基于近場聲全息的水下輻射聲場可視化方法與實現(xiàn)

，，

(海軍工程大學 船舶與動力學院，武漢 430033)

大型水下結(jié)構(gòu)體的振動聲輻射水平是其進行設計與檢修的一項重要依據(jù)。當前振動輻射聲場測試主要采用傳統(tǒng)的聲壓測試技術(shù)[1]，可在一定程度上反映其噪聲水平，但耗資大、測試周期長、可重復性差，測試精度和準確性也不高，當振動源體積較大、結(jié)構(gòu)較復雜以及輻射聲場范圍較大時可操作性更差。近場聲全息[2-3]作為一種新的測量手段，降低了測試實施難度，并且實施條件穩(wěn)定、可重復性高，無論對空氣還是水下大型結(jié)構(gòu)體的振動或聲輻射特性的研究，都是一種非常有效的方法[4]。

測量將產(chǎn)生龐雜的數(shù)據(jù)，也意味著繁瑣的分析過程。近年來，隨著計算機性能的飛速提高和計算機科學的迅猛發(fā)展，科學計算可視化越來越成為數(shù)據(jù)分析與處理的有力工具。將科學計算可視化引入到聲學領(lǐng)域，是對傳統(tǒng)聲學研究方法的延拓，能依托計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力，直觀、高效地對測量結(jié)果及仿真數(shù)據(jù)進行展示，幫助研究人員完成聲場量的分析研究工作[5-6]。本文利用體繪制技術(shù)，對基于近場聲全息所測得的大型結(jié)構(gòu)體輻射聲壓數(shù)據(jù)場進行可視化，較好地展現(xiàn)了振動體聲源位置、聲能量強度分布及衰減情況，為結(jié)構(gòu)體振聲性能的檢測與分析提供了一種新的研究手段。

1 基于近場聲全息測量的聲壓場數(shù)據(jù)獲取

在近場聲全息算法中，從測量面到源面的距離是波長的幾分之一，在測量系統(tǒng)動態(tài)范圍選擇適當?shù)那闆r下，可充分記錄測量面上聲場的低波數(shù)和高波數(shù)成分，能達到很高的重建分辨率。

1.1 近場聲全息求解算法

由于源面聲壓經(jīng)格林函數(shù)卷積后即為測量面聲壓，因此對Helmhotz方程使用傅里葉變換，實現(xiàn)空間域到波數(shù)域的快速變換計算，完成由聲壓測量到源面聲壓的計算。具體流程是：先通過空間離散點的復聲壓采集(聲場的空間采樣)，再利用原理公式，離散化后借助離散傅里葉計算，然后作逆變換實現(xiàn)源面場的重建[7]。對于平面型聲源，結(jié)構(gòu)表面聲場與外表聲場變換式可簡化為

(1)

GD——格林函數(shù)。

設z′為源面上垂直分量，zs為反演面上垂直分量，當z′=zs時，?G/?n=?G/?R·?R/?α|α=ZH-Zs=d， 并且，R1=R2，?R2/?α=-?R1/?α，則有

(2)

p(kx,ky,zH)=p(kx,ky,zS)/GD(kx,ky,d)

(3)

源面S上的聲壓可以由測量面H上聲壓反演獲得

p(kx,ky,zs)=p(kx,ky,zH)/GD(kx,ky,d)

(4)

式中：

1.2 聲壓數(shù)據(jù)場的獲取

由于測量對象為大型水下結(jié)構(gòu)體的輻射聲場，測量孔徑需要足夠大才能保證測量精度。受實際工藝條件所限，測量面可以采用單行傳感器陣列沿直線路徑等間距地掃描得到。選取某個頻點F，結(jié)合參考通道所測得的聲壓幅值數(shù)據(jù)，計算測量面上各離散點對應聲壓幅值的相位差，從而得到整個測量面上各離散點的復聲壓值。根據(jù)實際工程條件，選擇測量面與源面為共形面，即測量面與源面為平行平面，且大小一致，見圖1。

圖1 近場聲全息測量面與反演面位置示意

將測量面上各點復聲壓經(jīng)由聲全息算法求解得到各個反演面上的復聲壓，最后由各個反演面上的復聲壓得到相應的聲壓幅值。該數(shù)據(jù)場反映結(jié)構(gòu)體振動中心附近的一定距離處的聲場情況，整個流程見圖2。

圖2 測量數(shù)據(jù)獲取流程

本文體繪制的對象為規(guī)則網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的聲壓幅值數(shù)據(jù)場。平行于源面向外等間隔地取N個反演面(P1，P2，…，PN)，每個反演面(包括源面本身)上的聲壓幅值數(shù)據(jù)即為體數(shù)據(jù)中一個切面，這N個切面構(gòu)成一個三維規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)場，即聲壓體數(shù)據(jù)。取源面為XOY坐標平面，垂直于該平面的方向為Z方向，將該三維規(guī)則數(shù)據(jù)按照XYZ方向依行、列、切面次序存入數(shù)據(jù)文件，從而獲得適于體繪制的聲壓幅值體數(shù)據(jù)。

2 聲壓場可視化

2.1 科學計算可視化

采用體繪制方法直接對數(shù)據(jù)場進行繪制[8]，完整描述整個數(shù)據(jù)場，體繪制具體流程見圖3。

圖3 光線投射算法流程

2.2 結(jié)構(gòu)振動輻射聲壓場的體繪制步驟

1)對聲壓幅值體數(shù)據(jù)進行預處理和數(shù)據(jù)值分類。根據(jù)不同聲壓值定義顏色值和透明度值，通過計算式[(pi-pmin/(pmax-pmin)]×255將聲壓數(shù)據(jù)換算至區(qū)間[0～255]，即為單個體元的顏色值；然后將三維數(shù)據(jù)場由物體空間坐標轉(zhuǎn)換為圖像空間坐標，從視角方向發(fā)射光線穿過各個體元，沿著這條射線進行重采樣，選擇N個等距的采樣點(見圖4)，對每個采樣點由距離采樣點最近的8個數(shù)據(jù)點進行顏色以及透明度的三線性插值，作為該采樣點的最終顏色值和透明度值。

圖4 光線投射算法剖平面示意

2)光照計算。設第i個體元的顏色值為Cnow，不透明度為anow，進入第i個體元的顏色值為Cin，不透明度為ain，設Cout為經(jīng)過該體元后的顏色值，則Cout=Cin(1-anow)+Cnowanow。為了增加圖像的真實感進行明暗計算，體繪制中用各數(shù)據(jù)點的梯度值來代替法向量，用光照模型計算出各數(shù)據(jù)點出的漫反射分量，從而更加突出顯示出體數(shù)據(jù)中的邊界面。

3)從選定方向的射線由后往前將各種采樣點的顏色值及不透明值合成在一起，以得到最終圖像。

3 實驗結(jié)果與分析

振動結(jié)構(gòu)體是直徑為10 m的圓柱體，聲場介質(zhì)為常態(tài)水，測量面頂部距離水面5 m。取源面為圓柱體右側(cè)的垂直切面，測量面與聲源切面距離為5 m，測量面大小為60 m×12 m，見圖5。

圖5 測量實驗示意

測量面由長度為12 m的傳感器單行陣列掃描得到，其中，傳感器陣列包含30個等間距分布的傳感器，掃描路徑上取值點個數(shù)為100，即數(shù)據(jù)場的每個反演面上聲壓幅值數(shù)據(jù)點陣大小為30×100。以距離源面0.5 cm為起點，以0.5 m為切面間距，到距離源面64 m處為終點，共選取128個反演面，每個反演面即為一個體數(shù)據(jù)切面，所有切面形成一個大小為100×30×128的體數(shù)據(jù)。對所獲取的數(shù)據(jù)聲壓幅值數(shù)據(jù)場選取分析頻率50 Hz。最終數(shù)據(jù)場的每個數(shù)據(jù)點包含的信息為該點在聲場中的幾何位置和該點處在50 Hz頻點上的聲壓幅值，其中幾何位置對應該點在體數(shù)據(jù)陣列中的行列面的位置。對數(shù)據(jù)進行體繪制結(jié)果見圖6。

圖6所示的輻射聲場體繪制結(jié)果中，將聲壓按幅值大小對照標準色譜表中的顏色次序來展示聲壓幅值在整個聲場區(qū)域的分布。圖6中紫色區(qū)域?qū)晧悍底畲髤^(qū)域，紅色區(qū)域?qū)底钚^(qū)域。圖6a)為近源面處側(cè)視圖，清晰地顯示了在該頻點處的聲壓幅值的分布，能夠找出輻射聲場中對應聲源點位置，圖6b)為聲場俯視圖，沿原聲場Z軸方向進行觀察，能夠較清楚地分辨聲場的衰減情況。

圖6 50 Hz頻點上聲壓場體繪制結(jié)果

經(jīng)過與結(jié)構(gòu)體中實際振源位置進行比較，可視化結(jié)果中聲源的位置與實際振源位置吻合，能夠較清晰地確定對應聲源的位置，并且能夠從圖中看到聲輻射的衰減情況，因此，針對大型復雜結(jié)構(gòu)體的振動輻射聲場，能夠得到較好的可視化效果。

4 結(jié)束語

通過科學計算可視化技術(shù)，能高效地對近場聲全息等測量手段獲得的高精度測量數(shù)據(jù)開展分析與研究。國內(nèi)進行的相關(guān)研究還不多，也沒有形成系統(tǒng)化的技術(shù)體系。本文嘗試對水下結(jié)構(gòu)體振動輻射聲壓數(shù)據(jù)場進行體繪制，初步實現(xiàn)了輻射聲場的可視化處理與分析，為結(jié)構(gòu)體振聲性能的檢測與分析提供了一種新的手段。采用本文所示的方法同樣可以完成聲強等其它聲場標量的可視化研究。對于矢量場的可視化以及基于聲場物理量可視化進行振動特性分析是下一步需要深入研究的主要內(nèi)容。

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