基于波疊加方法的聲全息技術(shù)與聲學(xué)靈敏度分析

　　《基于波疊加方法的聲全息技術(shù)與聲學(xué)靈敏度分析》圍繞產(chǎn)品噪聲測(cè)量與控制這一日益受到關(guān)注的課題，開展了關(guān)于近場(chǎng)聲全息技術(shù)（NAH）和聲學(xué)靈敏度分析方面的研究。近場(chǎng)聲全息技術(shù)，誕生于20世紀(jì)80年代初，通過在輻射體的近場(chǎng)測(cè)量聲壓數(shù)據(jù)可以重建和預(yù)測(cè)出整個(gè)三維空間聲場(chǎng)的聲學(xué)量，如聲壓、質(zhì)點(diǎn)振速、聲強(qiáng)以及遠(yuǎn)場(chǎng)指向性等。因其具有此優(yōu)點(diǎn)，近場(chǎng)聲全息技術(shù)迅速地成為一種聲源識(shí)別和聲場(chǎng)可視化的強(qiáng)有力工具。在過去的20多年中，該技術(shù)也取得了很大的發(fā)展，形成的全息變換算法主要有：空間聲場(chǎng)變換（STSF）、邊界元方法（BEM）和Helmholtz方程最小二乘法（HELS）。《基于波疊加方法的聲全息技術(shù)與聲學(xué)靈敏度分析》在實(shí)現(xiàn)和改進(jìn)基于STSF方法的NAH基礎(chǔ)上，提出了空間聲場(chǎng)分離技術(shù)，為克服BEM和HELS方法的缺點(diǎn)，提出可應(yīng)用于內(nèi)、外聲輻射問題分析的基于波疊加方法（WSA）的NAH。而在聲學(xué)靈敏度分析方面，《基于波疊加方法的聲全息技術(shù)與聲學(xué)靈敏度分析》通過對(duì)波疊加公式進(jìn)行關(guān)于設(shè)計(jì)變量的求導(dǎo)，提出基于波疊加方法的三維聲學(xué)靈敏度分析。每章內(nèi)容簡(jiǎn)要概括如下：第1章回顧近場(chǎng)聲全息技術(shù)和聲學(xué)靈敏度分析的發(fā)展歷史，分析了二者的研究現(xiàn)狀和存在的問題，在此基礎(chǔ)上提出了這些問題的解決途徑，確定了《基于波疊加方法的聲全息技術(shù)與聲學(xué)靈敏度分析》的主要研究?jī)?nèi)容。第2章實(shí)現(xiàn)基于STSF的近場(chǎng)聲全息技術(shù)，解決該技術(shù)中的若干關(guān)鍵問題。采用特殊函數(shù)和分離變量法推導(dǎo)出平面、柱面和球面NAH的理論公式，并討論它們的數(shù)值實(shí)現(xiàn)算法，以及全息重建過程中的誤差傳遞。最后，進(jìn)行掃描全息測(cè)量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作，提出一種不需要先驗(yàn)或后驗(yàn)知識(shí)的截止波數(shù)選取方法。第3章提出空間聲場(chǎng)分離技術(shù)，拓寬基于STSF的近場(chǎng)聲全息技術(shù)的使用范圍。從近場(chǎng)聲全息原理出發(fā)，利用聲波沿不同方向傳播的特點(diǎn)，針對(duì)平面、柱面和球面全息測(cè)量建立了波數(shù)域內(nèi)的聲場(chǎng)分離公式。利用聲場(chǎng)分離技術(shù)分離后的全息聲壓，可以不受背景干擾地重建目標(biāo)源面上和聲場(chǎng)中的聲學(xué)參量。第4章給出聲輻射問題的聲學(xué)基礎(chǔ)和定解問題描述，推導(dǎo)出邊界Helmholtz積分方程，隨后給出了邊界Helmholtz積分方程的離散化形式——邊界元方法，以及在離散化實(shí)施過程中存在的問題和相應(yīng)的處理方法。在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出波疊加方法的基本公式，論證了波疊加方法和邊界元方法之間的等價(jià)性關(guān)系，最后給出波疊加方法的實(shí)施過程和精度分析。第5章提出基于波疊加方法的近場(chǎng)聲全息技術(shù)。依據(jù)波疊加積分公式，通過離散化連續(xù)虛源方法來改進(jìn)簡(jiǎn)單源替代方法，并引入混合層勢(shì)理論，建立了一種穩(wěn)健的全波數(shù)空間聲場(chǎng)重構(gòu)技術(shù)。研究聲全息重建過程中的不適定性問題，以及相應(yīng)的正則化策略。通過典型算例和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性，并研究了聲源頻率及虛源位置等對(duì)重構(gòu)精度的影響。第6章推導(dǎo)出腔體內(nèi)聲場(chǎng)計(jì)算的波疊加積分公式，并建立基于wsA的腔體內(nèi)聲全息理論和采用等參插值離散虛源表面的全息實(shí)現(xiàn)方法。通過幾個(gè)典型算例對(duì)腔體內(nèi)全息技術(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明：在采用不同的正則化方法之后，即使采用含有測(cè)量誤差的數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)和預(yù)測(cè)，其計(jì)算結(jié)果與理論值都能吻合得相當(dāng)好，其中采用Tikhonov方法比TSVD方法濾波效果稍好。第7章建立基于波疊加方法的三維聲學(xué)靈敏度分析理論和實(shí)現(xiàn)算法。根據(jù)波疊加方法建立空間點(diǎn)的聲學(xué)量與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)表面上聲學(xué)、位置參量之間的關(guān)系；然后，通過對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的求導(dǎo)可以得到解析的三維聲學(xué)靈敏度計(jì)算公式；最后，通過對(duì)該公式的離散化處理可以得到聲學(xué)靈敏度計(jì)算方程。通過仿真算例，驗(yàn)證了基于波疊加方法進(jìn)行聲學(xué)靈敏度計(jì)算的可行性和有效性。第8章對(duì)全文的研究工作進(jìn)行總結(jié)，并指出了有待進(jìn)一步研究的課題。

　　于飛，合肥工業(yè)大學(xué)博士?，F(xiàn)為博世技術(shù)中心（蘇州）有限公司高級(jí)匹配工程師。主要負(fù)責(zé)制定制動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)試方案，進(jìn)行振動(dòng)／噪聲的臺(tái)架和模擬試驗(yàn)，以及摩擦材料的開發(fā)等工作。同時(shí)，與博世技術(shù)中心（全球）有限公司的NVH研究人員合作，從事新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，以提高制動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)／噪聲性能。攻讀博士學(xué)位期間，參加了包括國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目在內(nèi)的5項(xiàng)國家重大課題的研究，發(fā)表了中英文論文20余篇，多次參加相關(guān)國際會(huì)議和全國博士論壇，并參加了多個(gè)企業(yè)項(xiàng)目的攻堅(jiān)工作，解決了多項(xiàng)技術(shù)難題。