Odhad hladiny zdroje zvuku podvodního akustického měniče v mělké vodě

Pro řešení problému nízké přesnosti hodnocení hladiny vibrací a hluku podvodních akustických zařízení v mělkých vodách je navržena metoda odhadu hladiny zdroje zvuku založená na akustické inverzní frekvenční odezvové funkci (IFRF). Tato metoda představuje vícekanálovou přenosovou funkci jako rušení su perpozice zdroje zvuku a jeho víceřádového virtuálního zdroje. Přenosová matice vytváří vztah mezi komplexními sílami zdroje, komplexními tlaky v měřicích bodech a akustickým kanálem. Silné stránky zdroje podvodní akustický měnič lze přesně odhadnout z měření vyzařovaného akustického pole na základě inverze přenosové matrice. Je představen základní princip metody IFRF a analyzovány faktory ovlivňující chyby odhadu síly zdroje, včetně chyb odhadu podvodního akustického kanálu, chyb měření akustického tlaku a podmínek přenosové matice. Jsou prezentovány výsledky numerické simulační analýzy, které ukazují, že navrhovaná metoda je proveditelná a má dobrý výkon při odhadu hladiny zdroje zvuku podvodního akustického měniče.

 

S návrhem a prováděním národní strategie námořní energetiky byla věnována velká pozornost rozvoji námořní dopravy válcový podvodní převodník , ekologická ochrana, vědecký výzkum a ochrana práv. Podvodní akustické vybavení a bezpilotní podvodní vozidla (UUV, UUV, AUV) a vybavení pro lodní techniku ​​byly také rychle vyvinuty a poskytování přesných a účinných informací o výkonu zařízení silně podpoří vývoj různých převodníků. Intenzita podvodního zdroje zvuku je důležitým parametrem podvodního akustického zařízení při jeho provozu a souvisí s jeho vlastním výkonem a bezpečností. V současné době pro testování podvodních zdrojů hluku lze ve většině případů polohu zdroje hluku dobře lokalizovat a identifikovat, ale je obtížné přesně změřit intenzitu cílového zdroje zvuku. Pokud lze hladinu vyzařovaného zvuku zdroje hluku přesně změřit nebo vyhodnotit, může poskytnout vodítko pro vývoj zařízení nebo odhad výkonu a rozšířit jej na podvodní navigaci. Vyhodnocení hladiny podvodního hluku vozidel nebo cílů, jako je účinnost jejich hladiny hluku plavby, poskytne vyhodnocení efektu jejich plavby lodí nebo cílů. opatření. V prostředí s mělkou vodou ovlivní odražený zvuk od rozhraní a dalších zdrojů rušivého zvuku na pozadí test cílového podvodního vyzařovaného zvukového pole. Pokud lze přímý zvuk cíle oddělit od rušivého zvuku specifickým algoritmem, lze zdroj zvuku přesně odhadnout. Informace, metoda matice inverzní frekvenční odezvy (Inverse Frequency Response Function, IFRF) Jako algoritmus prostorové transformace má vysokou přesnost Ground a lze jej použít k identifikaci zdrojů zvuku a vizualizaci zvukového pole komplexních struktur zvukového systému a není omezena praktickou metodou testování zdroje zvuku IF, která není omezena praktickým testovacím polem. zobrazování v prostředí vzduchu. S podrobnější teoretickou analýzou vědci z různých zemí také postupně studovali a rozvíjeli teorii v pozdější době. Ale existují výzkumní mistři. Musí být koncentrován v prostředí místnosti s nedozvukem vzduchu a dosáhl dobrých výsledků. Pokud lze metodu zavést do skutečného prostředí mělké vody, lze ji použít pro testování a vyhodnocování intenzity záření zdroje vibračního zvuku výrazně zlepší problém špatné přesnosti testu intenzity cílového zdroje zvuku v prostředí mělké vody. Vzhledem k výše uvedeným problémům bere tento článek jako výzkumný objekt monopolní zdroj zvuku a za předpokladu sférické vlny je funkce přenosu kanálů modelována jako zdroj radiovirtuálního vektorového šíření zvuku. k invertování cílové hodnoty úrovně vyzařovaného zdroje zvuku a jsou vyhodnoceny faktory, které ovlivňují přesnost odhadu úrovně zdroje zvuku. Analýza úvah a související simulační analýza založená na stanoveném modelu zvukového pole výsledky ukazují, že metoda odhaduje zdroj zvuku vyzařovaný podvodním akustickým měničem Level je proveditelná a má vysoký stupeň přesnosti.

1.1 Metoda inverzní frekvenční odezvové matice

Funkce frekvenční odezvy určuje vztah mezi skutečným akustickým tlakem okolního prostředí a cílovým zdrojem zvuku. Funkční matici lze přímo měřit nebo předat. Vypočítá se numerický model a zvukové pole se změří polem hydrofonů, aby se získala matice funkce frekvenční odezvy a komplexní akustický tlak zvukového pole. Po výpočtu lze z měření zvukového pole odhadnout intenzitu zdroje zvuku. Pokud vezmeme v úvahu případ jednobodového zdroje zvuku, připojení piezoelektrického prvku na zvukové pole. Signál přijímacího měniče je signál zdroje zvuku a funkce odezvy podvodního akustického kanálu, kde q(hs,t) je hloubka zdroje zvuku v hs a p(hm,t) je hloubka. Signál odezvy v časové doméně přijatý v měřicím bodě hm, H(hs,hm) je funkce přijímacího kanálu od zdroje k usnadnění analýzy bodu. rozhodli jsme se analyzovat vztah šíření zvuku ve frekvenční doméně a použít matici k reprezentaci ideálního pole akvizičního signálu a zvuku.

 

Vztah mezi zdroji, P je vektor komplexního akustického tlaku řádu M×1, Q je vektor intenzity zdroje zvuku (včetně imaginárního zdroje), H je matice komplexní frekvenční odezvy, kde výraz Hi,j souvisí s i-tým zdrojem zvuku s i-tým zdrojem zvuku. Akustická přenosová funkce mezi j prvky. Při vlastním měření přinesou určité chyby šumové rušení nebo podmíněné předpoklady. Proto je třeba k ideálnímu akustickému tlaku měření přidat vektor e. Vektor e představuje odchylku mezi naměřenou hodnotou akustického tlaku a ideální hodnotou akustického tlaku P. Aby bylo dosaženo obou. K dosažení 'nejlepší shody' je tradiční metodou použití metody nejmenších čtverců. Definujte nákladovou funkci: Je snadné dokázat, že intenzita zdroje zvuku při získání minimální hodnoty rovnice je nejlepším odhadovaným řešením.

 

1.2 Analýza chyb

Prostřednictvím analýzy chyb lze najít zdroj chyby odhadu a může poskytnout základní vodítko pro skutečné měření, aby se chyba snížila. Bez ztráty obecnosti .V tomto případě provedeme hloubkovou analýzu odhadované intenzity zdroje zvuku vypočítané v oddílu a zvážíme použití užitečné vlastnosti matice 2-norma, tedy pro matice A a B. Číslo podmínky matice souvisí se stavem matice. Když je stav příliš velký, matice je ve špatném stavu a v tuto chvíli bude dán cílový odhad. Přináší velké chyby. Číslo podmínky matice je definováno.

 

2 Simulace a diskuse

Vzhledem k tomu, že skutečné prostředí zvukového pole je složité a proměnlivé, výkon metody do určité míry ovlivní různé faktory. Za účelem ověření IFRF. Metoda se používá k odhadu přesnosti a použitelnosti intenzity zdroje zvuku. Cílem je odhadnout intenzitu zdroje zvuku vyzařovaného monopólovým zdrojem zvuku a je použit software MATLAB. K analýze účinku metody IFRF v hlučném prostředí, aby se kvantifikovala chyba mezi odhadovanou hodnotou a skutečnou hodnotou, je vybrána střední kvadratická chyba, která reprezentuje výkon v širokém frekvenčním pásmu.

 

Simulační prostředí je jednotné prostředí mělké vody s plochým dnem, hloubkou vody 60 m a hloubkou zdroje zvuku je nastavena na 10 m, s použitím 33 juanů rovnoměrně rozmístěných vertikálně. K měření se používá lineární pole, rozteč prvků je 1 m, střed základního pole je v hloubce 22 m a signál je jednofrekvenční rozsah signálu 0~0 Hz 0~0 Hz. sférický podvodní akustický měnič . Za účelem simulace vlivu rušení šumem ve skutečném testovacím signálu se k signálu akustického tlaku získanému simulačním výpočtem připočítává Gaussův bílý šum. Proto je na obrázku 1 uveden vztah mezi rozdílem mezi odhadovanou hodnotou intenzity zdroje zvuku a skutečnou hodnotou s frekvencí a hladinou hluku.

Aby se zvýraznily charakteristiky změny křivky, křivka změny chyby odpovídající poměru signálu k šumu 3dB a 10dB je znázorněna na obrázku 2, tabulka Střední kvadratická hodnota chyby odhadu intenzity zdroje zvuku v odpovídajícím frekvenčním pásmu některých poměrů signálu k šumu.

Z výsledků na obrázku 1 a obrázku 2 je vidět, že ve frekvenčním rozsahu 100Hz~10kHz sférický hydrofonový měnič , chyba odhadu intenzity zdroje zvuku se mění nepravidelně s frekvencí. Při nízkém odstupu signálu od šumu přesahuje chyba v některých frekvenčních bodech přednastavenou referenční hodnotu 3 dB, se zlepšením odstupu signálu od šumu se tato situace výrazně oslabila a celková chybová křivka bývá stabilní. V kombinaci se statistickou analýzou dat v tabulce 1 se celková chyba ve frekvenčním pásmu postupně snižuje a stabilizuje se zvyšováním odstupu signálu od šumu a stále má vyšší přesnost při nižším poměru signálu k šumu, což ukazuje na účinnost metody IFRF. Sex a přesnost.

 

(2) Vliv horizontální vzdálenosti na odhad hladiny zdroje zvuku

V důsledku rozšiřování zvukových vln s rostoucí vzdáleností je velikost zvukového signálu v různých horizontálních vzdálenostech ve stejné hloubce různá. Aby bylo možné analyzovat vliv pole měření v různých horizontálních vzdálenostech na přesnost úrovně zdroje zvuku odhadnuté metodou IFRF, předpokládá se, že každý poměr signálu k šumu měřicího signálu na horizontální vzdálenosti je stejný. Podle analýzy textu je poměr signálu k šumu zvolen jako 10 dB pro analýzu odpovídajících testovacích podmínek různých testovacích vzdáleností. Obrázek 3 uvádí odpovídající výsledky simulace pro některé vzdálenosti. Střední kvadratická hodnota chyby odhadu úrovně zdroje zvuku v odpovídajícím frekvenčním pásmu.

 

Porovnáním a analýzou výsledků simulace na obrázku 3 je vidět, že má podobné charakteristiky jako změny hluku. Jak se horizontální zkušební vzdálenost zvětšuje, křivka chyb odhadu celkové hladiny zvuku prudčeji kolísá a na frekvencích bude více chyb. Překročení předem stanovené referenční hodnoty 3dB. Kombinací statistických dat na obrázku 4 je vidět, že odchylka inverze v rámci frekvenčního pásma postupně narůstá s narůstající zkušební vzdáleností. Při analýze této změny trendu je celková odchylka menší než 1 dB nebo dokonce nižší ve vzdálenosti asi 200 m. Vzhledem k tomu, že skutečný akustický signál má útlum šíření a rušení okolního hluku, ve skutečném testu je horizontální poloha testu řízena do 100 m od cíle, což může zlepšit platnost a přesnost výsledků testu.

 

3 Závěr

Tento článek navrhuje metodu pro odhad intenzity zdroje zvuku podvodních akustických měničů v mělkých vodách na základě metody inverzní frekvenční matice. Proveditelnost a přesnost metody je analyzována a ověřena z pohledu teorie a simulace. Článek nejprve odvozuje a popisuje princip metody IFRF; a analyzuje příčinu chyby v odhadu intenzity zdroje zvuku z teoretického odvození. Ve srovnání s tradiční metodou útlumů sférických vln a metodou formování paprsku bere funkce inverzní frekvenční odezvy odražený signál od každého hraničního povrchu jako efektivní vstup a také bere v úvahu vliv akustického kanálu a kolísání zvukového pole. Simulační analýza ukazuje, že navrhovaná metoda má dobrou výkonnost při odhadu cílové hladiny zdroje zvuku v mělké vodě. Tato metoda je vhodná pro případ mělkých moří s konstantním profilem rychlosti zvuku a pro komplexní hydrologii nebo situaci měření širokopásmového signálu vyžaduje další studium.