उथले पानी में पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर के ध्वनि स्रोत स्तर का अनुमान

उथले पानी में पानी के नीचे ध्वनिक उपकरणों के कंपन और शोर स्तर के आकलन की खराब सटीकता की समस्या को हल करने के लिए ध्वनिक व्युत्क्रम आवृत्ति प्रतिक्रिया फ़ंक्शन (आईएफआरएफ) पर आधारित एक ध्वनि स्रोत स्तर आकलन विधि प्रस्तावित है। यह विधि मल्टी-चैनल ट्रांसमिशन फ़ंक्शन को ध्वनि स्रोत और उसके मल्टी ऑर्डर वर्चुअल स्रोत के हस्तक्षेप सुपरिस्थिति के रूप में दर्शाती है। स्थानांतरण मैट्रिक्स जटिल स्रोत शक्तियों, माप बिंदुओं पर जटिल दबाव और ध्वनिक चैनल के बीच संबंध बनाता है। की स्रोत ताकतें पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर का सटीक अनुमान लगाया जा सकता है। स्थानांतरण मैट्रिक्स के व्युत्क्रम के आधार पर विकिरणित ध्वनिक क्षेत्र माप से IFRF विधि का मूल सिद्धांत पेश किया गया है, और स्रोत शक्ति अनुमान त्रुटियों के प्रभावित करने वाले कारकों का विश्लेषण किया जाता है, जिसमें पानी के नीचे ध्वनिक चैनल अनुमान त्रुटियां, ध्वनि दबाव माप त्रुटियां और स्थानांतरण मैट्रिक्स की स्थितियां शामिल हैं। संख्यात्मक सिमुलेशन विश्लेषण के परिणाम प्रस्तुत किए गए हैं, जो इंगित करता है कि प्रस्तावित विधि व्यवहार्य है और पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर के ध्वनि स्रोत स्तर का अनुमान लगाने में अच्छा प्रदर्शन है।

 

राष्ट्रीय समुद्री शक्ति रणनीति के प्रस्ताव और कार्यान्वयन के साथ, समुद्री विकास पर बहुत ध्यान दिया गया है सिलेंडरिकल अंडरवाटर ट्रांसड्यूसर , पारिस्थितिक संरक्षण, वैज्ञानिक अनुसंधान और अधिकार संरक्षण। पानी के नीचे ध्वनिक उपकरण और मानव रहित पानी के नीचे वाहन (यूयूवी, यूयूवी, एयूवी) और समुद्री इंजीनियरिंग उपकरण भी तेजी से विकसित किए गए हैं, और सटीक और प्रभावी उपकरण प्रदर्शन जानकारी का प्रावधान विभिन्न ट्रांसड्यूसर के विकास का दृढ़ता से समर्थन करेगा। पानी के अंदर विकिरणित ध्वनि स्रोत की तीव्रता पानी के अंदर ध्वनिक उपकरण के संचालन के दौरान एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है, और यह उसके अपने प्रदर्शन और सुरक्षा से संबंधित है। वर्तमान में, पानी के भीतर शोर स्रोतों के परीक्षण के लिए, ज्यादातर मामलों में, शोर स्रोत की स्थिति को अच्छी तरह से स्थित और पहचाना जा सकता है, लेकिन लक्ष्य ध्वनि स्रोत की तीव्रता को सटीक रूप से मापना मुश्किल है। यदि शोर स्रोत के विकिरणित ध्वनि स्तर को सटीक रूप से मापा या मूल्यांकन किया जा सकता है, तो यह उपकरण विकास या प्रदर्शन अनुमान के लिए मार्गदर्शन प्रदान कर सकता है, और इसे पानी के नीचे नेविगेशन तक बढ़ा सकता है। यात्रा वाहनों या सतह जहाजों जैसे लक्ष्यों के पानी के नीचे शोर स्तर का मूल्यांकन उनके शोर स्तर या ध्वनिक के प्रभाव का प्रभावी मूल्यांकन प्रदान करेगा उपचार के उपाय. उथले पानी के वातावरण में, इंटरफ़ेस और अन्य पृष्ठभूमि हस्तक्षेप ध्वनि स्रोतों से प्रतिबिंबित ध्वनि लक्ष्य पानी के नीचे विकिरणित ध्वनि क्षेत्र परीक्षण को प्रभावित करेगी। यदि लक्ष्य की प्रत्यक्ष ध्वनि को एक विशिष्ट एल्गोरिदम द्वारा हस्तक्षेप ध्वनि से अलग किया जा सकता है, तो ध्वनि स्रोत का सटीक अनुमान लगाया जा सकता है जानकारी, व्युत्क्रम आवृत्ति प्रतिक्रिया मैट्रिक्स विधि (व्युत्क्रम आवृत्ति प्रतिक्रिया फ़ंक्शन, IFRF) एक स्थानिक परिवर्तन एल्गोरिथ्म के रूप में, इसमें उच्च ग्राउंड सटीकता है, और इसका उपयोग ध्वनि स्रोतों की पहचान करने और जटिल संरचनाओं के ध्वनि क्षेत्र की कल्पना करने के लिए किया जा सकता है, और यह ध्वनिक प्रणाली द्वारा सीमित नहीं है, जो वायु माध्यम में निकट-क्षेत्र ध्वनि स्रोत इमेजिंग में IFRF विधि की एक व्यावहारिक परीक्षण विधि है। अधिक के साथ विस्तृत सैद्धांतिक विश्लेषण के बाद, विभिन्न देशों के विद्वानों ने भी बाद के समय में सिद्धांत का क्रमिक अध्ययन और विकास किया है। लेकिन वहाँ अनुसंधान मास्टर्स रहे हैं। इसे वायु एनीकोइक कमरे के वातावरण में केंद्रित किया जाना चाहिए और अच्छे परिणाम प्राप्त किए हैं। यदि विधि को वास्तविक उथले पानी के वातावरण में पेश किया जा सकता है, तो इसका उपयोग कंपन ध्वनि स्रोत की विकिरण तीव्रता के परीक्षण और मूल्यांकन के लिए किया जा सकता है, जिससे उथले पानी के वातावरण में लक्ष्य ध्वनि स्रोत तीव्रता परीक्षण की खराब सटीकता की समस्या में काफी सुधार होगा। उपरोक्त समस्याओं को ध्यान में रखते हुए, यह पेपर मोनोपोल ध्वनि स्रोत को अनुसंधान वस्तु के रूप में लेता है, और गोलाकार तरंग की धारणा के तहत, चैनल ट्रांसफर फ़ंक्शन को बहु-आभासी स्रोत विकिरण के रूप में तैयार किया जाता है। रेडियो ध्वनि प्रसार का वेक्टर सुपरपोजिशन, आईएफआरएफ विधि है लक्ष्य विकिरणित ध्वनि स्रोत स्तर मान को उलटने के लिए उपयोग किया जाता है, और ध्वनि स्रोत स्तर अनुमान की सटीकता को प्रभावित करने वाले कारकों का मूल्यांकन किया जाता है। स्थापित ध्वनि क्षेत्र मॉडल के आधार पर तर्क विश्लेषण, और संबंधित सिमुलेशन विश्लेषण, परिणाम बताते हैं कि विधि पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर स्तर द्वारा उत्सर्जित ध्वनि स्रोत का अनुमान लगाना संभव है और इसमें उच्च स्तर की सटीकता है।

1.1 व्युत्क्रम आवृत्ति प्रतिक्रिया मैट्रिक्स विधि

आवृत्ति प्रतिक्रिया फ़ंक्शन वास्तविक पर्यावरणीय माप ध्वनि दबाव और लक्ष्य ध्वनि स्रोत के बीच संबंध स्थापित करता है। फ़ंक्शन मैट्रिक्स को सीधे मापा या पारित किया जा सकता है। संख्यात्मक मॉडल की गणना की जाती है, और ध्वनि क्षेत्र को आवृत्ति प्रतिक्रिया फ़ंक्शन मैट्रिक्स और ध्वनि क्षेत्र के जटिल ध्वनि दबाव प्राप्त करने के लिए हाइड्रोफोन सरणी द्वारा मापा जाता है। गणना के बाद, ध्वनि स्रोत की तीव्रता का अनुमान ध्वनि क्षेत्र माप से लगाया जा सकता है। एकल-बिंदु ध्वनि स्रोत के मामले को ध्यान में रखते हुए, ध्वनि सरणी पर पीजो तत्व का कनेक्शन। प्राप्त ट्रांसड्यूसर सिग्नल ध्वनि स्रोत उत्सर्जन संकेत और पानी के नीचे ध्वनिक चैनल प्रतिक्रिया फ़ंक्शन है, जहां क्यू (एचएस, टी) एचएस पर ध्वनि स्रोत की गहराई है, और पी (एचएम, टी) गहराई है। मापने वाले बिंदु एचएम, एच (एचएस, एचएम) पर प्राप्त समय डोमेन सिग्नल ध्वनि स्रोत से प्राप्त बिंदु तक ध्वनिक चैनल प्रतिक्रिया फ़ंक्शन है। विश्लेषण को सुविधाजनक बनाने के लिए, हम आवृत्ति डोमेन में ध्वनि प्रसार संबंध का विश्लेषण करना चुनते हैं, और आदर्श सरणी अधिग्रहण सिग्नल और ध्वनि का प्रतिनिधित्व करने के लिए एक मैट्रिक्स का उपयोग करते हैं।

 

स्रोतों के बीच संबंध, P, M×1 ऑर्डर जटिल ध्वनि दबाव वेक्टर है, Q ध्वनि स्रोत तीव्रता वेक्टर (काल्पनिक स्रोत सहित) है, H जटिल आवृत्ति प्रतिक्रिया मैट्रिक्स है, जहां Hi,j शब्द i-th ध्वनि स्रोत से i-th ध्वनि स्रोत से संबंधित है। जे तत्वों के बीच ध्वनिक स्थानांतरण समारोह। वास्तविक माप में, शोर हस्तक्षेप या सशर्त धारणाएं कुछ त्रुटियां लाएंगी। इसलिए, वेक्टर ई को आदर्श माप ध्वनि दबाव में जोड़ने की आवश्यकता है। वेक्टर ई मापा ध्वनि मान और आदर्श ध्वनि दबाव मान पी के बीच विचलन का प्रतिनिधित्व करता है। दोनों को 'सर्वोत्तम मिलान' प्राप्त करने के लिए, पारंपरिक विधि कम से कम वर्ग विधि का उपयोग करना है। लागत फ़ंक्शन को परिभाषित करें: यह साबित करना आसान है कि समीकरण का न्यूनतम मूल्य प्राप्त होने पर ध्वनि स्रोत की तीव्रता सबसे अच्छा अनुमानित समाधान है।

 

1.2 त्रुटि विश्लेषण

त्रुटि विश्लेषण के माध्यम से, अनुमान त्रुटि का स्रोत पाया जा सकता है, और यह त्रुटि को कम करने के लिए वास्तविक माप कार्य के लिए बुनियादी मार्गदर्शन प्रदान कर सकता है। व्यापकता के नुकसान के बिना। इस मामले में, हम अनुभाग में गणना की गई अनुमानित ध्वनि स्रोत तीव्रता का गहराई से विश्लेषण करते हैं और मैट्रिक्स 2-मानदंड की उपयोगी संपत्ति के उपयोग पर विचार करते हैं, जो कि मैट्रिक्स ए और बी के लिए है। मैट्रिक्स की स्थिति संख्या मैट्रिक्स की स्थिति से संबंधित है। जब स्थिति बहुत बड़ी होती है, तो मैट्रिक्स खराब स्थिति में होता है, और लक्ष्य अनुमान इस समय दिया जाएगा। बड़ी त्रुटियाँ लाएँ। मैट्रिक्स स्थिति संख्या परिभाषित है.

 

2 अनुकरण और चर्चा

चूँकि वास्तविक ध्वनि क्षेत्र का वातावरण जटिल और परिवर्तनशील है, विभिन्न कारक एक निश्चित सीमा तक विधि के प्रदर्शन को प्रभावित करेंगे। IFRF को सत्यापित करने के लिए। ध्वनि स्रोत की तीव्रता की सटीकता और प्रयोज्यता का अनुमान लगाने के लिए विधि का उपयोग किया जाता है। इसका उद्देश्य मोनोपोल ध्वनि स्रोत द्वारा उत्सर्जित ध्वनि स्रोत की तीव्रता का अनुमान लगाना है, और MATLAB सॉफ़्टवेयर का उपयोग किया जाता है। शोर वाले वातावरण में IFRF विधि के प्रभाव का विश्लेषण करने के लिए, अनुमानित मूल्य और वास्तविक मूल्य के बीच त्रुटि को मापने के लिए, एक विस्तृत आवृत्ति बैंड में प्रदर्शन का प्रतिनिधित्व करने के लिए मूल माध्य वर्ग त्रुटि का चयन किया जाता है।

 

सिमुलेशन वातावरण एक सपाट तल के साथ एक समान उथले पानी का वातावरण है, पानी की गहराई 60 मीटर है, और ध्वनि स्रोत की गहराई 10 मीटर पर सेट है, 33 युआन समान दूरी वाले ऊर्ध्वाधर का उपयोग करते हुए। माप के लिए रैखिक सरणी का उपयोग किया जाता है, तत्व रिक्ति 1 मीटर है, आधार सरणी का केंद्र 22 मीटर की गहराई पर है, और सिग्नल 100 हर्ट्ज ~ 10 किलोहर्ट्ज़ की सीमा में एक एकल-आवृत्ति निरंतर सिग्नल है गोलाकार पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर । वास्तविक परीक्षण सिग्नल में शोर हस्तक्षेप के प्रभाव का अनुकरण करने के लिए, सिमुलेशन गणना द्वारा प्राप्त ध्वनि दबाव सिग्नल में गाऊसी सफेद शोर जोड़ा जाता है। इसलिए, ध्वनि स्रोत की तीव्रता के अनुमानित मूल्य और आवृत्ति और शोर स्तर के साथ वास्तविक मूल्य के बीच अंतर के बीच संबंध चित्र 1 में दिखाया गया है।

वक्र की परिवर्तन विशेषताओं को उजागर करने के लिए, 3dB और 10dB के सिग्नल-टू-शोर अनुपात के अनुरूप त्रुटि परिवर्तन वक्र को चित्र 2 में दिखाया गया है, तालिका कुछ सिग्नल-टू-शोर अनुपात के संबंधित आवृत्ति बैंड में ध्वनि स्रोत की तीव्रता के अनुमान त्रुटि का मूल-माध्य-वर्ग मान है।

चित्र 1 और चित्र 2 के परिणामों से, यह देखा जा सकता है कि 100Hz~10kHz की आवृत्ति रेंज में गोलाकार हाइड्रोफोन ट्रांसड्यूसर , ध्वनि स्रोत तीव्रता अनुमान त्रुटि आवृत्ति के साथ अनियमित रूप से भिन्न होती है। जब सिग्नल-टू-शोर अनुपात कम होता है, तो कुछ आवृत्ति बिंदुओं पर त्रुटि 3dB पूर्व निर्धारित संदर्भ मान से अधिक हो जाती है, सिग्नल-टू-शोर अनुपात में सुधार के साथ, यह स्थिति काफी कमजोर हो गई है, और समग्र त्रुटि वक्र स्थिर हो जाता है। तालिका 1 में सांख्यिकीय डेटा विश्लेषण के साथ संयुक्त, आवृत्ति बैंड में समग्र त्रुटि धीरे-धीरे कम हो जाती है और सिग्नल-टू-शोर अनुपात में वृद्धि के साथ स्थिर हो जाती है, और कम सिग्नल-टू-शोर अनुपात में इसकी अभी भी उच्च सटीकता होती है, जो आईएफआरएफ विधि की प्रभावशीलता को दर्शाती है। सेक्स और सटीकता.

 

(2) ध्वनि स्रोत स्तर के आकलन पर क्षैतिज दूरी का प्रभाव

दूरी बढ़ने के साथ ध्वनि तरंगों के विस्तार के कारण एक ही गहराई पर विभिन्न क्षैतिज दूरियों पर ध्वनि संकेत का परिमाण भिन्न-भिन्न होता है। IFRF विधि द्वारा अनुमानित ध्वनि स्रोत स्तर की सटीकता पर विभिन्न क्षैतिज दूरी पर माप सरणी के प्रभाव का विश्लेषण करने के लिए, यह माना जाता है कि प्रत्येक क्षैतिज दूरी पर मापने वाले सिग्नल का सिग्नल-टू-शोर अनुपात समान है। पाठ के विश्लेषण के अनुसार, विभिन्न परीक्षण दूरी की संबंधित परीक्षण स्थितियों का विश्लेषण करने के लिए सिग्नल-टू-शोर अनुपात को 10dB के रूप में चुना गया है। चित्र 3 कुछ दूरियों के लिए संबंधित सिमुलेशन परिणामों को सूचीबद्ध करता है। संबंधित आवृत्ति बैंड में ध्वनि स्रोत स्तर की अनुमान त्रुटि का मूल माध्य वर्ग मान।

 

चित्र 3 में सिमुलेशन परिणामों की तुलना और विश्लेषण करने पर, यह देखा जा सकता है कि इसमें शोर परिवर्तन के समान विशेषताएं हैं। जैसे-जैसे क्षैतिज परीक्षण दूरी बढ़ती है, समग्र ध्वनि स्रोत स्तर अनुमान त्रुटि वक्र में अधिक तेजी से उतार-चढ़ाव होता है, और आवृत्तियों पर अधिक त्रुटियां होंगी। 3dB पूर्वनिर्धारित संदर्भ मान से अधिक होना। चित्र 4 में सांख्यिकीय डेटा को मिलाकर, यह देखा जा सकता है कि परीक्षण दूरी बढ़ने पर आवृत्ति बैंड के भीतर व्युत्क्रम विचलन धीरे-धीरे बढ़ता है। इस प्रवृत्ति परिवर्तन का विश्लेषण करने पर, लगभग 200 मीटर की दूरी के भीतर समग्र विचलन 1dB से कम या उससे भी कम है। यह ध्यान में रखते हुए कि वास्तविक ध्वनिक सिग्नल में प्रसार क्षीणन और पर्यावरणीय शोर हस्तक्षेप है, वास्तविक परीक्षण में, परीक्षण क्षैतिज स्थिति को लक्ष्य से 100 मीटर के भीतर नियंत्रित किया जाता है, जो परीक्षण परिणामों की वैधता और सटीकता में सुधार कर सकता है।

 

3 निष्कर्ष

यह पेपर व्युत्क्रम आवृत्ति प्रतिक्रिया मैट्रिक्स विधि के आधार पर उथले पानी में पानी के नीचे ध्वनिक ट्रांसड्यूसर की ध्वनि स्रोत तीव्रता का अनुमान लगाने के लिए एक विधि का प्रस्ताव करता है। विधि की व्यवहार्यता और सटीकता का सिद्धांत और अनुकरण के दृष्टिकोण से विश्लेषण और सत्यापन किया जाता है। लेख सबसे पहले IFRF पद्धति के सिद्धांत को प्राप्त करता है और उसका वर्णन करता है; और सैद्धांतिक व्युत्पत्ति से ध्वनि स्रोत की तीव्रता के आकलन में त्रुटि के कारण का विश्लेषण करता है। पारंपरिक गोलाकार तरंग क्षीणन विधि और बीम बनाने की विधि की तुलना में, व्युत्क्रम आवृत्ति प्रतिक्रिया फ़ंक्शन प्रत्येक सीमा सतह से परावर्तित संकेत को एक प्रभावी इनपुट के रूप में लेता है, और ध्वनिक चैनल के प्रभाव और ध्वनि क्षेत्र के उतार-चढ़ाव को भी ध्यान में रखता है। सिमुलेशन विश्लेषण से पता चलता है कि प्रस्ताव विधि का उथले पानी में लक्ष्य ध्वनि स्रोत स्तर के आकलन में अच्छा प्रदर्शन है। यह विधि निरंतर ध्वनि वेग प्रोफ़ाइल वाले उथले समुद्रों के मामले में और जटिल जल विज्ञान या ब्रॉडबैंड सिग्नल माप की स्थिति के लिए उपयुक्त है।