任意边界条件下半空间近场声全息技术研究

The half-space near-field acoustical holography (NAH) based on the equivalent source method is able to reconstruct the sound field above an impedance plane efficiently and accurately. However, the two models involved in it, D-ESM and I-ESM, have some problems: D-ESM is based on the exact half-space Green’s function, and uses the boundary element method to compute the integral term, thus the reconstructed results are rather good but the computation is very time-consuming; besides, this model cannot be applied in the case when the reflecting material is non-locally reactive behavior (NLRB); though I-ESM can reconstruct the half-space sound field without any boundary information, it cannot give a stable reconstruction accuracy. This project intends to introduce the complex-image model to D-ESM in order to reduce the computation cost by using the discrete complex-image method; try to apply the half-space Green’s function used for NLRB material into D-ESM and to reconstruct the half-space sound field above a NLRB material by using finite element method; and explore the layout of equivalent sources replacing the reflecting sound, and finally a principle of the equivalent source layout special for half-space sound field is to be built to obtain a stable reconstruction accuracy of I-ESM. Above all, this project aims at improving the half-space NAH with arbitrary boundary condition, and examining the validity and accuracy of the proposed models and principle.

基于等效源法（ESM）的半空间近场声全息技术（NAH）可以精确有效重建半空间声场，但该技术的两个模型D-ESM和I-ESM都存在不足和缺陷：D-ESM基于精确半空间格林函数，采用边界元法进行积分计算，在获取高精度的同时也导致计算效率低，且该模型无法用于边界面材料为“非局部响应”（NLRB）的情况；I-ESM虽然不需要任何边界条件，但其重建精度不稳定。本项目将复像模型引入D-ESM中，采用离散复像方法求解半空间声场，提高计算效率；将用于NLRB材料的半空间格林函数引入D-ESM中，并采用有限元方法完成积分计算，以重建NLRB材料形成的半空间声场；研究I-ESM中边界面反射声的等效源配置，建立一个特有的等效源配置设计准则，以稳定I-ESM的半空间声场重建精度。总之，本项目旨在完善任意阻抗边界条件下半空间NAH技术体系，并通过仿真和实验测试检验所建立模型和准则的有效性和准确性。

基于等效源法（ESM）的半空间近场声全息（NAH）技术可以精确有效重建半空间声场，但该技术的两个模型D-ESM和I-ESM都存在不足和缺陷。首先针对I-ESM计算精度高度依赖于等效源配置而反射声等效源配置尚无可循的配置准则问题，项目通过研究反射声等效源位置、覆盖区域、分布间隔等对半空间声场重建精度的影响，优化了适用于半空间声场的等效源配置方案，并通过数值仿真和实验研究验证了该方案的有效性和优越性，同时证明了采用该等效源配置方案确实可保证I-ESM提供更高更稳定的半空间声场重建精度。.其次，在完善D-ESM技术模型的过程中，有一系列新发现和新问题，加上D-ESM本身受限于边界条件，与项目研究任意边界条件下半空间NAH技术的初衷有所偏离，故而对研究内容进行了调整。项目试图将三维质点振速测量和声场分离技术相结合，并将其引入半空间NAH技术，以摆脱对边界条件的依赖性，探索真正适用于任意边界条件下的半空间NAH技术。基于该研究思想，项目现阶段主要开展了一系列质点振速及其传感器应用于NAH技术的研究，主要包括：采用NAH技术对三维质点振速传感器的灵敏度进行测量标定，在没有任何特殊声源或声学设备的前提下，同时实现三维声阻抗的估算，从而获取三个方向质点振速传感器的灵敏度，并通过实验验证了该方法的有效性和准确性；将质点振速参考替代声压参考引入部分场分解方法，建立了基于质点振速参考的部分场分解模型，以解决声场的非完全相干性问题，并通过数值仿真和实验验证了该模型的准确性和优越性。这些技术成果将为后续进一步研究任意边界条件下半空间声场NAH技术奠定基础。在本项目资助下，已在国内外学术期刊发表论文7篇，其中SCI收录2篇，EI收录3篇，另有2篇论文在审；申请授权发明专利7项；出版学术专著1部；培养硕士研究生2名，均已获得硕士学位。