聲源聲場的分離及重建帶來很大的誤差，尤其在散射聲場影響較為明顯時，會導致目標源聲場分離及重建的失敗。所以，在實際復雜的聲場環境下實現目標源聲場的重建，不得不同時剔除干擾源聲場及散射聲場的影響。本文對復雜聲場環境下基于單面聲場分離技術的平面NAH理論進行了深入研究，推導存在干擾源聲場、散射聲場及目標源聲場的混合聲場環境下目標源聲場分離及重建公式，同時剔除了干擾源聲場及散射聲場的影響，從傳遞函數性質對復雜聲場環境下目標聲源聲場分離及重建誤差進行分析，對推導公式中存在的奇異性問題進行分析并用1/kz因子平均值法及K空間積分法予以消除，同時采用濾波器對噪聲信號進行處理，有效提高了重建精度，最后通過數值仿真對研究理論進行了驗證。

1　理論研究

在平面z=zS的Dirichlet邊界條件和Neumann邊界條件下，波數域內聲源面的聲場重建公式［8］

當zH-zS=0時，即在同一平面上法向質點振速與聲壓的關系如下

圖1　單全息面與聲源的空間位置關系圖

如圖1所示，在復雜聲場環境下，全息面上測量得到的聲壓和質點振速由目標聲源產生的聲場、干擾源產生的聲場以及干擾源在目標聲源表面產生的散射聲場三部分組成。以全息面中心為坐標原點建立空間直角坐標系，可以得到

當散射效應顯著時，要實現目標聲源的聲場重建必須考慮散射聲場的影響，徹底剔除干擾聲源的影響［9］。測量面上的散射聲可通過反射系數作為邊界條件求出［10］，從而可得到與）的關系，即

式中Cr（kx，ky，zH）是目標聲源表面材料的復平面波反射系數［11］。

將式（10）、式（11）代入式（8）、式（9）可得

由式（7）聲壓和質點振速之間的關系可得

由上式即可得到目標聲源在全息面上的聲壓和法向質點振速，分別將式（16）、式（17）代入式（5）、式（6）可重建聲源面上聲壓和質點振速，即

式（18）、式（19）用全息面上的法向振速重建聲源面上的法向振速，全息面上的聲壓重建聲源面上的聲壓。

由式（7）對式（18）、式（19）進行變換可得

式（20）、式（21）用全息面上的法向振速重建聲源面上的聲壓，全息面上的聲壓重建聲源面上的振速。

對式（18）、式（19）、式（20）、式（21）進行Fourier反變換即可得到重建面上的目標聲源的聲壓和質點振速。

2　數值仿真與誤差分析

2.1傳遞函數性質的影響分析

圖2是不同頻率Kx（Ky=0）下傳遞函數G1G2的幅值，隨著頻率增大輻射圓半徑逐漸增大，輻射圓內變化比較平緩，輻射圓外隨|kx|增大G1G2值逐漸增大且頻率越小增加越快。若用聲壓重建法向振速，信噪比如果過小，則在高波數區域倐逝波及噪聲成分會被G1G2放大，從而導致目標聲源聲場重建失敗，且頻率越小放大倍數越大，重建精度越低，所以需要對聲壓進行消噪處理，從而提高目標聲源的聲場的重建精度。

圖2　不同頻率下傳遞函數G1G2幅值

圖3是不同頻Kx（Ky=0）下傳遞函數的幅值，傳遞函數在輻射圓上具有奇異性，且頻率越高，奇異性越明顯，可通過求1/Kz因子的平均值方法來消除奇異性的影響［12］，如圖4所示。

圖3　不同頻率下傳遞函數幅值

圖4　基于K空間抽樣法與平均值法的幅值

輻射圓上的奇異性得到有效消除。由圖5可以看出，K空間積分法相比于K空間抽樣法能夠消除聲場重建過程中輻射圓上的奇異性，但是在高波數區域幅值快速增大，輻射噪聲成分也會被放大，若用式（20）進行聲場重建，會造成很大的重建誤差。因此需要在高波數域進行濾波處理，避免將噪聲誤差放大。對于信號的消噪可采用文獻［13］中提到的濾波器及運用能量法估算信噪比進而選取截止波數的方法予以處理。

2.2不同聲源的數值仿真

仿真中選取受激勵的簡支鋼板作為目標聲源，脈動球作為干擾聲源。簡支平板參數如下：平板尺寸為0.8 m×0.8 m，厚度為0.008 m，楊氏模量E為2× 1011Pa，泊松比υ取0.28，密度 ρ為7 800 kg/m3。剛性脈動球半徑為0.01 m，振動速度為0.08 m/s。取鋼板左下角為坐標原點，在點（0.125、0.125）處采用單頻激勵，激勵力頻率為600 Hz。脈動小球位于點（0.1、0.1、0.5）處，激勵頻率與板保持一致。仿真中假設鋼板表面是剛性邊界，則脈動球在鋼板表面產生的散射聲場相當于在（0.1、0.1、-0.5）處相同的脈動小球產生的聲場。

圖5　K空間抽樣法與積分法的?幅值

測量面位于zH=0.05 m的平面上，采樣間隔在x和y方向上均為s=0.05 m，采樣點數32×32且重建時對聲壓及質點振速數據補零，以消除FFT算法的使用而產生的卷繞誤差和小測量孔徑帶來的吉布斯效應，重建面位于zS=0.02 m的平面上，測量面上聲壓和質點振速由鋼板和脈動小球共同產生。為使仿真情況更接近實際測量環境的情況，對測量面的聲壓數據加入信噪比為50的隨機白噪聲。

聲壓和質點振速重建誤差分別為

式中p1c、v1c分別表示重建的聲壓和質點振速，p1s、v1s分別表示對應的理論值。

圖6至圖11給出了600 Hz時，復雜聲場環境下利用基于聲壓—質點振速測量的聲場分離技術的平面NAH理論重建鋼板的輻射聲壓及質點振速與理論值比較的圖像。

其中，圖6和圖9表示忽略散射時重建源面的聲壓幅值及質點振速幅值，圖7和圖10表示重建源面的理論聲壓幅值及質點振速幅值，圖8和圖11表示剔除散射時重建源面的聲壓幅值及質點振速幅值。從圖中可以看出剔除散射重建聲場比忽略散射重建聲場更能反映目標源聲場的真實情況。

圖6　忽略散射重建源面聲壓幅值

圖7　重建源面理論聲壓幅值

圖8　剔除散射重建源面聲壓幅值

圖9　忽略散射重建源面振速幅值

圖10　重建源面理論振速幅值

圖11　剔除散射重建源面振速幅值

忽略散射時，由式（19）基于質點振速—質點振速的重建誤差為91.52%；剔除散射時，由式（19）基于質點振速—質點振速的重建誤差為8.13%。忽略散射時，由式（18）基于聲壓—聲壓的重建誤差為105.23%；剔除散射時，由式（18）基于聲壓—聲壓的重建誤差為25.74%。剔除散射時基于聲壓—聲壓的重建誤差之所以較大是由于當平板為剛性面時，由式（17）可得

由聲場中某位置的聲阻抗率的定義可知

對平面波的情況，平面聲波的聲阻抗率為

因此，在平面聲場中，各位置的聲阻抗特性是一個固定的實數，只有被研究聲源的聲阻抗特性Zs≈ρ0c0時，才能保證聲場重建的精度［12］。G1圖像可知，G1是變化的值，并不是一個固定的實數值，所以在聲壓重建振速或振速重建聲壓的聲場重建過程中，由G1的性質分析可知PΙ（kx，ky，zH）存在較大的分離誤差，故對聲壓進一步重建時依然會存在較大的誤差。由此可得，基于聲壓—聲壓的重建誤差小于基于質點振速—聲壓的重建誤差，基于質點振速—質點振速的重建誤差小于基于聲壓—質點振速的重建誤差，基于質點振速—質點振速的重建誤差要小于基于聲壓—聲壓的重建誤差。

圖12為不同頻率下基于聲壓—聲壓重建的誤差曲線圖，圖13表示不同頻率下基于質點振速—質點振速重建的誤差曲線圖。我們可以看出在不同的激勵頻率下，剔除散射的重建誤差要明顯小于忽略散射的重建誤差，所以在聲場分離時必須考慮散射聲場的影響，將散射聲場從目標源聲場中剔除以減小目標聲源的重建誤差。進一步觀察可以得出基于質點振速—質點振速的重建誤差要小于基于聲壓—聲壓的重建誤差，隨著激勵頻率的增大重建誤差有增大趨勢，這是由于激勵頻率增大波長變短，在測量面位置不變的情況下獲得的有用的聲場信息減少，從而導致重建誤差增大。

圖12　不同頻率下聲壓重建誤差曲線圖

圖13　不同頻率下振速重建誤差曲線圖

圖14　不同重建距離誤差曲線圖

圖14表示的是600 Hz時基于質點振速—質點振速的不同重建距離誤差曲線圖。

隨著重建距離增大，重建誤差也逐漸增大，其原因是由于隨著測量面距離增大倐逝波的信息獲取減少所致［13］。

3　結語

（1）由傳遞函數性質分析可知，在信噪比較小的情況下，由于高波數區域的噪聲成分在計算過程中被放大從而導致有用信息被淹沒，所以很容易會導致目標源聲場分離及重建的失敗，此時需要濾波器進行消噪處理。由于計算中存在的奇異性問題，采用K空間抽樣法會造成很大的誤差，而采用K空間積分法及平均值法則能夠改善輻射圓上的奇異性問題，降低重建誤差。隨著重建距離的增大，獲取的有用的聲場信息減少且由于重建距離越大高波數區域的噪聲放大倍數越大，從而造成重建誤差增大。

（2）數值仿真表明，在復雜聲場環境下運用常規的單面聲場分離技術忽略散射聲場的影響很難分離及重建目標聲源的聲場，而運用本文研究的理論同時剔除散射聲場及干擾源聲場的影響后大大提高了目標聲源聲場的重建精度。在復雜聲場環境下基于質點振速—質點振速的重建效果優于基于聲壓—聲壓振速的重建效果，重建誤差隨重建距離增大而增大。

［1］于飛，陳劍，陳心昭.雙全息面聲場分離技術及其在近場聲全息中的應用［J］.聲學學報，2003，28（5）：385-389.

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［6］畢傳興，張永斌，徐亮，等.基于聲壓-振速測量的平面近場聲全息實驗研究［J］.物理學報，2010，59（2）：1108-1115.

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［13］陳心昭，畢傳興.近場聲全息技術及其應用［M］.北京：科學出版社，2013.

Reconstruction Errors of Sound Fields of Target Sound Sources under Complex Sound Field Environment

ZHANG Shi-ke1，2，ZHU Hai-chao1，2，XIE Zhi-min3，MAO Rong-fu1，2
（1.Institute of Noise and Vibration，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；2.National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise，Wuhan 430033，China；3.Marine Environment Project Office of PLA，Beijing 100081，China）

Aiming at the problem that sound field reconstruction of target sound sources can be disturbed easily，a new separation and reconstruction calculation method of the target sound sources based on single-side sound-field separation technique is presented under mixed sound field environment.This mixed sound field consists of interference source sound field，scattering sound field and target sound field itself.First of all，the influence of the interference sound source field and the scattering sound field is cleared by theoretical analysis and formula deduction.Then，the separation and reconstruction errors of the sound field are analyzed by using transfer function property and the singularity in the calculation formula is eliminated.Finally，the high resolution sound field reconstruction image is obtained.Numerical simulation shows that the conventional single surface sound field separation technique can hardly reconstruct the sound field of the target sound source under the mixed sound field environment.While the sound field of the target sound source can be reconstructed very well by using the proposed separation and reconstruction method.And the accuracy of the sound field reconstruction is improved.

acoustics；acoustic holography；complex sound field；reconstruction of sound field；error analysis

TB532

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.05.005

1006-1355（2016）05-0021-05+45

2016-03-28

張詩科（1990-），男，山東省菏澤市人，碩士生，主要研究方向為振動與噪聲控制。E-mail:15527973386@163.com

朱海潮（1963-），男，博士生導師。E-mail:haiczhu@163.com