基于浅海环境近场声全息的辐射声场可视化方法及系统技术方案

本发明专利技术属于水声测量技术领域与科学计算可视化领域，公开了一种基于浅海环境近场声全息的辐射声场可视化方法及系统，包括以下四个步骤：

【技术实现步骤摘要】
基于浅海环境近场声全息的辐射声场可视化方法及系统


[0001]本专利技术涉及水声测量
与科学计算可视化领域，特别涉及一种基于浅海环境近场声全息的辐射声场可视化方法
。

技术介绍

[0002]准确掌握某型船声学性能不仅对某型船日常使用
、
维护保养具有重要意义，而且能为某型船修理整个过程的振动噪声控制工作提供客观
、
可靠的决策依据与评估
。
[0003]传统方法主要采用声压测量技术完成某型船远场辐射测量
、
单水听器完成某型船近场辐射水声测量，可重复性差
、
测试精度不高，无法准确反映噪声源位置以及声场强度的变化信息
。
近场声全息具备传统测量技术所不具备的优越性，经过二十多年的发展已成为研究空气中或水下大型复杂结构体辐射噪声特性的有效办法，目前已经逐渐推广应用于某型船辐射噪声测量
。
[0004]近场声全息方法不仅包含了声压的幅值信息，还充分利用了声的相位信息，所涵盖信息的丰富性和高精确度对数据的分析和研究提出了较高要求，这是完成某型船辐射噪声分析和设备状态辨识以及故障诊断的关键步骤
。
通常分析方法往往只针对单个反演面开展研究，未能涵盖整个声场信息，不能对整个辐射声场能量的分布和耗散情况进行完整描述，因此，如何充分利用某型船近场全息测试数据并且高效地完成声场测量数据的处理与分析，已经成为亟待解决的问题
。
[0005]现有技术在某型船声学性能测量和分析方面存在以下缺陷和问题：
[0006]1、
可重复性差：传统方法使用声压测量技术完成某型船远场辐射测量和单水听器完成某型船近场辐射水声测量，这些方法的可重复性较差
。
因此，在不同时间或不同条件下进行的测量结果可能存在较大差异，导致分析结果的准确性受到影响
。
[0007]2、
测试精度不高：传统测量方法的测试精度相对较低，无法准确反映噪声源位置以及声场强度的变化信息
。
这可能导致对某型船声学性能的评估不够准确，影响船舶的使用
、
维护和保养
。
[0008]3、
信息利用不充分：近场声全息方法包含了丰富的声压幅值和相位信息
。
然而，现有分析方法通常仅针对单个反演面进行研究，未能充分利用整个声场的信息
。
这可能导致对辐射声场能量分布和耗散情况的描述不完整
。
[0009]4、
数据处理与分析效率低：传统方法在声场测量数据处理和分析方面的效率较低，对数据的分析
、
研究和设备状态辨识以及故障诊断提出了较高要求
。
如何充分利用某型船近场全息测试数据并高效地完成声场测量数据的处理与分析，成为亟待解决的问题
。
[0010]综上所述，现有技术在某型船声学性能测量和分析方面存在一定的局限性，需要发展更先进的方法来解决这些问题，提高某型船声学性能测量的准确性和效率
。

技术实现思路

[0011]针对上述需要解决的技术问题，本专利技术的目的是提出某型船辐射声场的可视化研
究方法，对基于浅海环境近场声全息技术测得的某型船辐射声场数据采取有效的组织方法，结合科学计算可视化技术，用三维图形将数据场整体呈现出来，揭示其复杂的内部结构和变化形态，实现整个声场能量的交互式显示
。
特别采取了基于
Haar
小波变换的数据组织与编码方式，以应对反演面选取密度较大或者测量范围较大时导致的数据量激增，通过进行多分辨率处理实现单设备上的可视化分析
。
[0012]本专利技术以某型船平面浅海环境近场声全息测量数据为处理对象，选择声强作为辐射声场特性分析的物理量，一是从能量角度进行度量；二是声强不仅考虑声压大小，还考虑了相应介质，比选择声压来评断声场特性更具稳定性；三是声强的矢量特性能表达声场能量的辐射特性
。
该专利技术不仅适用于系泊状态下的某型船辐射水声测量数据分析，同样也适用于航行状态下的某型船辐射水声实时体绘制
。
[0013]本专利技术是这样实现的，一种基于浅海环境近场声全息的辐射声场可视化方法，其特征在于，该方法包括以下四个步骤：
[0014](1)
某型船辐射声场体数据的获取；
[0015](2)
对声场数据进行基于
Haar
小波变换的数据组织与编码；
[0016](3)
对声强幅值场进行体绘制与等值面绘制；
[0017](4)
对声强矢量场进行流线绘制
。
[0018]进一步，所述步骤
(1)
是由平面浅海环境近场声全息方法所得的测量面全息数据反演重构出整个辐射声压场及质点振速并由此计算出声强矢量场及声强幅值场
。
[0019]进一步，所述步骤
(1)
具体包括：
[0020]在某分析频点上，平行于声源面向外等间隔地取
N
个反演面
(P1，
P2，
…
，
P
N
)
，每个反演面
(
包括源面本身
)
上的声压幅值数据即为体数据中一个切面，这
N
个切面构成一个三维规则网格数据场，即声压体数据；
[0021]设源面为
XOY
坐标平面，垂直于该平面的方向为
Z
方向，将该三维规则数据按照
XYZ
方向依行
、
列
、
切面次序存入数据文件，同样的方法获取声场质点振速体数据；当得到声场中的声压和质点振速后，可按如下公式计算声强
(W/m2)
：
[0022][0023]其中，
p
是空间某点的声压
(Pa)
，
v
是同一点处的质点振速
(m/s)
，
T
为周期的整数倍，或者长得不影响计算结果的时间
(t)。
[0024]进一步，所述步骤
(2)
采用基于
Haar
小波变换的数据组织和编码方式实现大规模数据的多分辨率管理
。
[0025]进一步，所述
Haar
小波是体数据预处理时所常用的，它最简单的小波函数，计算简单，其定义为：
[0026][0027]Haar
小波离散变换在计算机上的实现上采用提升法完成，其正向与逆向变换过程为：
[0028]b
‑
＝
aa
‑
＝
b/2
[0029]a+
＝
b/2
，
b+
＝
a
ꢀꢀꢀꢀ
(3)。
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于浅海环境近场声全息的辐射声场可视化方法，其特征在于，对基于浅海环境近场声全息技术测得的某型船辐射声场数据采取有效的组织方法，结合科学计算可视化技术，用三维图形将数据场整体呈现出来，揭示其复杂的内部结构和变化形态，实现整个声场能量的交互式显示；采取了基于
Haar
小波变换的数据组织与编码方式，以应对反演面选取密度较大或者测量范围较大时导致的数据量激增，通过进行多分辨率处理实现单设备上的可视化分析
。2.
根据权利要求1所述的基于浅海环境近场声全息的某型船辐射声场可视化方法，其特征在于，包括：
(1)
某型船辐射声场体数据的获取；
(2)
对声场数据进行基于
Haar
小波变换的数据组织与编码；
(3)
对声强幅值场进行体绘制与等值面绘制；
(4)
对声强矢量场进行流线绘制
。3.
根据权利要求1所述的基于浅海环境近场声全息的某型船辐射声场可视化方法，其特征在于，所述步骤
(1)
是由平面浅海环境近场声全息方法所得的测量面全息数据反演重构出整个辐射声压场及质点振速并由此计算出声强矢量场及声强幅值场；包括以下步骤：
1)
数据收集与处理：在浅海环境中，部署一套水下声传感器阵列，测量声场中的声压及质点振速数据；利用这些数据，通过平面浅海环境近场声全息方法得到测量面全息数据；通过反演算法，重构辐射声压场及质点振速；
2)
声强矢量场及声强幅值场计算：根据重构出的辐射声压场和质点振速，计算声强矢量场及声强幅值场；通过这些参数，可以对声场进行分析；
3)
浅海环境模型：结合浅海的海底地形
、
海水温度
、
盐度因素，建立一个浅海环境模型；使用这个模型，对测量和反演的数据进行校正和修正，以更准确地描述实际声场；
4)
声场可视化：将计算得到的声强矢量场及声强幅值场数据进行三维可视化；通过可视化软件，可以观察到声场的分布
、
强度以及方向特征；
5)
进一步分析与优化：根据可视化结果，分析某型船在浅海环境中的辐射声场特性；通过调整船体结构
、
材料因素，可以优化辐射声场，降低噪音污染
。4.
根据权利要求2所述的基于浅海环境近场声全息的某型船辐射声场可视化方法，其特征在于，所述步骤
(1)
具体包括：在某分析频点上，平行于声源面向外等间隔地取
N
个反演面
(P1，
P2，
…
，
P
N
)
，每个反演面
(
包括源面本身
)
上的声压幅值数据即为体数据中一个切面，这
N
个切面构成一个三维规则网格数据场，即声压体数据；设源面为
XOY
坐标平面，垂直于该平面的方向为
Z
方向，将该三维规则数据按照
XYZ
方向依行
、
列
、
切面次序存入数据文件，同样的方法获取声场质点振速体数据；当得到声场中的声压和质点振速后，可按如下公式计算声强
(W/m2)
：其中，
p
是空间某点的声压
(Pa)
，
v
是同一点处的质点振速
(m/s)
，
T
为周期的整数倍，或者长得不影响计算结果的时间
(t)。5.
根据权利要求2所述的基于浅海环境近场声全息的某型船辐射声场可视化方法，其
特征在于，所述步骤
(2)
采用基于
Haar
小波变换的数据组织和编码方式实现大规模数据的多分辨率管理；所述
Haar
小波是体数据预处理时所常用的，它最简单的小波函数，计算简单，其定义为：
Haar
小波离散变换在计算机上的实现上采用提升法完成，其正向与逆向变换过程为：
b
‑
＝
a a
‑
＝
b/2a+
＝
b/2
，
b+
＝
a
ꢀꢀꢀꢀ
(3)。6.
根据权利要求2所述的基于浅海环境近场声全息的某型船辐射声场可视化方法，其特征在于，所述步骤
(2)
具体包括：将声强场数据划分为规则网格体数据，采用笛卡尔坐标定位，并对数据进行块划分：将数据在各维上定义为大小为2的整数次幂，方便存储
、
读取与管理，各维上数据若不够则补零；根据数据场大小来定义最小立方块的大小，作为小波变换的基本单元块，每个最小立方块各维大小仍取2的整数次幂；分别沿着三个轴将相邻的8个最小立方块进行组合，成为一个新的立方块，则该立方块各维上大小仍为2的整数次幂；数据场的最小立方块划分完成后，从原点向各坐标轴延伸，将相邻8个元立方块组合为新立方块，称为0次立方块，对其所包含的8个最小立方块按照
Quincunx
分解次序各进行一次
Haar
小波变换，对
X
轴实施变换后得到的低频子带再沿着
Y...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨庆超，万海波，谷高全，楼京俊，张振海，谢海燕，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：