برآورد سطح منبع صوتی مبدل صوتی زیر آب در آب کم عمق

یک روش تخمین سطح منبع صدا بر اساس تابع پاسخ فرکانس معکوس صوتی (IFRF) برای حل مشکل دقت ضعیف ارزیابی ارتعاش و سطح نویز تجهیزات صوتی زیر آب در آب‌های کم عمق پیشنهاد شده‌است. این روش تابع انتقال چند کاناله را به عنوان تداخل سوپرپوزیشن منبع صدا و منبع مجازی چند منظوره آن نشان می دهد. ماتریس انتقال رابطه بین نقاط قوت منبع پیچیده، فشارهای پیچیده در نقاط اندازه گیری و کانال صوتی را ایجاد می کند. نقاط قوت منبع از مبدل صوتی زیر آب را می توان با دقت از اندازه گیری میدان صوتی تابشی بر اساس وارونگی ماتریس انتقال تخمین زد. اصل اساسی روش IFRF معرفی می‌شود و عوامل مؤثر بر خطاهای تخمین قدرت منبع، از جمله خطاهای تخمین کانال صوتی زیر آب، خطاهای اندازه‌گیری فشار صوت، و شرایط ماتریس انتقال، تحلیل می‌شوند. نتایج تحلیل شبیه‌سازی عددی ارائه شده است که نشان می‌دهد روش پیشنهادی قابل اجرا بوده و عملکرد خوبی در تخمین سطح منبع صوتی مبدل صوتی زیر آب دارد.

 

با پیشنهاد و اجرای استراتژی ملی نیروی دریایی، توجه زیادی به توسعه دریانوردی شده است مبدل زیر آب استوانه ای ، حفاظت از محیط زیست، تحقیقات علمی و حفاظت از حقوق. تجهیزات آکوستیک زیر آب و وسایل نقلیه زیر آب بدون سرنشین (UUV، UUV، AUV) و تجهیزات مهندسی دریایی نیز به سرعت توسعه یافته اند و ارائه اطلاعات دقیق و موثر عملکرد تجهیزات به شدت از توسعه مبدل های مختلف پشتیبانی می کند. شدت منبع صوتی تابش شده زیر آب یک پارامتر مهم تجهیزات آکوستیک زیر آب در هنگام کار است و به عملکرد و ایمنی خود مربوط می شود. در حال حاضر، برای آزمایش منابع نویز زیر آب، در بیشتر موارد، موقعیت منبع نویز را می توان به خوبی قرار داد و شناسایی کرد، اما اندازه گیری دقیق شدت منبع صدای هدف دشوار است. اگر سطح صدای تابشی منبع نویز را بتوان به طور دقیق اندازه گیری یا ارزیابی کرد، می تواند راهنمایی هایی را برای توسعه تجهیزات یا تخمین عملکرد در زیر ارزیابی سطح ناوبری ارائه دهد، و آن را به سطح ناوبری تعمیم دهد. اهدافی مانند وسایل نقلیه مسافربری یا کشتی‌های سطحی ارزیابی مؤثری از سطح سر و صدا یا تأثیر اقدامات درمانی صوتی ارائه می‌کنند. در یک محیط آب کم عمق، صدای منعکس شده از رابط و دیگر منابع صوتی تداخل پس‌زمینه بر آزمایش میدان صوتی تابش شده زیر آب هدف تأثیر می‌گذارد. اگر بتوان صدای مستقیم هدف را با الگوریتم خاصی از صدای تداخل جدا کرد، منبع صدا را می توان به طور دقیق تخمین زد. روش آزمایش روش IFRF در تصویربرداری منبع صوتی میدان نزدیک در محیط هوا. با تجزیه و تحلیل نظری دقیق تر، محققان کشورهای مختلف نیز به طور متوالی این نظریه را در زمان های بعدی مطالعه و توسعه دادند. اما استادان پژوهشی نیز وجود داشته است. باید در محیط اتاق ناخوشایند هوا متمرکز شود و به نتایج خوبی رسیده است. اگر بتوان این روش را در محیط واقعی آب کم عمق معرفی کرد، می توان از آن برای آزمایش و ارزیابی شدت تابش منبع صوتی ارتعاشی استفاده کرد، مشکل دقت ضعیف تست شدت منبع صوتی هدف در یک محیط آب کم عمق را به طور قابل توجهی بهبود می بخشد. با توجه به مشکلات فوق، این مقاله منبع صوتی تک قطبی را به عنوان شی تحقیق در نظر می گیرد، و به عنوان مدل تابع انتقال spher به عنوان مجموع wap است. تابش منبع چند مجازی. برهم نهی برداری انتشار صدای رادیویی، روش IFRF برای معکوس کردن مقدار سطح منبع صوتی تابش شده هدف استفاده می‌شود و عواملی که بر دقت تخمین سطح منبع صدا تأثیر می‌گذارند ارزیابی می‌شوند. دقت

1.1 روش ماتریس پاسخ فرکانس معکوس

تابع پاسخ فرکانس رابطه بین فشار صوت اندازه گیری واقعی محیط و منبع صدای هدف را ایجاد می کند. ماتریس تابع را می‌توان مستقیماً اندازه‌گیری یا پاس داد. با در نظر گرفتن مورد منبع صدای تک نقطه ای، اتصال عنصر پیزو روی آرایه صدا. سیگنال مبدل گیرنده سیگنال انتشار منبع صدا و تابع پاسخ کانال صوتی زیر آب است، که در آن q(hs,t) عمق منبع صدا در hs و p(hm,t) عمق است. تابع پاسخ کانال از منبع صدا به نقطه دریافت کننده. به منظور تسهیل در تجزیه و تحلیل، ما انتخاب می کنیم تا رابطه انتشار صدا در حوزه فرکانس را تجزیه و تحلیل کنیم و از یک ماتریس برای نشان دادن سیگنال و صدا ایده آل جذب آرایه استفاده کنیم.

 

رابطه بین منابع، P بردار فشار صوت پیچیده مرتبه M×1، Q بردار شدت منبع صدا (شامل منبع خیالی)، H ماتریس پاسخ فرکانسی پیچیده است، که در آن عبارت Hi,j مربوط به منبع صوتی i به منبع صوتی i است. تابع انتقال آکوستیک بین عناصر j. در اندازه گیری واقعی، تداخل نویز یا فرضیات مشروط خطاهای خاصی را به همراه خواهد داشت. بنابراین، بردار e باید به فشار صوتی اندازه گیری ایده آل اضافه شود. بردار e نشان دهنده انحراف بین مقدار صدای اندازه گیری شده و مقدار فشار صوت ایده آل P است. برای ایجاد هر دو برای دستیابی به 'بهترین تطابق'، روش سنتی استفاده از روش حداقل مربعات است. تعریف تابع هزینه: به راحتی می توان ثابت کرد که شدت منبع صوت زمانی که حداقل مقدار معادله به دست می آید بهترین راه حل تخمینی است.

 

1.2 تجزیه و تحلیل خطا

از طریق تجزیه و تحلیل خطا، منبع خطای تخمین را می توان یافت و می تواند راهنمایی اساسی برای کار اندازه گیری واقعی برای کاهش خطا ارائه دهد. بدون از دست دادن کلیت. در این مورد، ما یک تجزیه و تحلیل عمیق از شدت منبع صوت تخمینی محاسبه شده در بخش و با در نظر گرفتن استفاده از ویژگی مفید ماتریس 2-norm، یعنی برای ماتریس های A و B انجام می دهیم. شماره شرط ماتریس با وضعیت ماتریس مرتبط است. هنگامی که شرط خیلی بزرگ است، ماتریس در وضعیت بد شرطی قرار دارد و تخمین هدف در این زمان داده می شود. خطاهای بزرگ بیاورید. شماره شرط ماتریس تعریف شده است.

 

2 شبیه سازی و بحث

از آنجایی که محیط میدان صوتی واقعی پیچیده و قابل تغییر است، عوامل مختلف تا حدودی بر عملکرد روش تأثیر می‌گذارند. به منظور تأیید IFRF. روش برای تخمین دقت و کاربرد شدت منبع صدا استفاده می شود. هدف تخمین شدت منبع صوتی تابش شده توسط منبع صوتی تک قطبی است و از نرم افزار MATLAB استفاده می شود. برای تجزیه و تحلیل اثر روش IFRF در یک محیط پر سر و صدا، به منظور کمی سازی خطا بین مقدار تخمین زده شده و مقدار واقعی، ریشه میانگین مربع خطا انتخاب می شود تا عملکرد را در یک باند فرکانس وسیع نشان دهد.

 

محیط شبیه سازی یک محیط آب کم عمق یکنواخت با کف صاف، عمق آب 60 متر، و عمق منبع صدا با استفاده از 33 یوان با فاصله عمودی مساوی روی 10 متر تنظیم شده است. آرایه خطی برای اندازه گیری استفاده می شود، فاصله عنصر 1 متر، مرکز آرایه پایه در عمق و علامت فرکانس منفرد 22 متر است، 100 هرتز تا 10 کیلوهرتز آکوستیک کروی زیر آب مبدل به منظور شبیه سازی تأثیر تداخل نویز در سیگنال آزمایش واقعی، نویز سفید گاوسی به سیگنال فشار صوتی به دست آمده توسط محاسبات شبیه سازی اضافه می شود. بنابراین، رابطه بین مقدار برآورد شده شدت منبع صوت و مقدار واقعی با فرکانس و سطح نویز در شکل 1 نشان داده شده است.

به منظور برجسته کردن ویژگی های تغییر منحنی، منحنی تغییر خطا مربوط به نسبت سیگنال به نویز 3dB و 10dB در شکل 2 نشان داده شده است، جدول مقدار ریشه میانگین مربع خطای تخمین شدت منبع صدا در باند فرکانس متناظر برخی نسبت سیگنال به نویز.

از نتایج شکل 1 و شکل 2 می توان دریافت که در محدوده فرکانسی 100Hz~10kHz مبدل کروی هیدروفون ، خطای برآورد شدت منبع صدا به طور نامنظم با فرکانس متفاوت است. هنگامی که نسبت سیگنال به نویز کم است، خطا در برخی از نقاط فرکانس از مقدار مرجع از پیش تعیین شده 3 دسی بل فراتر می رود، با بهبود نسبت سیگنال به نویز، این وضعیت به طور قابل توجهی تضعیف شده است و منحنی خطای کلی تمایل به پایداری دارد. همراه با تجزیه و تحلیل داده های آماری در جدول 1، خطای کلی در باند فرکانسی به تدریج کاهش می یابد و با افزایش نسبت سیگنال به نویز تثبیت می شود و همچنان در نسبت سیگنال به نویز کمتر از دقت بالاتری برخوردار است که نشان دهنده اثربخشی روش IFRF است. جنسیت و دقت.

 

(2) تأثیر فاصله افقی بر تخمین سطح منبع صدا

به دلیل گسترش امواج صوتی با افزایش فاصله، بزرگی سیگنال صوتی در فواصل افقی مختلف در یک عمق متفاوت است. به منظور تجزیه و تحلیل تأثیر آرایه اندازه گیری در فواصل افقی مختلف بر روی دقت سطح منبع صوت برآورد شده با روش IFRF، فرض می شود که هر نسبت سیگنال به نویز سیگنال اندازه گیری در فاصله افقی یکسان است. با توجه به تجزیه و تحلیل متن، نسبت سیگنال به نویز به عنوان 10dB انتخاب شده است تا شرایط آزمون مربوطه در فواصل مختلف آزمایش را تجزیه و تحلیل کند. شکل 3 نتایج شبیه سازی مربوطه را برای برخی فواصل فهرست می کند. ریشه میانگین ارزش مربع خطای تخمین سطح منبع صدا در باند فرکانسی مربوطه.

 

با مقایسه و تجزیه و تحلیل نتایج شبیه سازی در شکل 3، می توان دریافت که ویژگی های مشابهی با تغییرات نویز دارد. با افزایش فاصله آزمایش افقی، منحنی خطای برآورد سطح منبع صدا به شدت نوسان می کند و خطاهای بیشتری در فرکانس ها وجود خواهد داشت. فراتر از مقدار مرجع از پیش تعیین شده 3dB. با ترکیب داده های آماری در شکل 4، می توان دریافت که انحراف وارونگی در باند فرکانسی به تدریج با افزایش فاصله آزمون افزایش می یابد. با تجزیه و تحلیل این تغییر روند، انحراف کلی کمتر از 1dB یا حتی کمتر در فاصله حدود 200 متر است. با توجه به اینکه سیگنال صوتی واقعی دارای تضعیف انتشار و تداخل نویز محیطی است، در آزمایش واقعی، موقعیت افقی آزمایش در فاصله 100 متری از هدف کنترل می شود که می تواند اعتبار و دقت نتایج آزمایش را بهبود بخشد.

 

3 نتیجه گیری

این مقاله روشی را برای تخمین شدت منبع صوتی مبدل‌های صوتی زیر آب در آب‌های کم عمق بر اساس روش ماتریس پاسخ فرکانس معکوس پیشنهاد می‌کند. امکان سنجی و صحت روش از منظر تئوری و شبیه سازی تحلیل و تایید می شود. مقاله ابتدا اصل روش IFRF را استخراج و تشریح می کند. و علت خطا در برآورد شدت منبع صدا را از اشتقاق نظری تحلیل می کند. در مقایسه با روش سنتی میرایی موج کروی و روش تشکیل پرتو، تابع پاسخ فرکانس معکوس سیگنال منعکس شده از هر سطح مرزی را به عنوان ورودی موثر می گیرد و همچنین تأثیر کانال صوتی و نوسان میدان صوتی را در نظر می گیرد. تجزیه و تحلیل شبیه سازی نشان می دهد که روش پیشنهادی عملکرد خوبی در تخمین سطح منبع صوتی هدف در آب کم عمق دارد. این روش برای مورد دریاهای کم عمق با مشخصات سرعت صوت ثابت و برای هیدرولوژی پیچیده یا وضعیت اندازه‌گیری سیگنال پهنای باند نیاز به مطالعه بیشتر دارد.