一種基于Rayleigh第二積分的近場聲全息聲場預測方法技術

本發明專利技術涉及一種基于Rayleigh第二積分的近場聲全息聲場預測方法。本發明專利技術首先設定超聲頻率、聲速、介質密度和振速，并確定測量位置坐標和預測位置坐標。然后利用設定的相關參數計算測量位置處聲場。其次構建測量平面H和預測平面S上對應的位置坐標，相鄰坐標間隔須小于預設聲波波長一半，計算滿足對Neumann邊界條件的格林函數。最后利用Rayleigh第二積分公式計算預測位置處聲場分布。本發明專利技術完全消除了“卷繞誤差”對聲場重建精度的影響，有利于提高聲場重建精度。

A near field acoustic holography prediction method based on Rayleigh second integral

The invention relates to a near field acoustic holography sound field prediction method based on Rayleigh second integral. The ultrasonic frequency, the sound speed, the medium density and the vibration velocity are first set up, and the measuring position coordinates and the predicted position coordinates are determined. Then, the measured sound field is calculated by the set of related parameters. Secondly, the corresponding position coordinates of the measurement plane H and the predicted plane S are constructed, and the adjacent coordinate interval must be less than half of the preset acoustic wave length, and the Green function of the Neumann boundary condition is calculated. Finally, the Rayleigh second integral formula is used to calculate the distribution of sound field at the predicted position. The invention completely eliminates the influence of the winding error on the acoustic field reconstruction accuracy, and is favorable for improving the acoustic field reconstruction accuracy.

【技術實現步驟摘要】
一種基于Rayleigh第二積分的近場聲全息聲場預測方法
本專利技術涉及一種聲場預測方法，具體涉及一種基于Rayleigh第二積分的近場聲全息聲場預測方法。
技術介紹
在超聲無損檢測領域，往往需要對聲場分布進行分析研究，尤其是遠場。但是當超聲頻率過高，聲源尺寸越大，使得聲源輻射面增大，從而增大聲場測量工作量。在聲場測量中，通常要求以相對較少的測量點，來獲得精度較高的聲場分布精度。總體來說，均是通過測量近場處的聲壓分布，通過算法推算重建面的聲場分布。基于空間Fourier變換的近場聲全息算法是一種以空間Fourier變換為核心的聲場重建方法，在聲壓分布、聲源指向性分布和聲源表面振速分布等聲學量預測上，得到了極為廣泛的應用。該推算方法是從Helmholtz方程出發，結合Neumann邊界條件，得到正半空間任意位置的聲場分布，通過空間Fourier變換和逆變換，最終實現對重建面聲場重建。由于推算公式中各函數都是連續的，但是在重建面推算過程中只能作離散化處理，并且計算機也只能處理有限長離散信號，因此，通常將聲場重建公式進行離散化處理。這使得參與聲場重建的復聲壓信號是實測復聲壓信號經過周期性復制延拓所得信號。該復聲壓信號即是由居于中心的實測信號和無限多個分布在其周圍“虛像”構成；當該復聲壓信號與上述對應兩邊界條件的空間變換的格林函數進行Fourier逆變換卷積時，上述分布在全息孔徑外的實測信號的“虛像”將被“卷繞”回全息孔徑內參與聲場重建，造成“卷繞誤差”，降低重建精度。
技術實現思路
本專利技術針對現有技術的補足，提供了一種基于Rayleigh第二積分的近場聲全息聲場預測方法。為解決以上問題，本專利技術包括以下步驟：步驟1、設定超聲頻率f、聲速c、介質密度ρ和振速ν。步驟2、確定測量位置坐標zH和預測位置坐標zS。步驟3、利用步驟1和2中設定的相關參數計算測量位置處聲場，以復聲壓p(x',y',zH)表示。步驟4、構建測量平面H和預測平面S上對應的位置坐標，相鄰坐標間隔須小于預設聲波波長一半，用集合H＝{(x,y)|-L'x≤x≤L'x,-L'y≤y≤L'y}和S＝{(x,y)|-Lx≤x≤Lx,-Ly≤y≤Ly}(L'x<Lx,L'y<Ly)表示，其中L'x<Lx,L'y<Ly，L'x表示測量平面H的x坐標軸的上下限，L'y表示測量平面H的y坐標軸的上下限；Lx表示預測平面S的x坐標軸的上下限，Ly表示預測平面S的y坐標軸的上下限。步驟5、利用步驟3構建的坐標，計算滿足對Neumann邊界條件的格林函數。步驟6、利用Rayleigh第二積分公式計算預測位置處聲場分布以復聲壓p(x,y,zS)表示。另外還可以分別計算步驟6計算的復聲壓p(x,y,zS)并與理論計算結果比較，計算相對誤差，以評價該方法的聲場預測精度；同時計算相應的聲壓幅值和相位，用圖像形式顯示幅值和相位分布以便于與理論計算結果進行觀察對比。本專利技術的有益效果在于：本專利技術摒棄了空間Fourier變換的方法，直接求解卷積，以獲得重建面的聲場分布。該種方法完全消除了“卷繞誤差”對聲場重建精度的影響，有利于提高聲場重建精度。本專利技術提出的方法易于實現，只需獲得足夠的近場處復聲壓，構建對應位置的格林函數，即可對待重建聲場進行重建。附圖說明圖1為聲源、測量位置和預測位置示意圖。圖2為聲軸上距聲源60mm測量位置處x軸方向聲壓分布及相位分布。圖3為聲軸上距聲源200mm重建位置處x軸方向聲壓分布及相位分布。圖4為利用Rayleigh第二積分推算的聲軸上距聲源200mm重建位置處x軸方向聲壓分布及相位分布。圖5為聲軸上距聲源500mm重建位置處x軸方向聲壓分布及相位分布。圖6為利用Rayleigh第二積分推算的聲軸上距聲源500mm重建位置處x軸方向聲壓分布及相位分布。圖7為聲軸上距聲源60mm測量位置處y軸方向聲壓分布及相位分布。圖8為聲軸上距聲源200mm重建位置處y軸方向聲壓分布及相位分布。圖9為利用Rayleigh第二積分推算的聲軸上距聲源200mm重建位置處y軸方向聲壓分布及相位分布。圖10為聲軸上距聲源500mm重建位置處y軸方向聲壓分布及相位分布。圖11為利用Rayleigh第二積分推算的聲軸上距聲源500mm重建位置處y軸方向聲壓分布及相位分布。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術作進一步的說明。由于基于空間Fourier變換的近場聲全息方法存在卷繞誤差，降低聲場重建精度。因此，本專利技術提出了一種無需進行Fourier變換求解卷積的聲場重加推算方法——Rayleigh第二積分公式，進行聲場重建。Rayleigh第二積分公式是Helmholtz方程解的線性組合，其形式為：式中，p(x',y',zS)為近場處實測復聲壓信號，g(x-x',y-y',zH-zS)為滿足對Neumann邊界條件的格林函數。明顯地，Rayleigh第二積分是一卷積積分，而基于空間Fourier變換的近場聲全息方法，也是基于此公式，僅僅是在求解卷積時，所采用的是空間Fourier變換方法。本專利技術利用MATLAB作為聲場的仿真工具，聲學條件為：聲源為一四陣元矩形陣列，各陣元中心間距為20mm，陣元長為120mm，寬度為5mm；超聲頻率為1.8MHZ；測量位置距聲源60mm；聲場重建位置距聲源200mm和500mm，如圖1所示。為減少工作量，僅進行聲源長度方向(x軸方向)和寬度方向(y軸方向)一維的聲場重建。圖2所示為通過理論計算得到的聲軸上距聲源60mm測量位置處x軸方向經歸一化的聲壓分布及相位分布，可觀察到其聲壓分布在-0.04～0.04范圍內出現4個帶寬為0.02m的主瓣，主瓣對應相位分布起伏較小，在主瓣之間的相位起伏較大。圖3所示為通過理論計算得到的聲軸上距聲源200mm重建位置處x軸方向經歸一化的聲壓分布及相位分布，聲壓衰減3dB對應帶寬為0.08m，此帶寬范圍聲壓無明顯主瓣，出現9個旁瓣，分布較為均勻，所對應相位分布也較為均勻，起伏較小。圖4所示為利用Rayleigh第二積分推算的聲軸上距聲源200mm重建位置處x軸方向經歸一化的聲壓分布及相位分布。與圖3所示的理論計算相比，此時的重建誤差為7.992％，通過推算的聲壓分布與理論計算基本吻合，僅僅是在相位分布上，存在極小的偏差，這也是導致，存在重建誤差的原因。圖5所示為通過理論計算得到的聲軸上距聲源500mm重建位置處x軸方向經歸一化的聲壓分布及相位分布，聲壓衰減3dB的帶寬范圍內出現5個旁瓣，相對200mm重建位置處旁瓣減少，但旁瓣寬度增大，相鄰旁瓣之間的過度區域增大，旁瓣對應相位分布更為均勻，總體相位分布稀疏。圖6所示為利用Rayleigh第二積分推算的聲軸上距聲源500mm重建位置處x軸方向經歸一化的聲壓分布及相位分布。與圖5所示的理論計算相比，此時的重建誤差為6.993％，歸一化聲壓分布與理論計算相一致，僅僅是在相位分布上，存在極小的偏差，主要集中體現在旁瓣區域，相位有所浮動。圖7所示為通過理論計算得到的聲軸上距聲源60mm測量位置處y軸方向經歸一化的聲壓分布及相位分布，可觀察到其聲壓分布衰減3dB對應寬度為0.12m，大致為聲源長度，在此帶寬分為內無明顯主瓣和旁瓣，聲壓分布均勻，僅出現極小浮動，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于Rayleigh第二積分的近場聲全息聲場預測方法，其特征在于該方法包括以下步驟：步驟1、設定超聲頻率、聲速、介質密度和振速；步驟2、確定測量位置坐標z

【技術特征摘要】
1.一種基于Rayleigh第二積分的近場聲全息聲場預測方法，其特征在于該方法包括以下步驟：步驟1、設定超聲頻率、聲速、介質密度和振速；步驟2、確定測量位置坐標zH和預測位置坐標zS；步驟3、利用步驟1、2中設定的相關參數計算測量位置處聲場，以復聲壓p(x',y',zH)表示；步驟4、構建測量平面H和預測平面S上對應的位置坐標，相鄰坐標間隔須小于預設聲波波長一半，用集合H＝{(x,y)|-L'x≤x≤L'x,-L'y≤y≤L'y}和S＝{(x,y)|-Lx≤x≤Lx,-Ly≤y≤Ly}表示，其中L'x<Lx,L'y<Ly，L'x表示測量平面H的x坐標軸的上下限，L'y表示測量平面H的y坐標軸的上下限；Lx表示預測平面S的x坐標軸的上下限，L...

【專利技術屬性】
技術研發人員：熊久鵬，趙鵬，王月兵，郭世旭，曹永剛，鄭慧峰，
申請(專利權)人：中國計量大學，
類型：發明
國別省市：浙江,33