تقدير مستوى مصدر الصوت لمحول الطاقة الصوتي تحت الماء في المياه الضحلة

تم اقتراح طريقة لتقدير مستوى مصدر الصوت تعتمد على وظيفة الاستجابة للتردد العكسي الصوتي (IFRF) لحل مشكلة ضعف الدقة في تقييم مستوى الاهتزاز والضوضاء للمعدات الصوتية تحت الماء في المياه الضحلة. تمثل هذه الطريقة وظيفة الإرسال متعدد القنوات باعتبارها تداخلًا لمصدر الصوت ومصدره الافتراضي متعدد الترتيب. تبني مصفوفة النقل العلاقة بين نقاط قوة المصدر المعقدة والضغوط المعقدة عند نقاط القياس والقناة الصوتية. مصدر القوة يمكن تقدير محول الطاقة الصوتي تحت الماء بدقة من قياس المجال الصوتي المشع بناءً على قلب مصفوفة النقل. تم تقديم المبدأ الأساسي لطريقة IFRF، وتم تحليل العوامل المؤثرة في أخطاء تقدير قوة المصدر، بما في ذلك أخطاء تقدير القناة الصوتية تحت الماء، وأخطاء قياس ضغط الصوت، وظروف مصفوفة النقل. تم عرض نتائج تحليل المحاكاة العددية، والتي تشير إلى أن الطريقة المقترحة مجدية ولها أداء جيد في تقدير مستوى مصدر الصوت لمحول الطاقة الصوتي تحت الماء.

 

مع اقتراح وتنفيذ الاستراتيجية الوطنية للقوة البحرية، تم إيلاء اهتمام كبير لتطوير البحرية محول الطاقة تحت الماء الأسطواني وحماية البيئة والبحث العلمي وحماية الحقوق. كما تم تطوير المعدات الصوتية تحت الماء والمركبات غير المأهولة تحت الماء (UUV، UUV، AUV) ومعدات الهندسة البحرية بسرعة، كما أن توفير معلومات دقيقة وفعالة عن أداء المعدات سيدعم بقوة تطوير محولات الطاقة المختلفة. تعد شدة مصدر الصوت المشع تحت الماء معلمة مهمة للمعدات الصوتية تحت الماء عندما تعمل، وترتبط بأدائها وسلامتها. حاليًا، لاختبار مصادر الضوضاء تحت الماء، في معظم الحالات، يمكن تحديد موقع مصدر الضوضاء وتحديده جيدًا، ولكن من الصعب قياس شدة مصدر الصوت المستهدف بدقة. إذا كان من الممكن قياس أو تقييم مستوى الصوت المشع لمصدر الضوضاء بدقة، فيمكن أن يوفر إرشادات لتطوير المعدات أو تقدير الأداء، وتوسيع نطاقه ليشمل الملاحة تحت الماء. وسيوفر تقييم مستوى الضوضاء تحت الماء للأهداف مثل المركبات المتنقلة أو السفن السطحية تقييمًا فعالًا لمستوى الضوضاء أو تأثير تدابير المعالجة الصوتية. في بيئة المياه الضحلة، سيؤثر الصوت المنعكس من الواجهة ومصادر الصوت الأخرى المتداخلة في الخلفية على اختبار مجال الصوت المشع تحت الماء. إذا كان من الممكن فصل الصوت المباشر للهدف عن صوت التداخل بواسطة خوارزمية محددة، فيمكن تقدير مصدر الصوت بدقة، وطريقة مصفوفة الاستجابة للتردد العكسي (وظيفة الاستجابة للتردد العكسي، IFRF) باعتبارها خوارزمية تحويل مكاني، فهي تتمتع بدقة أرضية عالية، ويمكن استخدامها لتحديد مصادر الصوت وتصور المجال الصوتي للهياكل المعقدة، ولا تقتصر على النظام الصوتي، وهي طريقة اختبار عملية لطريقة IFRF في تصوير مصدر الصوت قريب المجال في وسط الهواء. مع نظرية أكثر تفصيلاً التحليل، قام العلماء من مختلف البلدان أيضًا بدراسة النظرية وتطويرها على التوالي في وقت لاحق. ولكن كان هناك أساتذة بحث. يجب أن يتركز في بيئة غرفة مانعة لصدى الهواء وقد حقق نتائج جيدة. إذا كان من الممكن إدخال هذه الطريقة في بيئة المياه الضحلة الفعلية، فيمكن استخدامها لاختبار وتقييم شدة الإشعاع لمصدر صوت الاهتزاز، مما سيؤدي إلى تحسين كبير في مشكلة الدقة الضعيفة لاختبار شدة مصدر الصوت المستهدف في بيئة المياه الضحلة. في ضوء المشكلات المذكورة أعلاه، تأخذ هذه الورقة مصدر الصوت أحادي القطب ككائن بحث، وتحت افتراض الموجة الكروية، تم تصميم وظيفة نقل القناة على أنها إشعاع مصدر متعدد افتراضي. تستخدم لعكس قيمة مستوى مصدر الصوت المشع المستهدف، ويتم تقييم العوامل التي تؤثر على دقة تقدير مستوى مصدر الصوت. تحليل الأسباب وتحليل المحاكاة ذات الصلة بناءً على نموذج مجال الصوت المحدد، تظهر النتائج أن الطريقة تقدر مصدر الصوت المشع بواسطة مستوى محول الطاقة الصوتي تحت الماء ممكن وله درجة عالية من الدقة.

1.1 طريقة مصفوفة الاستجابة للتردد العكسي

تحدد وظيفة الاستجابة للتردد العلاقة بين ضغط الصوت الفعلي للقياس البيئي ومصدر الصوت المستهدف. يمكن قياس مصفوفة الوظيفة أو تمريرها مباشرة. يتم حساب النموذج العددي، ويتم قياس مجال الصوت بواسطة مصفوفة الهيدروفونات للحصول على مصفوفة وظيفة استجابة التردد وضغط الصوت المعقد لمجال الصوت. وبعد الحساب، يمكن تقدير شدة مصدر الصوت من قياس مجال الصوت. بالنظر إلى حالة مصدر صوت أحادي النقطة، فإن اتصال عنصر بيزو على صفيف الصوت. إشارة محول الاستقبال هي إشارة انبعاث مصدر الصوت ووظيفة استجابة القناة الصوتية تحت الماء، حيث q(hs,t) هو عمق مصدر الصوت عند hs، وp(hm,t) هو العمق. إشارة المجال الزمني المستلمة عند نقطة القياس hm، H(hs,hm) هي وظيفة استجابة القناة الصوتية من مصدر الصوت إلى نقطة الاستقبال. التحليل، نختار تحليل علاقة انتشار الصوت في مجال التردد، واستخدام مصفوفة لتمثيل إشارة الحصول على مجموعة مثالية والصوت.

 

العلاقة بين المصادر، P هو ناقل ضغط الصوت المعقد من الترتيب M×1، Q هو ناقل شدة مصدر الصوت (بما في ذلك المصدر الوهمي)، H هي مصفوفة استجابة التردد المعقدة، حيث المصطلح Hi,j يرتبط بمصدر الصوت i إلى مصدر الصوت i. وظيفة النقل الصوتي بين عناصر j. في القياس الفعلي، سيؤدي تداخل الضوضاء أو الافتراضات المشروطة إلى حدوث أخطاء معينة. لذلك، يجب إضافة المتجه e إلى القياس المثالي لضغط الصوت. يمثل المتجه e الانحراف بين قيمة الصوت المقاسة وقيمة ضغط الصوت المثالي P. ومن أجل تحقيق كليهما لتحقيق 'أفضل تطابق'، فإن الطريقة التقليدية هي استخدام طريقة المربعات الصغرى. تحديد دالة التكلفة: من السهل إثبات أن شدة مصدر الصوت عند الحصول على الحد الأدنى لقيمة المعادلة هي الحل الأمثل.

 

1.2 تحليل الخطأ

من خلال تحليل الخطأ، يمكن العثور على مصدر خطأ التقدير، ويمكن أن يوفر إرشادات أساسية لأعمال القياس الفعلية لتقليل الخطأ. دون فقدان العمومية. في هذه الحالة، نقوم بإجراء تحليل متعمق لكثافة مصدر الصوت المقدرة المحسوبة في القسم والنظر في استخدام خاصية مفيدة للمصفوفة 2-القاعدة، أي للمصفوفات A و B. ويرتبط رقم حالة المصفوفة بحالة المصفوفة. عندما تكون الحالة كبيرة جدًا، تكون المصفوفة في حالة سيئة، وسيتم تقديم التقدير المستهدف في هذا الوقت. تحدث أخطاء كبيرة. يتم تعريف رقم شرط المصفوفة.

 

2 المحاكاة والمناقشة

وبما أن بيئة المجال الصوتي الفعلية معقدة وقابلة للتغيير، فإن عوامل مختلفة ستؤثر على أداء الطريقة إلى حد ما. من أجل التحقق من IFRF. يتم استخدام الطريقة لتقدير دقة وقابلية تطبيق شدة مصدر الصوت. الهدف هو تقدير شدة مصدر الصوت الذي يشعه مصدر الصوت أحادي القطب، ويتم استخدام برنامج MATLAB. لتحليل تأثير طريقة IFRF في بيئة صاخبة، من أجل تحديد الخطأ بين القيمة المقدرة والقيمة الفعلية، يتم تحديد خطأ مربع متوسط ​​الجذر لتمثيل الأداء في نطاق تردد واسع.

 

بيئة المحاكاة هي بيئة مياه ضحلة موحدة ذات قاع مسطح، وعمق مياه 60 مترًا، وتم ضبط عمق مصدر الصوت على 10 أمتار، باستخدام 33 يوانًا رأسيًا متباعدًا بشكل متساوٍ. يتم استخدام المصفوفة الخطية للقياس، وتباعد العناصر 1 م، ومركز المصفوفة الأساسية على عمق 22 م، والإشارة عبارة عن إشارة مستمرة أحادية التردد في نطاق 100 هرتز ~ 10 كيلو هرتز محول صوتي كروي تحت الماء . ومن أجل محاكاة تأثير تداخل الضوضاء في إشارة الاختبار الفعلية، تتم إضافة الضوضاء البيضاء الغوسية إلى إشارة ضغط الصوت التي تم الحصول عليها عن طريق حساب المحاكاة. ولذلك، فإن العلاقة بين الفرق بين القيمة المقدرة لشدة مصدر الصوت والقيمة الحقيقية مع التردد ومستوى الضوضاء موضحة في الشكل 1.

من أجل تسليط الضوء على خصائص التغيير للمنحنى، يظهر منحنى تغيير الخطأ المطابق لنسبة الإشارة إلى الضوضاء البالغة 3 ديسيبل، و10 ديسيبل في الشكل 2، جدول قيمة الجذر التربيعي لخطأ التقدير لشدة مصدر الصوت في نطاق التردد المقابل لبعض نسب الإشارة إلى الضوضاء.

من نتائج الشكل 1 والشكل 2، يمكن ملاحظة أنه في نطاق التردد من 100 هرتز إلى 10 كيلو هرتز محول طاقة هيدروفون كروي ، يختلف خطأ تقدير شدة مصدر الصوت بشكل غير منتظم مع التردد. عندما تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء منخفضة، يتجاوز الخطأ في بعض نقاط التردد القيمة المرجعية المحددة مسبقًا بمقدار 3 ديسيبل، مع تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء، تم إضعاف هذا الوضع بشكل كبير، ويميل منحنى الخطأ الإجمالي إلى أن يكون مستقرًا. بالاقتران مع تحليل البيانات الإحصائية في الجدول 1، يتم تقليل الخطأ الإجمالي في نطاق التردد تدريجيًا واستقراره مع زيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء، ولا يزال يتمتع بدقة أعلى عند نسبة إشارة إلى ضوضاء أقل، مما يشير إلى فعالية طريقة IFRF. الجنس والدقة.

 

(2) تأثير المسافة الأفقية على تقدير مستوى مصدر الصوت

ونظرًا لتمدد الموجات الصوتية مع زيادة المسافة، يختلف حجم الإشارة الصوتية عند مسافات أفقية مختلفة وعلى نفس العمق. من أجل تحليل تأثير صفيف القياس على مسافات أفقية مختلفة على دقة مستوى مصدر الصوت المقدّر بواسطة طريقة IFRF، يُفترض أن تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء لإشارة القياس على المسافة الأفقية هي نفسها. وفقًا لتحليل النص، تم تحديد نسبة الإشارة إلى الضوضاء على أنها 10 ديسيبل لتحليل ظروف الاختبار المقابلة لمسافات الاختبار المختلفة. يسرد الشكل 3 نتائج المحاكاة المقابلة لبعض المسافات. القيمة الجذرية لمتوسط ​​مربع خطأ التقدير لمستوى مصدر الصوت في نطاق التردد المقابل.

 

وبمقارنة وتحليل نتائج المحاكاة في الشكل 3، يمكن ملاحظة أن لها خصائص مشابهة لتغيرات الضوضاء. مع زيادة مسافة الاختبار الأفقية، يتقلب منحنى خطأ تقدير مستوى مصدر الصوت بشكل أكثر حدة، وسيكون هناك المزيد من الأخطاء عند الترددات. تجاوز القيمة المرجعية المحددة مسبقًا وهي 3 ديسيبل. من خلال الجمع بين البيانات الإحصائية في الشكل 4، يمكن ملاحظة أن انحراف الانعكاس داخل نطاق التردد يرتفع تدريجياً مع زيادة مسافة الاختبار. وبتحليل هذا التغير في الاتجاه، يكون الانحراف الإجمالي أقل من 1 ديسيبل أو حتى أقل ضمن مسافة حوالي 200 متر. مع الأخذ في الاعتبار أن الإشارة الصوتية الفعلية بها توهين انتشار وتداخل ضوضاء بيئية، في الاختبار الفعلي، يتم التحكم في الوضع الأفقي للاختبار على بعد 100 متر من الهدف، مما يمكن أن يحسن صحة ودقة نتائج الاختبار.

 

3 الاستنتاج

تقترح هذه الورقة طريقة لتقدير شدة مصدر الصوت لمحولات الطاقة الصوتية تحت الماء في المياه الضحلة بناءً على طريقة مصفوفة الاستجابة للتردد العكسي. يتم تحليل جدوى ودقة الطريقة والتحقق منها من منظور النظرية والمحاكاة. تستمد المقالة أولاً وتصف مبدأ طريقة IFRF؛ ويحلل سبب الخطأ في تقدير شدة مصدر الصوت من الاشتقاق النظري. بالمقارنة مع طريقة توهين الموجة الكروية التقليدية وطريقة تشكيل الشعاع، فإن وظيفة استجابة التردد العكسي تأخذ الإشارة المنعكسة من كل سطح حدودي كمدخل فعال، وتأخذ في الاعتبار أيضًا تأثير القناة الصوتية وتقلب مجال الصوت. أظهر تحليل المحاكاة أن الطريقة المقترحة لها أداء جيد في تقدير مستوى مصدر الصوت المستهدف في المياه الضحلة. وهذه الطريقة مناسبة لحالة البحار الضحلة ذات المظهر الجانبي للسرعة الصوتية الثابتة، وللهيدرولوجيا المعقدة أو. ويحتاج وضع قياس إشارة النطاق العريض إلى مزيد من الدراسة.