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参量阵扬声器——从理论到应用


参量阵扬声器——从理论到应用

作  者:杨军,姬培锋

出 版 社:科学出版社

出版时间:2022年03月

定  价:189.00

I S B N :9787030711991

所属分类: 专业科技  >  自然科学  >  物理学    

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TOP内容简介

能够实现定向声辐射的参量阵扬声器由于具有波束窄、指向性强和无旁瓣的优点,自提出以来就受到了学者的广泛关注,在理论、实际应用方面发展迅速,并形成了多个商业化产品。目前参量阵扬声器已成为声频工程领域的研究热点。《参量阵扬声器:从理论到应用》主要介绍了参量阵扬声器相关的研究现状,包括建模计算、测量、信号处理,波束偏转、实现和应用等方面。通过对以上方面的介绍有助于更深入地了解参量阵扬声器及其涉及的科学问题,对进一步开展参量阵扬声器相关研究具有重要的指导意义,并为其他声学研究提供借鉴。

TOP目录

目录
第1章概述1
1.1参量阵中的非线性声学历史及现状1
1.1.1非线性声学历史1
1.1.2多波束声场研究3
1.1.3参量阵研究5
1.1.4参量阵扬声器研究8
1.2非线性声学基础13
1.2.1有限振幅波在无衰减流体中的传播13
1.2.2热黏性流体近似16
1.3参量阵理论基础18
1.3.1Westervelt模型19
1.3.2KZK方程和Berktay模型25
1.3.3参量阵指向性仿真实验29
1.4本章小结31
第2章指向性波束计算32
2.1KZK模型求解33
2.1.1有限差分法34
2.1.2高斯波束展开法35
2.2高斯波束展开系数的计算41
2.2.1简单快速高精度方法43
2.2.2数值结果对比49
2.3三维时域有限差分算法65
2.3.1非聚焦波束66
2.3.2计算示例90
2.4本章小结93
第3章参量阵扬声器预处理方法95
3.1基于Berktay的预处理方法研究100
3.1.1使用KZK模型对基于Berktay的预处理方法分析100
3.1.2参量阵扬声器低复杂度单边带调制技术112
3.2基于Volterra的预处理方法研究119
3.2.1ODVF模型辨识120
3.2.2基于ODVF的逆滤波器设计130
3.2.3ODVF与VF的联系134
3.2.4基于OVDF的参量阵扬声器非线性失真补偿148
3.3本章小结160
第4章参量阵扬声器的测量161
4.1参量阵扬声器测量概述161
4.2圆柱超声滤波器164
4.2.1滤波器的结构和性能164
4.2.2滤波器的实验验证165
4.3基于声子晶体的声滤波器设计167
4.3.1理论建模与数值模拟168
4.3.2实验验证172
4.3.3示例研究179
4.4参量阵扬声器中参数对伪噪声影响的实验研究184
4.4.1原波幅度的影响187
4.4.2声源阵列半径的影响188
4.4.3频率值的影响192
4.4.4观测距离的影响193
4.5本章小结195
第5章参量阵扬声器的FPGA实现196
5.1基于FPGA的参量阵扬声器系统结构197
5.2硬件实现198
5.2.1电源管理198
5.2.2FPGA处理器199
5.2.3AD1939 Codec芯片199
5.2.4功放设计及换能器阻抗匹配200
5.3算法实现203
5.3.1AD1939时钟和寄存器管理203
5.3.2串、并转换204
5.3.3载波发生器205
5.3.4语音活动检测208
5.3.5动态范围控制211
5.3.6单边带调制及其在FPGA上的实现216
5.4参量阵扬声器系统集成及测试结果221
5.5本章小结223
第6章参量阵扬声器的波束控制224
6.1参量阵扬声器中指向性控制方法回顾224
6.1.1参量阵扬声器指向性控制方法224
6.1.2参量阵扬声器指向性模型226
6.1.3参量阵扬声器的指向性设计231
6.2小数延时滤波器在参量阵波束偏转中的应用研究235
6.2.1小数延时算法回顾235
6.2.2相控参量阵扬声器模型实现239
6.2.3相控参量阵扬声器系统243
6.2.4波束偏转仿真与实验对比252
6.3本章小结260
第7章参量阵扬声器的典型应用262
7.1参量阵扬声器在自由空间有源噪声控制中的应用264
7.1.1全局能量控制264
7.1.2局部空间控制271
7.2参量阵扬声器的管道有源噪声控制288
7.2.1次级声反馈288
7.2.2有源噪声控制292
7.3参量阵扬声器在吸声系数测量应用306
7.3.1现场测量吸声系数的方法307
7.3.2吸声系数测量中模型的影响因素313
7.3.3测试条件的影响317
7.4本章小结323
参考文献325
“现代声学科学与技术丛书”已出版书目355

TOP书摘

第1章 概述
  1.1 参量阵中的非线性声学历史及现状
  1.1.1 非线性声学历史
  声学主要研究声的发射、传播、接收、声的性质以及声与其他物质的相互作用。声学是自然科学中*古老的学科之一,早在远古时期就有关于声学的描述。随着无线电技术的发明和应用,声学从古老的经典声学进入了近代声学的发展时期。而近代声学的渗透性极强,与许多其他学科、工程技术及艺术领域相交叉,在这些领域发挥了重要又独特的作用,并进一步发展了相应的理论和技术,从而逐步形成独立的声学分支,如物理声学、非线性声学、量子声学、分子声学、超声学、光声学、电声学、建筑声学、环境声学、语言声学、生物声学、水声学、大气声学、地声学、生理声学、心理声学、音乐声学及声化学等。
  在早期声学的研究中,将声学的运动方程在线性基础上进行求解就能满足人们的基本需求,从而忽略运动非线性和介质非线性,因此线性声学的假设主要是基于小振幅的声波。在线性声学中同时传播的两个声波不会发生相互作用,它们所引起的介质的振动等于它们各自单独存在时所引起介质振动的线性叠加,满足叠加原理。但是,如果声学方程保留了非线性项,叠加原理就不再适用,不再遵循线性声学的规律,从而出现了一门新的学科分支——非线性声学。
  非线性声学是一门研究强声的科学。在非线性声学中,强声通常被称为有限振幅声波或大振幅声波,是介于小振幅声波和弱冲击波的一种现象。非线性声学的主要研究对象是与有限振幅声波传播有关的现象,如冲击形成、谐波失真、非恒定传播速度等。这些现象不能用一般的线性声学来解释。它们是由介质对有限幅值声波的非线性效应 [1] 造成的。
  非线性声学领域是一个具有悠久历史的学科,特别是在过去的六十年中得到了巨大的发展。文献 [2] 对 20 世纪 30 年代前的非线性理论发展做了一个详细的介绍。1755 年,Euler 首次给出了描述有限振幅声学的非线性波方程,但没有给出该方程的严格解。此后不久,Lagrange 推导出一个一般解,但他认为变化的声波速度将破坏声传播理论。1808 年,Poisson 获得了有限振幅的平面波传播的精确解。Stokes[3] 解释了困扰 Lagrange 和 Poisson 的非恒定传播速度的含义,他在 1848 年发表了第一个关于波形畸变的说明。Stokes 还第一个给出了对冲击波的分析,并提出黏性和热传导是造成冲击前沿不可避免的损失原因。1860 年前后发表的两篇重要论文 [2,4] 可作为非线性声学研究的开端时代,即 Riemann-Earnshaw 的简单波理论,这是由 Riemann 和 Earnshaw 各自独立发表的非线性一维波动方程的严格解形式。Beyer 把早期的一些论文编入非线性声学的著名论文集 [6]。
  除了 Rankine[7]、Hugoniot[1]、Rayleigh[8] 和 Taylor[9] 对冲击波的分析外,20世纪 30 年代三篇论文的发表标志着对有限振幅声的理解又取得了重大进展。一篇由 Fubini[10] 提出的是适用于冲击形成前无损流体中的波,另一篇由 Fay[11] 提出的是受到黏性损失的有限振幅波的渐近解。这两篇论文首次提供了声波中谐波产生的显式模型,由 Thuras 等 [12] 提出的第三篇论文首次给出了对这一现象的实验研究。
  Eckart[13]、Lighthill[14] 和 Mendousse[15] 在 1950 年前后推导出的波方程开启了现代非线性声学时代,Eckart 和 Lighthill 的方程允许研究非平面有限振幅波,而 Mendousse 则证明了 Burgers 方程可以用来模拟黏性流体中的平面波。Khokhlov 和合作者证明了 Burgers 方程的泛化可以模拟圆柱形波 [16],Blackstock[17] 详细研究了平面波 Burgers 方程的详细解,使用非线性波解的中间值将Fubini 解和 Fay 解光滑地连接起来,解决了单频大振幅波非线性传播问题。Fenlon[18] 由无损 Burgers 方程出发,利用 Fourier 展开以频谱的形式将经相互作用后各频率成分的声波表示出来。到目前为止,在*著名的实际应用方面,*值得一提的贡献是 Westervelt 关于声散射声的工作 [19,20],*终在 20 世纪 60 年代形成了声参量阵理论 [21,22]。在参量阵中,两束高频声束的非线性相互作用产生了一束几乎没有旁瓣的窄小低频声束。这个过程允许从一个相对较小的换能器辐射出高指向性的声音,还有一个额外的好处,就是可以传输宽频段的声音。声参量阵的提出给非线性声学的应用带来了广阔的前景。在 1962 年美国声学学会的一次会议上,继 Westervelt 之后的论文报道了 Bellin 和 Beyer[23] 对参量阵的实验验证。
  参量阵*早是在美国构思和测试的,后续在英国和挪威出现了很多相关的工作。Berktay[24.26] 研究出了使用参量阵的各种可能的应用实例,而后来发现他的一些理论预测 [7,27,28] 有些过于乐观。当从 Berktay 的工作中发现,参量阵吸引人的特点往往超过了该现象固有的低效率时,开始出现了更多相关的研究工作。到 20 世纪 70 年代初,参量阵已被应用于民用和军用的声呐系统中,每年在声学学会会议和研讨会上发表的有关参量阵的论文已超过了 100 篇。声束中非线性效应的实际应用的下一个转折点来自 1970 年前后 Zabolotskaya 和 Khokhlov[29]以及 Kuznetsov[30] 在苏联进行的理论工作。他们的研究得到了一个抛物线非线性波方程,被称为 Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov (KZK) 方程,它为定向声束中的非线性、衍射和耗散的综合效应提供了一个性能优异的模型。在整个 20世纪 70 年代,苏联出现了大量基于 KZK 方程的工作,其中大部分工作是针对高斯波束的。然而,接下来关于声束的非线性效应的*权威研究是由挪威数学家Jacqueline Naze Tj.tta、Sigve Tj.tta 和他们的合作者发表的一系列重要的工作 [31.36],他们解释了从圆形声源辐射的高强度声场中存在的复杂衍射效应,而这种衍射效应表征了大多数超声波换能器的几何特性。Beyer[37] 撰写的书着重介绍了非线性声学领域的许多包括实验工作在内的成就。Rudenko 和 Soluyan[38]报告了在苏联的*新进展。Hamilton 和 Blackstock[1] 的非线性声学著作是一本很好的非线性声学理论和应用的入门教材。钱祖文系统介绍了无界和有界空间中有限振幅声波的传播 [39],他在宽带参量阵研究、有限振幅发射波研究等多方面开展了大量工作 [40.52],极大地推动了非线性声学在国内外的发展。杜功焕等 [53] 基于 Fenlon 理论,主要在有限振幅声波与小振幅平面声波的相互作用以及声能抑制等方面做了理论研究,并在声行波管内进行了相关实验验证。杨德森课题组重点以 Burgers 方程为基础,利用谱分解方法推导了低频信号波与高频泵波相互作用过程的机理,研究了变参数声波非线性作用后的能量转移问题 [54.57]。在过去的几十年里,高功率声源的发展和数字信号处理技术的提高,支持了越来越多的利用大功率声源的实际应用。具备 “宽频带、高指向性、小尺寸” 等独特技术优势的参量阵在水声工程领域得到了广泛的应用 [28,43,58.63]。随着科学和技术的不断进步,参量阵的应用领域和范围还在不断扩大。
  1.1.2 多波束声场研究
  从非线性声学观点来看,当空间有一个声波传播时,原来的介质在空间受到了这个声波的扰动,如果介质原来是均匀的,扰动的结果使之在空间不均匀,这时若在这种被扰动了的介质中还存在另一个声波,那么,它就要受到非均匀介质的散射,或者可以说,一个声波散射了另一个声波,这种现象称为声散射声 [64.70]。这样形成的声场称为多波束声场。所有关于两波束非线性作用 (即声散射声现象)都始于流体动力发声的 Lighthill 理论 [14,71]。Lighthill 给出了流体动力发声的波动方程的形式:
  (1.1)
  (1.2)
  (1.3)
  式中 Tij 为应力张量,ρ为流体密度,为拉普拉斯算符。1956年,Ingard和Pridmore-Brown[72] 首次提出了声散射声的概念。在忽略了黏滞的基础上,根据Lighthill的远场表达式,他们得到了散射压力场的表达形式。*后的结果认为两正交准直束相互作用时,在公共区域之外有声散射声产生,他们的实验结果也支持其理论结果。1957年,Westervelt[19]发表了两篇文章,对Ingard等的结果表示了不同看法,他认为上述理论中的一阶场不满足Lighthill 方程中要求一阶场满足齐次波动方程的条件。他选用了平面波作为一阶场,从 Lighthill 方程出发,推导后得到了两个非平行波的一阶场在公共区域之外不存在二阶散射波的结论。1960 年,Bellin 和 Beyer[73] 实验验证了 Westervelt 的理论。Dean[74] 考虑了两个同中心的柱面波和球面波相互作用的情况,Garrett 等 [34] 使用抛物线近似对小角度情况下的两波束声场的相互作用进行了说明,Darvennes 等 [64] 理论推导了小角度情况下两个高斯束的相互作用情况。这个问题的相关研究较多,Beyer[6] 和 Rudenko等 [38] 的书中专门包含了声散射声的一章。从以上文献来看,对公共区域之外是否有散射声仍存在争议。Tj.tta 等 [75.80] 用新的理论重新解释了两波束的相互作用,发表了一系列文章对任意交叉角度情况下的声散射声进行推导,指出了相关研究得出不同结论的原因。他们从*简单的矩形声源的相互作用模型进行说明。从均匀非黏滞流体的连续性方程和物态方程得到了密度 ρ 的方程:
  (1.4)
  当两个作用声波是平面波时,上式可以化成□2(ρ+ f) = 0 的形式,其中 f是原波场变化的两次函数,□2 是达朗贝尔算子,即。对于准直束平面波,此公式在公共区域内有效,有 ρF = .f 的特解。Westervelt 使用这个特性就认为在公共区域之外不存在散射场。但是,ρF 不是方程的通解,因为总是可以加上任意的 ρH 使得 □2ρH = 0 成立。这样,ρ = ρF +ρH 就为密度方程在公共区域内提供了另一个解。在公共区域外,声场必须满足 □2ρH = 0,这个取决于边界条件。只要公共区域内的解不是唯一确定的,就没有办法确定准直束平面波的边界条件。Tj.tta 等认为 Westervelt 得到公共区域外没有散射声的原因是忽略了衍射作用,并且使用了窄波束的近似。他们还考虑了边界条件和声吸收的作用对多波束非线性作用结果的影响。Tjtta 的方法可以看作是小角度多波束相互作用的一个推广,当在小角度情况下,此方法和 Garrett 等 [34] 得到的结果近似一致。Tjtta 的方法是准线性近似的一个通解,在任何距离、交叉角度,频率比都有效,但是他们的结果包含多重积分,不易求解,虽然他们在推导过程中给出了一个近似解,但是这个解只适用于远场,并且包含两次积分,花费的时间比较多。杨军课题组给出了利用高斯束展开法对小角度的偏置模型进行简化计算的快速算法 [81.83],并对两束超声波在人工头存在时产生差频声频声的实验现象进行了研究 [84]。钱祖文研究了无频散介质中平面波与平面脉冲波间的相互作用,指出只有在两个平行波公共区域内存在二阶散射波 [47]。Garner[85] 使用级联的二阶非线性效应来模拟两个有偏置的活塞声源产生的非准直束超声波束的三阶非线性作用。
  1.1.3 参量阵研究
  参量阵的基本原理

TOP 其它信息

页  数:353

开  本:16开

正文语种:中文

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