非自由声场环境下的声场分离理论与声源识别方法研究

由于实际声场环境中会存在干扰源、墙面或其他固定设备的反射、散射等因素的影响，无法满足自由声场条件，采用常规的近场声全息方法无法准确识别声源。因此，需要有一种分离方法能够有效提取目标声源辐射声场。现有的声场分离方法虽各有优势，但均存在一些不足之处：或是要求预知声源几何信息，或是对测量面形状有限制，或是计算精度和效率较低。本课题拟在前期对等效源法、声场分离技术和近场声全息技术研究的基础上，提出采用等效源法实现声场分离，并对基于双面声压测量的分离方法、基于单面声压和速度测量的分离方法、散射效应的消除、测量参数的选取、测量误差的控制以及该技术在非自由声场环境下的近场声全息中的应用等问题展开研究；在完善理论的基础上，研制出相应的测量分析设备，开展实验研究。该项目研究成果有望解决现有声场分离方法所存在的问题，为近场声全息技术的实际工程应用扫除一大障碍，对近场声全息技术的进一步推广具有重要的意义。

本项目针对实际声场环境中存在反射、散射等影响而无法满足自由声场条件的问题，提出了基于等效源法的单面和双面声场分离方法，解决了已有声场分离方法在适应性、计算速度和计算精度上存在矛盾的问题；采用该方法，可以实现非自由声场中来自全息面两侧声波的分离，从而可以克服背向干扰源的影响，使近场声全息技术可以更加广泛地应用于实际工程。基于上述分离方法，提出了一种新型的自由场还原技术，可以进一步剔除入射声在声源表面产生的散射声影响，使现场测量环境如同自由声场测量环境；同时还对各参数和测量误差的敏感性进行了详细地分析，给出了有效的参数选取和误差控制方法。此外，还对大尺寸结构声源内部声场重建方法、瞬态声场重建方法、瞬态声场的分离方法进行了探索性研究，取得了阶段性成果。在上述理论研究和前期研制的近场声全息测量分析系统的基础上，进一步开发了声场分离测量分析功能，并研制了全自动扫描装置、扫描测量阵列等。研究成果已在实际工程中得到检验，成功用于汽车车内、挖掘机、矿用重型自卸车等噪声源识别，为实际噪声问题的解决提供了直观快速有效的分析手段。经过三年的研究，已完成了预期的各项内容和指标：共发表论文29篇，其中在声学领域国际上最权威刊物JASA上发表4篇，被SCI和EI收录各10篇，在国际会议上宣读论文6篇；获国家发明专利授权5项，受理1项；培养了博士生5名(3人已获学位)，硕士生9名(7人已获学位)；项目负责人获得第十一届安徽省青年科技奖和第一届中国振动工程学会青年科技奖，并被聘为合肥工业大学“黄山学者”特聘教授、第七届《振动与冲击》期刊编委会编委、中国振动工程学会振动与噪声控制分会委员以及安徽省振动工程学会秘书长；项目组成员张永斌获上银优秀机械博士论文奖佳作奖，还有2篇博士学位论文获合肥工业大学优秀博士学位论文一等奖，1人获合肥工业大学“十大科技标兵”称号。项目执行期间，还进行了丰富多彩的国际和国内学术交流活动，累计参加国际学术会议5人次，参加国内会议6人次，共同组织省级学术交流会2次，项目负责人赴美国普度大学和法国勒芒大学分别交流1年和1个月，项目组成员张小正赴法国勒芒大学交流1年，并邀请了法国勒芒大学Jean-Hugh Thomas教授来课题组交流1周。