Estimasi tingkat sumber suara transduser akustik bawah air di perairan dangkal

Metode estimasi tingkat sumber suara berdasarkan fungsi respons frekuensi invers akustik (IFRF) diusulkan untuk memecahkan masalah buruknya akurasi penilaian tingkat getaran dan kebisingan peralatan akustik bawah air di perairan dangkal. Metode ini merepresentasikan fungsi transmisi multisaluran sebagai superposisi interferensi sumber suara dan sumber virtual multiurutannya. Matriks transfer membangun hubungan antara kekuatan sumber yang kompleks, tekanan kompleks pada titik pengukuran, dan saluran akustik. Sumber kekuatan dari transduser akustik bawah air dapat diperkirakan secara akurat dari pengukuran medan akustik yang terpancar berdasarkan inversi matriks transfer. Prinsip dasar metode IFRF diperkenalkan, dan faktor-faktor yang mempengaruhi kesalahan estimasi kekuatan sumber dianalisis, termasuk kesalahan estimasi saluran akustik bawah air, kesalahan pengukuran tekanan suara, dan kondisi matriks transfer. Hasil analisis simulasi numerik disajikan, yang menunjukkan bahwa metode yang diusulkan layak dan memiliki kinerja yang baik dalam memperkirakan tingkat sumber suara transduser akustik bawah air.

 

Dengan diusulkannya dan dilaksanakannya strategi kekuatan maritim nasional, perhatian besar diberikan pada pembangunan kelautan transduser bawah air berbentuk silinder , perlindungan ekologi, penelitian ilmiah dan perlindungan hak. Peralatan akustik bawah air dan kendaraan bawah air tak berawak (UUV, UUV, AUV) serta peralatan teknik kelautan juga telah berkembang pesat, dan penyediaan informasi kinerja peralatan yang akurat dan efektif akan sangat mendukung pengembangan berbagai transduser. Intensitas sumber suara yang dipancarkan di bawah air merupakan parameter penting peralatan akustik bawah air saat berfungsi, dan hal ini berkaitan dengan kinerja dan keselamatannya sendiri. Saat ini, untuk pengujian sumber kebisingan bawah air, Dalam banyak kasus, posisi sumber kebisingan dapat ditemukan dan diidentifikasi dengan baik, namun sulit untuk mengukur intensitas sumber suara target secara akurat. Jika tingkat suara yang dipancarkan dari sumber kebisingan dapat diukur atau dievaluasi secara akurat, hal ini dapat memberikan panduan untuk pengembangan peralatan atau estimasi kinerja, dan memperluasnya ke navigasi bawah air. Evaluasi tingkat kebisingan bawah air pada target seperti kendaraan perjalanan atau kapal permukaan akan memberikan evaluasi yang efektif terhadap tingkat kebisingan atau efek tindakan perawatan akustik. Di lingkungan perairan dangkal, suara yang dipantulkan dari antarmuka dan sumber suara interferensi latar belakang lainnya akan mempengaruhi target uji lapangan suara yang dipancarkan di bawah air. Jika suara langsung target dapat dipisahkan dari suara interferensi dengan algoritma tertentu, sumber suara dapat diperkirakan secara akurat. Informasi, metode matriks respons frekuensi terbalik (Fungsi Respon Frekuensi Terbalik, IFRF) Sebagai algoritma transformasi spasial, ia memiliki akurasi Ground yang tinggi, dan dapat digunakan untuk mengidentifikasi sumber suara dan memvisualisasikan bidang suara dari struktur yang kompleks, dan tidak dibatasi oleh sistem akustik, yang merupakan metode uji praktis metode IFRF dalam pencitraan sumber suara medan dekat di media udara.Dengan analisis teoritis yang lebih rinci, para sarjana dari berbagai negara juga berturut-turut mempelajari dan mengembangkan teori tersebut di masa-masa berikutnya. Tapi sudah ada penelitian master. Itu harus terkonsentrasi di lingkungan ruangan anechoic udara dan telah mencapai hasil yang baik. Jika metode ini dapat diperkenalkan ke lingkungan perairan dangkal yang sebenarnya, maka dapat digunakan untuk menguji dan mengevaluasi intensitas radiasi sumber suara getaran akan secara signifikan memperbaiki masalah buruknya akurasi uji intensitas sumber suara target di lingkungan perairan dangkal. Mengingat permasalahan di atas, makalah ini mengambil sumber suara monopole sebagai objek penelitian, dan dengan asumsi gelombang bola, fungsi transfer saluran dimodelkan sebagai radiasi sumber multi-virtual. Superposisi vektor perambatan suara radio, metode IFRF digunakan untuk membalikkan nilai tingkat sumber suara yang dipancarkan target, dan faktor-faktor yang mempengaruhi keakuratan estimasi tingkat sumber suara dievaluasi. Analisis penalaran, dan analisis simulasi terkait berdasarkan model medan suara yang telah ditetapkan, hasilnya menunjukkan bahwa metode memperkirakan sumber suara yang dipancarkan oleh transduser akustik bawah air Level layak dan memiliki tingkat akurasi yang tinggi.

1.1 Metode matriks respon frekuensi terbalik

Fungsi respons frekuensi menetapkan hubungan antara tekanan suara pengukuran lingkungan aktual dan sumber suara target. Matriks fungsi dapat langsung diukur atau diteruskan. Model numerik dihitung, dan medan bunyi diukur dengan susunan hidrofon untuk mendapatkan matriks fungsi respons frekuensi dan tekanan suara kompleks medan bunyi. Setelah perhitungan, intensitas sumber bunyi dapat diperkirakan dari pengukuran medan bunyi. Mempertimbangkan kasus sumber suara satu titik, sambungan elemen piezo pada susunan suara.Sinyal transduser penerima adalah sinyal emisi sumber suara dan fungsi respons saluran akustik bawah air, di mana q(hs,t) adalah kedalaman sumber suara di hs, dan p(hm,t) adalah kedalamannya.Sinyal domain waktu yang diterima di titik pengukuran hm, H(hs,hm) adalah fungsi respons saluran akustik dari sumber suara ke titik penerima.Untuk memudahkan analisis, kami memilih untuk menganalisis hubungan propagasi suara dalam domain frekuensi, dan menggunakan matriks untuk mewakili sinyal akuisisi array dan suara yang ideal.

 

Hubungan antar sumber, P adalah vektor tekanan suara kompleks orde M×1, Q adalah vektor intensitas sumber suara (termasuk sumber imajiner), H adalah matriks respon frekuensi kompleks, dimana istilah Hi,j berkaitan dengan sumber suara ke-i ke sumber suara ke-i. Fungsi transfer akustik antar elemen j. Dalam pengukuran sebenarnya, gangguan kebisingan atau asumsi kondisional akan menimbulkan kesalahan tertentu. Oleh karena itu, vektor e perlu ditambahkan pada pengukuran tekanan bunyi yang ideal. Vektor e mewakili deviasi antara nilai suara yang diukur dan nilai tekanan suara ideal P. Untuk mencapai 'kecocokan terbaik', metode tradisional adalah dengan menggunakan metode kuadrat terkecil. Definisikan fungsi biaya: Mudah untuk membuktikan bahwa intensitas sumber suara ketika nilai minimum persamaan diperoleh adalah solusi estimasi terbaik.

 

1.2 Analisis kesalahan

Melalui analisis kesalahan, sumber kesalahan estimasi dapat ditemukan, dan dapat memberikan panduan dasar untuk pekerjaan pengukuran sebenarnya guna mengurangi kesalahan tersebut. Tanpa kehilangan keumumannya. Dalam hal ini, kami melakukan analisis mendalam terhadap perkiraan intensitas sumber suara yang dihitung pada Bagian dan mempertimbangkan penggunaan properti yang berguna dari matriks 2-norma, yaitu untuk matriks A dan B. Jumlah kondisi matriks terkait dengan keadaan matriks. Ketika kondisinya terlalu besar, matriks berada dalam keadaan tidak terkondisi, dan estimasi target akan diberikan saat ini. Membawa kesalahan besar. Nomor kondisi matriks ditentukan.

 

2 Simulasi dan diskusi

Karena lingkungan medan suara sebenarnya rumit dan dapat diubah, berbagai faktor akan mempengaruhi kinerja metode sampai batas tertentu. Untuk memverifikasi IFRF. Metode ini digunakan untuk memperkirakan keakuratan dan penerapan intensitas sumber suara. Tujuannya adalah untuk memperkirakan intensitas sumber suara yang dipancarkan oleh sumber suara monopole, dan digunakan perangkat lunak MATLAB. Untuk menganalisis pengaruh metode IFRF di lingkungan yang bising, untuk mengukur kesalahan antara nilai perkiraan dan nilai sebenarnya, root mean square error dipilih untuk mewakili kinerja dalam pita frekuensi lebar.

 

Lingkungan simulasi adalah lingkungan perairan dangkal yang seragam dengan dasar datar, kedalaman air 60m, dan kedalaman sumber suara diatur ke 10m, menggunakan 33 yuan dengan jarak vertikal yang sama. Array linier digunakan untuk pengukuran, jarak elemen adalah 1m, pusat susunan dasar berada pada kedalaman 22m, dan sinyalnya adalah sinyal kontinu frekuensi tunggal dalam kisaran 100Hz~10kHz transduser akustik bawah air berbentuk bola . Untuk mensimulasikan pengaruh interferensi derau pada sinyal uji sebenarnya, white noise Gaussian ditambahkan ke sinyal tekanan suara yang diperoleh dari perhitungan simulasi. Oleh karena itu, hubungan selisih nilai perkiraan intensitas sumber bunyi dengan nilai sebenarnya dengan frekuensi dan tingkat kebisingan ditunjukkan pada Gambar 1.

Untuk menyoroti karakteristik perubahan kurva, kurva perubahan kesalahan yang sesuai dengan rasio signal-to-noise sebesar 3dB, dan 10dB ditunjukkan pada Gambar 2, Tabel Nilai akar rata-rata kuadrat dari kesalahan estimasi intensitas sumber suara pada pita frekuensi yang sesuai dari beberapa rasio signal-to-noise.

Dari hasil Gambar 1 dan Gambar 2 terlihat pada rentang frekuensi 100Hz~10kHz transduser hidrofon bulat , kesalahan estimasi intensitas sumber suara bervariasi secara tidak teratur dengan frekuensi. Ketika rasio signal-to-noise rendah, kesalahan pada beberapa titik frekuensi melebihi nilai referensi preset 3dB, dengan peningkatan rasio signal-to-noise, situasi ini telah melemah secara signifikan, dan kurva kesalahan keseluruhan cenderung menjadi stabil. Dikombinasikan dengan analisis data statistik pada Tabel 1, kesalahan keseluruhan pada pita frekuensi secara bertahap dikurangi dan distabilkan dengan peningkatan rasio signal-to-noise, dan masih memiliki akurasi yang lebih tinggi pada rasio signal-to-noise yang lebih rendah, yang menunjukkan efektivitas metode IFRF. Seks dan akurasi.

 

(2) Pengaruh jarak horizontal terhadap estimasi tingkat sumber bunyi

Karena pemuaian gelombang suara dengan bertambahnya jarak, besarnya sinyal suara pada jarak horizontal yang berbeda pada kedalaman yang sama juga berbeda. Untuk menganalisis pengaruh susunan pengukuran pada jarak horizontal yang berbeda terhadap keakuratan tingkat sumber suara yang diperkirakan dengan metode IFRF, diasumsikan bahwa setiap rasio signal-to-noise dari sinyal pengukuran pada jarak horizontal adalah sama. Menurut analisis teks, rasio signal-to-noise dipilih sebagai 10dB untuk menganalisis kondisi pengujian yang sesuai pada jarak pengujian yang berbeda. Gambar 3 mencantumkan hasil simulasi yang sesuai untuk beberapa jarak. Nilai akar rata-rata kuadrat dari kesalahan estimasi tingkat sumber suara pada pita frekuensi yang sesuai.

 

Membandingkan dan menganalisis hasil simulasi pada Gambar 3 terlihat memiliki karakteristik yang mirip dengan perubahan kebisingan. Ketika jarak pengujian horizontal meningkat, kurva kesalahan estimasi tingkat sumber suara secara keseluruhan berfluktuasi lebih tajam, dan akan ada lebih banyak kesalahan pada frekuensi. Melebihi nilai referensi 3dB yang telah ditentukan. Menggabungkan data statistik pada Gambar 4, dapat dilihat bahwa deviasi inversi dalam pita frekuensi meningkat secara bertahap seiring dengan bertambahnya jarak pengujian. Menganalisis perubahan tren ini, deviasi keseluruhan kurang dari 1dB atau bahkan lebih rendah dalam jarak sekitar 200m. Mengingat sinyal akustik sebenarnya memiliki redaman propagasi dan gangguan kebisingan lingkungan, dalam pengujian sebenarnya, posisi horizontal pengujian dikontrol dalam jarak 100m dari target, yang dapat meningkatkan validitas dan keakuratan hasil pengujian.

 

3 Kesimpulan

Makalah ini mengusulkan metode untuk memperkirakan intensitas sumber suara transduser akustik bawah air di perairan dangkal berdasarkan metode matriks respons frekuensi terbalik. Kelayakan dan keakuratan metode ini dianalisis dan diverifikasi dari perspektif teori dan simulasi. Artikel ini pertama kali menurunkan dan menjelaskan prinsip metode IFRF; dan menganalisis penyebab kesalahan estimasi intensitas sumber suara dari derivasi teoritis. Dibandingkan dengan metode redaman gelombang bola tradisional dan metode pembentukan berkas, fungsi respons frekuensi terbalik mengambil sinyal yang dipantulkan dari setiap permukaan batas sebagai masukan yang efektif, dan juga memperhitungkan pengaruh saluran akustik dan fluktuasi medan suara. Analisis simulasi menunjukkan bahwa metode pengusulan memiliki kinerja yang baik dalam memperkirakan tingkat target sumber suara di perairan dangkal. Metode ini cocok untuk kasus laut dangkal dengan profil kecepatan suara konstan, dan untuk hidrologi kompleks atau Situasi pengukuran sinyal broadband memerlukan studi lebih lanjut.