基于二次非线性自积的噪声源聚焦成像研究

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舰船在航行过程中向外辐射的噪声会影响其舒适性和隐蔽性,对舰船进行减振降噪处理的关键在于确定噪声源位置和辐射特性。在工程实际中,可以利用阵列所测得的噪声源正向传播声场,然后基于特定的相位共扼算法完成声场的反向传播计算,实现噪声源的聚焦和成像,此过程称为相位共轭法聚焦声源。然而该方法进行噪声源成像的聚焦能力受到二分之一波长声波衍射极限的限制,特别是对于低频噪声源的聚焦,频率越低波长越长,相应的聚焦成像尺寸就越大,不利于获得精确的噪声源位置。现有的相位共轭方法基本上都是基于传声器测量的频带内声压信号进行声源聚焦,然而研究发现,通过同一空间位置处,两个不同频率声压幅值的和频自积可以模拟频带外高频声场信息。所以,受自积在波束形成法中成功应用地启发,本文针对相位共轭法聚焦声源时的上述问题,以提高成像分辨率为目的,引入了常规相位共轭法的改进方法:自积相位共轭法,即基于和频自积得到的频带外高频声场利用相位共轭法进行声源聚焦,以实现更高分辨率的声源成像。论文的主要研究内容如下:(1)阐述了二次非线性自积的基本理论,然后基于常规相位共轭法,引入了自积相位共轭法。在常规相位共轭阵列PC/M、PC/D和PC/P基础上,给出了自积相位共轭阵列AP?(PC/M)、AP?(PC/D)和AP?(PC/P)的计算式,介绍了三种自积收发形式产生的声场及它们之间的关系。通过对不同收发形式常规和自积相位共轭阵列近场聚焦分辨率的理论分析,得出基于自积相位共轭阵列聚焦可以缩小焦点尺寸以提高成像分辨率,且基于AP?(PC/D)的焦点尺寸最小的结论,理论分析结果对自积相位共轭法的有效性进行了验证。(2)基于常规相位共轭声场和自积相位共轭声场计算式,采用不同参数的阵列进行了自由空间中一维单、双点声源和二维平板声源聚焦成像的数值仿真,比较了常规相位共轭法和自积相位共轭法的声源聚焦成像效果。计算结果表明:基于自积相位共轭阵列聚焦的单点声源半峰宽度均窄于相对应的基于常规相位共轭聚焦,并且无明显旁瓣出现,聚焦效果更好;阵列距离声源0.1l时,AP?(PC/M)能聚焦出声源间距0.4l下两声源,而A P?(PC/D)在声源间距0.1l时仍可以聚焦到两个声源,但PC/M和PC/D阵列在相应的声源间距下均失效;基于AP?(PC/M)和AP?(PC/D)进行平板声源聚焦可以识别出较为准确的平板表面声压分布,计算结果能较清晰地反映出平板在激励作用下的辐射声压分布形式,且基于AP?(PC/D)聚焦能够获得更优的声源成像效果。上述数值仿真结果与近场聚焦分辨率的理论分析结果一致,且进一步验证了自积相位共轭法提高成像分辨率的有效性。同时在讨论阵列参数对声源聚焦效果的影响时发现,基于自积相位共轭聚焦的最优阵元间距是基于常规相位共轭聚焦的二分之一,说明基于和频自积得到的倍频声场利用自积相位共轭方法进行声源的聚焦成像时,相应的声波波长缩小一倍,对应测量阵列的阵元间距也应当减小一倍以匹配波长的变化,这验证了和频自积能得到带外倍频声场的准确性。
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