基于Kalman滤波的实时近场声全息测振技术研究

Measurement of the structural surface vibration in a non-contact, full-field and real-time way, is helpful to real-time monitor the overall vibration behavior of structure. Therefore, this kind of measurement can be applied to analyze the vibration characteristics and the reliability of transient excited structure, and to on-line monitor the status of the running industrial equipments for real-time predicting their faults. Differing from the measurement technology with the electromechanical transducers and that based on the optical mechanism, the technology based on the real-time nearfield acoustic holography with the Kalman filter is proposed in the project. The proposed technology not only fulfills the non-contact and full-field measurement of vibration, but also performs the real-time measurement in an efficient and accurate manner. Moreover, the approach of real-time removing the background noise and that of appropriately choosing the number of microphones, are developed to extend the application of the proposed technology in the non-anechoic environment and to reduce the measurement cost, respectively. On the basis of the theoretical studies, a measuring and analyzing system is further developed and utilized for experimental studies. The studies in this project are expected to solve the problems of poor real-time performance and low calculating accuracy in current time domain nearfield acoustic holography, and to provide an efficient, accurate and practical means of real-time measuring the structural surface vibration.

结构表面振动的非接触、全场、实时测量可以实现对结构整体振动特性的实时动态监测，因而在瞬态激励下的结构表面振动特性分析和可靠性分析、工业设备运行状态在线监测和故障实时预报等方面有着重要的应用。不同于机电式传感器测振技术和光学测振技术，本项目拟提出一种基于Kalman滤波的实时近场声全息测振技术，该技术不仅能实现结构表面振动的非接触全场测量，而且能实现高效且精确的实时测量。此外为拓展该技术在非消声环境中的应用以及降低该技术的测量成本，本项目拟提出相应的背景噪声实时消除方法和传声器优化配置方法，以增强该技术在实际工程中的适用性。基于以上理论，研制相应的测量分析系统，开展实验研究。该项目研究成果不仅有望解决现有时域近场声全息算法实时性差、计算精度低等问题，而且将为结构表面振动的非接触全场实时测量提供一种高效、精确且实用的测量手段。

鉴于传统的接触式振动测量方法会给测量点附加额外的质量，非接触式的激光测量方法无法实现结构瞬态振动的全场测量，而频域近场声全息无法实现结构瞬态振动的实时测量这些问题，本项目提出了基于时域近场声全息的结构表面振动非接触、全场、实时测量方法，以实现对结构整体振动特性的实时动态监测。首先推导了声压–振速脉冲响应函数和声压–加速度脉冲响应函数；然后基于声压–振速脉冲响应函数建立实时近场声全息方法，实现了结构表面振速的非接触全场实时测量，基于声压–加速度脉冲响应函数建立时域平面波叠加法，实现了结构表面加速度的非接触全场实时测量；为使上述两种方法能够用于工业现场环境，建立了基于单面声压-振速测量的实时声场分离方法以去除背景干扰声的影响，将该分离方法作为上述两种全息方法的前处理手段，即可实现工业现场环境下结构表面振动的非接触全场实时测量；进一步对用于全息面插值的时域等效源法展开了深入研究，特别是对制约其有效应用的非稳定性问题进行了深入分析，提出了多步求解的非稳定性控制方法，利用改进后的时域等效源法计算插值点处的声压，即可实现全息面数据的实时精确插值；最后基于所提出的理论方法研制了测量分析系统，成功应用于实际结构表面的振动测量。本项目研究成果为结构表面振动情况的非接触观测提供了新的技术手段，进而可为瞬态激励下的结构表面振动特性分析和结构可靠性分析、工业设备运行状态在线监测和故障实时预报等研究提供重要的数据支持和技术保障。在本项目资助下已在国际权威刊物和国际学术会议上发表论文12篇，其中被SCI收录8篇，EI收录11篇，项目负责人以第一作者/通讯作者身份发表SCI论文5篇；申请国家发明专利1项；本项目研究成果作为“复杂条件下的近场声全息理论与方法研究”的重要组成部分，获得教育部2017年度高等学校科学研究自然科学奖二等奖，项目负责人排名第三；协助培养博士生3名，其中2名已获博士学位，培养硕士生2名，均已获硕士学位。