Estimering af lydkildeniveau for akustisk undervandstransducer i lavt vand

En metode til estimering af lydkildeniveau baseret på den akustiske inverse frekvensresponsfunktion (IFRF) foreslås for at løse problemet med dårlig nøjagtighed af vurderingen af ​​vibrations- og støjniveauet for akustisk undervandsudstyr i lavt vand. Denne metode repræsenterer multi-kanal transmissionsfunktionen som interferensoverlejring af lydkilden og dens multi-ordens virtuelle kilde. Overførselsmatrixen opbygger forholdet mellem de komplekse kildestyrker, de komplekse tryk ved målepunkter og den akustiske kanal. Kildestyrkerne ved akustisk undervandstransducer kan estimeres nøjagtigt ud fra den udstrålede akustiske feltmåling baseret på inversionen af ​​overførselsmatrix. Grundprincippet i IFRF-metoden introduceres, og indflydelsesfaktorerne for kildestyrkestimeringsfejl analyseres, herunder de akustiske undervandskanalestimeringsfejl, lydtryksmålefejl og betingelserne for overførselsmatrixen. Resultaterne af numerisk simuleringsanalyse præsenteres, hvilket indikerer, at den foreslåede metode er gennemførlig og har en god ydeevne til at estimere lydkildeniveauet for en akustisk undervandstransducer.

 

Med forslaget og implementeringen af ​​den nationale maritime magtstrategi har der været stor opmærksomhed på udviklingen af ​​marine cylinderisk undervandstransducer , økologisk beskyttelse, videnskabelig forskning og beskyttelse af rettigheder. Det akustiske undervandsudstyr og ubemandede undervandsfartøjer (UUV, UUV, AUV) og skibsteknisk udstyr er også blevet hurtigt udviklet, og tilvejebringelsen af ​​nøjagtige og effektive oplysninger om udstyrs ydeevne vil stærkt understøtte udviklingen af ​​forskellige transducere. Intensiteten af ​​undervandsudstrålet lydkilde er en vigtig parameter for akustisk undervandsudstyr, når det fungerer, og det er relateret til dets egen ydeevne og sikkerhed. For øjeblikket, til test af undervandsstøjkilder, kan positionen af støjkilden i de fleste tilfælde være godt lokaliseret og identificeret, men det er vanskeligt nøjagtigt at måle intensiteten af mållydkilden. Hvis det udstrålede lydniveau fra støjkilden kan måles eller evalueres nøjagtigt, kan det give vejledning til udvikling af udstyr eller estimering af ydeevne af navigationsniveauet under vand, og udvide det til undervandsniveauet, f.eks. rejsende køretøjer eller overfladeskibe vil give en effektiv evaluering af deres støjniveau eller effekten af akustiske behandlingsforanstaltninger. I et lavt vandmiljø vil den reflekterede lyd fra grænsefladen og andre baggrundsinterferenslydkilder påvirke målets undervandsudstrålede lydfelttest. Hvis målets direkte lyd kan adskilles fra interferenslyden ved hjælp af en specifik algoritme, kan lydkilden estimeres nøjagtigt Information, invers frekvensrespons matrixmetode (Inverse Frequency Response Function, IFRF) Som en rumlig transformationsalgoritme har den en høj jordnøjagtighed og kan bruges til at identificere lydkilder, som ikke er afgrænsede, og hvilke lydkilder, der ikke er praktiske, og visualisere lyden. testmetode af IFRF-metoden i nærfeltslydkildebilleddannelse i luftmedium. Med mere detaljeret teoretisk analyse har forskere fra forskellige lande også successivt studeret og udviklet teorien i den efterfølgende tid. Men der har været forskermestre. Det skal koncentreres i det luftfrie rummiljø og har opnået gode resultater. Hvis metoden kan introduceres i det faktiske lavtvandsmiljø, kan den bruges til at teste og evaluere strålingsintensiteten af vibrationslydkilden, vil væsentligt forbedre problemet med dårlig nøjagtighed af mållydkildens intensitetstesten i et lavt vandmiljø. I lyset af ovenstående problemer tager denne artikel monopol lydkilde som forskningsobjekt, og under antagelsen om kanaloverførselsfunktionen som en kanaloverførselsfunktion er vektor- bølgemodellen som multi-sfærisk bølgemodel. superposition af radiolydudbredelse, IFRF-metoden bruges til at invertere den måludstrålede lydkildeniveauværdi, og de faktorer, der påvirker nøjagtigheden af lydkildeniveauestimeringen, evalueres. Begrundelsesanalyse, og tilhørende simuleringsanalyse baseret på den etablerede lydfeltsmodel, viser resultaterne, at metoden estimerer lydkilden udstrålet af den undervands akustiske transducer Niveauet er en høj grad af nøjagtighed.

1.1 Invers frekvensrespons matrixmetode

Frekvensresponsfunktionen etablerer forholdet mellem det faktiske miljømålingslydtryk og mållydkilden. Funktionsmatrixen kan måles direkte eller passeres.Den numeriske model beregnes, og lydfeltet måles af hydrofonarrayet for at opnå frekvensresponsfunktionsmatricen og lydfeltets komplekse lydtryk. Efter beregning kan intensiteten af ​​lydkilden estimeres ud fra lydfeltmålingen. I betragtning af tilfældet med en enkeltpunktslydkilde, er tilslutningen af piezo-elementet på lydgruppen. Det modtagende transducersignal er lydkildens emissionssignal og den undervands akustiske kanalresponsfunktion, hvor q(hs,t) er dybden af lydkilden ved hs, og p(hm,t) er dybden, der modtages ved domain,hmash)-signalet. den akustiske kanalresponsfunktion fra lydkilden til modtagepunktet. For at lette analysen vælger vi at analysere lydudbredelsesforholdet i frekvensdomænet og bruge en matrix til at repræsentere det ideelle array-opsamlingssignal og lyd.

 

Forholdet mellem kilderne, P er M×1 ordens komplekse lydtryksvektor, Q er lydkildens intensitetsvektor (inklusive den imaginære kilde), H er den komplekse frekvensrespons matrix, hvor udtrykket Hi,j er relateret til den i'te lydkilde til den i'te lydkilde. Akustisk overførselsfunktion mellem j elementer. I selve målingen vil støjinterferens eller betingede antagelser medføre visse fejl. Derfor skal vektor e tilføjes til det ideelle målelydtryk. Vektoren e repræsenterer afvigelsen mellem den målte lydværdi og den ideelle lydtrykværdi P. For at opnå begge For at opnå den 'bedste match', er den traditionelle metode at bruge mindste kvadraters metode. Definer en omkostningsfunktion: Det er let at bevise, at lydkildens intensitet, når minimumsværdien af ​​ligningen er opnået, er den bedst estimerede løsning.

 

1.2 Fejlanalyse

Gennem fejlanalyse kan kilden til estimeringsfejlen findes, og den kan give grundlæggende vejledning til selve målearbejdet for at reducere fejlen. Uden tab af generalitet .I dette tilfælde udfører vi en dybdegående analyse af den estimerede lydkildeintensitet beregnet i Afsnit og overvejer brugen af ​​en nyttig egenskab ved matrix 2-normen, det vil sige for matricerne A og B. Matricens tilstandsnummer er relateret til matricens tilstand. Når tilstanden er for stor, er matrixen i en dårligt konditioneret tilstand, og målestimatet vil blive givet på dette tidspunkt. Bring store fejl. Matrixbetingelsesnummeret er defineret.

 

2 Simulering og diskussion

Da selve lydfeltsmiljøet er komplekst og foranderligt, vil forskellige faktorer i et vist omfang påvirke metodens ydeevne. For at verificere IFRF. Metoden bruges til at estimere nøjagtigheden og anvendeligheden af ​​lydkildens intensitet. Målet er at estimere intensiteten af ​​lydkilden, der udstråles af den monopole lydkilde, og MATLAB-softwaren bruges. For at analysere effekten af ​​IFRF-metoden i et støjende miljø, for at kvantificere fejlen mellem den estimerede værdi og den faktiske værdi, vælges grundmiddelkvadratfejlen til at repræsentere ydeevnen i et bredt frekvensbånd.

 

Simuleringsmiljøet er et ensartet lavtvandsmiljø med en flad bund, en vanddybde på 60m, og lydkildedybden er indstillet til 10m, ved hjælp af 33 yuan ligeligt fordelt lodret. Den lineære array bruges til måling, elementafstanden er 1m, midten af basisarrayet er i en dybde på 22m, signalet er en dybde på 22m. 100Hz~10kHz sfærisk akustisk undervandstransducer . For at simulere påvirkningen af ​​støjinterferens i det aktuelle testsignal tilføjes Gaussisk hvid støj til lydtrykssignalet opnået ved simuleringsberegningen. Derfor er sammenhængen mellem forskellen mellem den estimerede værdi af lydkildens intensitet og den sande værdi med frekvens og støjniveau vist i figur 1.

For at fremhæve kurvens ændringskarakteristika er fejlændringskurven svarende til signal-til-støj-forholdet på 3dB og 10dB vist i figur 2, tabel Grund-middel-kvadratværdien af ​​estimeringsfejlen for lydkildens intensitet i det tilsvarende frekvensbånd af nogle signal-til-støj-forhold.

Fra resultaterne af figur 1 og figur 2 kan det ses, at i frekvensområdet 100Hz~10kHz sfærisk hydrofontransducer , lydkildens intensitetsestimeringsfejl varierer uregelmæssigt med frekvensen. Når signal-til-støj-forholdet er lavt, overstiger fejlen ved nogle frekvenspunkter 3dB forudindstillet referenceværdi, med forbedringen af ​​signal-til-støj-forholdet er denne situation blevet væsentligt svækket, og den samlede fejlkurve har tendens til at være stabil. Kombineret med den statistiske dataanalyse i tabel 1 reduceres den samlede fejl i frekvensbåndet gradvist og stabiliseres med stigningen i signal-til-støj-forholdet, og det har stadig en højere nøjagtighed ved et lavere signal-til-støj-forhold, hvilket indikerer effektiviteten af ​​IFRF-metoden. Sex og nøjagtighed.

 

(2) Indflydelsen af ​​vandret afstand på estimering af lydkildeniveau

På grund af udvidelsen af ​​lydbølger med forøgelsen af ​​afstanden, er størrelsen af ​​lydsignalet ved forskellige vandrette afstande i samme dybde forskellig. For at analysere indflydelsen af ​​målearrayet ved forskellige vandrette afstande på nøjagtigheden af ​​lydkildeniveauet estimeret ved IFRF-metoden, antages det, at hver Signal-støjforholdet for målesignalet ved den horisontale afstand er det samme. Ifølge analysen af ​​teksten er signal-til-støj-forholdet valgt som 10dB for at analysere de tilsvarende testbetingelser for forskellige testafstande. Figur 3 viser de tilsvarende simuleringsresultater for nogle afstande. Den kvadratiske middelværdi af estimeringsfejlen for lydkildeniveauet i det tilsvarende frekvensbånd.

 

Ved at sammenligne og analysere simuleringsresultaterne i figur 3 kan det ses, at det har lignende karakteristika som støjændringer. Efterhånden som den horisontale testafstand øges, svinger den overordnede lydkildeniveauestimeringsfejlkurve kraftigere, og der vil være flere fejl ved frekvenserne. Overskridelse af den forudbestemte referenceværdi på 3dB. Ved at kombinere de statistiske data i figur 4 kan det ses, at inversionsafvigelsen inden for frekvensbåndet gradvist stiger i takt med, at testafstanden øges. Ved at analysere denne trendændring er den samlede afvigelse mindre end 1dB eller endnu lavere inden for en afstand på omkring 200m. I betragtning af, at det faktiske akustiske signal har udbredelsesdæmpning og interferens med miljøstøj, kontrolleres testens vandrette position i den faktiske test inden for 100 m fra målet, hvilket kan forbedre validiteten og nøjagtigheden af ​​testresultaterne.

 

3 Konklusion

Denne artikel foreslår en metode til at estimere lydkildeintensiteten af ​​akustiske undervandstransducere i lavt vand baseret på den omvendte frekvensrespons matrixmetode. Gennemførligheden og nøjagtigheden af ​​metoden analyseres og verificeres ud fra et teori- og simuleringsperspektiv. Artiklen udleder og beskriver først princippet i IFRF-metoden; og analyserer årsagen til fejlen i lydkildens intensitetsestimat fra den teoretiske udledning. Sammenligning med den traditionelle sfæriske bølgedæmpningsmetode og stråleformningsmetode tager den inverse frekvensresponsfunktion det reflekterede signal fra hver grænseflade som et effektivt input og tager også højde for indflydelsen af ​​den akustiske kanal og lydfeltets udsving. Simuleringsanalysen viser, at den foreslåede metode har en god ydeevne ved estimering af mållydkildeniveau i lavt vand. Denne metode er velegnet til tilfælde af lavvandede hav med konstant lydhastighedsprofil og til kompleks hydrologi eller Situationen med bredbåndssignalmåling skal undersøges nærmere.