Stima del livello della sorgente sonora del trasduttore acustico subacqueo in acque poco profonde

Viene proposto un metodo di stima del livello della sorgente sonora basato sulla funzione di risposta in frequenza acustica inversa (IFRF) per risolvere il problema della scarsa accuratezza della valutazione del livello di vibrazione e rumore delle apparecchiature acustiche subacquee in acque poco profonde. Questo metodo rappresenta la funzione di trasmissione multicanale come la sovrapposizione di interferenza della sorgente sonora e della sua sorgente virtuale multiordine. La matrice di trasferimento costruisce la relazione tra le forze complesse della sorgente, le pressioni complesse nei punti di misurazione e il canale acustico. I punti di forza della fonte Il trasduttore acustico subacqueo può essere stimato accuratamente dalla misurazione del campo acustico irradiato basata sull'inversione della matrice di trasferimento. Viene introdotto il principio di base del metodo IFRF e vengono analizzati i fattori che influenzano gli errori di stima dell'intensità della sorgente, inclusi gli errori di stima del canale acustico subacqueo, gli errori di misurazione della pressione sonora e le condizioni della matrice di trasferimento. Vengono presentati i risultati dell'analisi di simulazione numerica, il che indica che il metodo proposto è fattibile e ha buone prestazioni nella stima del livello della sorgente sonora del trasduttore acustico subacqueo.

 

Con la proposta e l'attuazione della strategia nazionale per la potenza marittima, grande attenzione è stata riservata allo sviluppo dell'ambiente marino trasduttore subacqueo cilindrico , protezione ecologica, ricerca scientifica e tutela dei diritti. Anche le apparecchiature acustiche subacquee, i veicoli subacquei senza equipaggio (UUV, UUV, AUV) e le apparecchiature di ingegneria navale sono stati rapidamente sviluppati e la fornitura di informazioni accurate ed efficaci sulle prestazioni delle apparecchiature sosterrà fortemente lo sviluppo di vari trasduttori. L'intensità della sorgente sonora irradiata subacquea è un parametro importante dell'apparecchiatura acustica subacquea quando è in funzione ed è correlata alle sue prestazioni e alla sicurezza. Attualmente, per i test sulle sorgenti di rumore subacquee, nella maggior parte dei casi, la posizione della sorgente di rumore può essere ben localizzata e identificata, ma è difficile misurare con precisione l'intensità della sorgente sonora target. Se il livello sonoro irradiato della sorgente di rumore può essere misurato o valutato con precisione, può fornire una guida per lo sviluppo di apparecchiature o la stima delle prestazioni ed estenderlo alla navigazione subacquea. La valutazione del livello di rumore subacqueo di target come veicoli in viaggio o navi di superficie fornirà una valutazione efficace del loro livello di rumore o dell'effetto delle misure di trattamento acustico. In un ambiente con acque poco profonde, il suono riflesso dall'interfaccia e altre fonti sonore di interferenza di fondo influenzeranno il test del campo sonoro irradiato subacqueo del bersaglio. Se il suono diretto del bersaglio può essere separato dal suono di interferenza mediante un algoritmo specifico, la sorgente sonora può essere stimata con precisione Informazioni, metodo della matrice di risposta in frequenza inversa (Funzione di risposta in frequenza inversa, IFRF) Come algoritmo di trasformazione spaziale, ha un'elevata precisione del terreno e può essere utilizzato per identificare sorgenti sonore e visualizzare il campo sonoro di strutture complesse e non è limitato dal sistema acustico, che è un metodo di prova pratico del metodo IFRF nell'imaging di sorgenti sonore a campo vicino nell'aria. Con un'analisi teorica più dettagliata, studiosi di anche vari paesi hanno successivamente studiato e sviluppato la teoria in tempi successivi. Ma ci sono stati maestri della ricerca. Deve essere concentrato nell'ambiente della camera anecoica e ha ottenuto buoni risultati. Se il metodo può essere introdotto nell'effettivo ambiente di acque poco profonde, può essere utilizzato per testare e valutare l'intensità della radiazione della sorgente sonora vibrante, migliorerà significativamente il problema della scarsa precisione del test di intensità della sorgente sonora target in un ambiente di acque poco profonde. Alla luce dei problemi di cui sopra, questo documento prende la sorgente sonora unipolare come oggetto di ricerca e, presupponendo un'onda sferica, la funzione di trasferimento del canale è modellata come radiazione di sorgente multi-virtuale. La sovrapposizione vettoriale della propagazione del suono radio, il metodo IFRF viene utilizzato per invertire il bersaglio vengono valutati il valore del livello della sorgente sonora irradiata e i fattori che influenzano l'accuratezza della stima del livello della sorgente sonora. Analisi del ragionamento e relativa analisi di simulazione basata sul modello di campo sonoro stabilito, i risultati mostrano che il metodo stima la sorgente sonora irradiata dal trasduttore acustico subacqueo Il livello è fattibile e ha un alto grado di precisione.

1.1 Metodo della matrice di risposta in frequenza inversa

La funzione di risposta in frequenza stabilisce la relazione tra la pressione sonora effettiva della misurazione ambientale e la sorgente sonora target. La matrice funzionale può essere misurata o passata direttamente. Viene calcolato il modello numerico e il campo sonoro viene misurato dal gruppo di idrofoni per ottenere la matrice funzionale della risposta in frequenza e la complessa pressione sonora del campo sonoro. Dopo il calcolo, l'intensità della sorgente sonora può essere stimata dalla misurazione del campo sonoro. Considerando il caso di una sorgente sonora a punto singolo, la connessione dell'elemento piezoelettrico sull'array sonoro. Il segnale del trasduttore ricevente è il segnale di emissione della sorgente sonora e la funzione di risposta del canale acustico subacqueo, dove q(hs,t) è la profondità della sorgente sonora a hs e p(hm,t) è la profondità. Il segnale nel dominio del tempo ricevuto al punto di misurazione hm, H(hs,hm) è la funzione di risposta del canale acustico dalla sorgente sonora al punto di ricezione. Per facilitare l'analisi, abbiamo scegliere di analizzare la relazione di propagazione del suono nel dominio della frequenza e utilizzare una matrice per rappresentare il segnale e il suono di acquisizione dell'array ideale.

 

La relazione tra le sorgenti, P è il vettore di pressione sonora complesso di ordine M×1, Q è il vettore di intensità della sorgente sonora (inclusa la sorgente immaginaria), H è la matrice di risposta in frequenza complessa, dove il termine Hi,j è correlato alla i-esima sorgente sonora alla i-esima sorgente sonora. Funzione di trasferimento acustico tra j elementi. Nella misurazione effettiva, l'interferenza del rumore o le ipotesi condizionali porteranno alcuni errori. Pertanto, è necessario aggiungere il vettore e alla pressione sonora di misurazione ideale. Il vettore e rappresenta la deviazione tra il valore sonoro misurato e il valore di pressione sonora ideale P. Per ottenere entrambi. Per ottenere la 'migliore corrispondenza', il metodo tradizionale consiste nell'utilizzare il metodo dei minimi quadrati. Definire una funzione di costo: è facile dimostrare che l'intensità della sorgente sonora quando si ottiene il valore minimo dell'equazione è la migliore soluzione stimata.

 

1.2 Analisi degli errori

Attraverso l'analisi degli errori, è possibile trovare la fonte dell'errore di stima e fornire una guida di base per l'effettivo lavoro di misurazione per ridurre l'errore. Senza perdita di generalità. In questo caso, conduciamo un'analisi approfondita dell'intensità stimata della sorgente sonora calcolata nella Sezione e considerando l'uso di una proprietà utile della matrice 2-norma, cioè per le matrici A e B. Il numero di condizione della matrice è correlato allo stato della matrice. Quando la condizione è troppo grande, la matrice è in uno stato mal condizionato e in questo momento verrà fornita la stima target. Porta grandi errori. Il numero di condizione della matrice è definito.

 

2 Simulazione e discussione

Poiché l’ambiente reale del campo sonoro è complesso e mutevole, diversi fattori influenzeranno in una certa misura le prestazioni del metodo. Al fine di verificare l'IFRF. Il metodo viene utilizzato per stimare l'accuratezza e l'applicabilità dell'intensità della sorgente sonora. L'obiettivo è stimare l'intensità della sorgente sonora irradiata dalla sorgente sonora unipolare e viene utilizzato il software MATLAB. Per analizzare l'effetto del metodo IFRF in un ambiente rumoroso, al fine di quantificare l'errore tra il valore stimato e il valore effettivo, viene selezionato l'errore quadratico medio per rappresentare la prestazione in un'ampia banda di frequenza.

 

L'ambiente di simulazione è un ambiente uniforme di acque poco profonde con fondo piatto, una profondità dell'acqua di 60 m e la profondità della sorgente sonora è impostata su 10 m, utilizzando 33 yuan equamente distanziati in verticale. Per la misurazione viene utilizzato l'array lineare, la spaziatura degli elementi è di 1 m, il centro dell'array di base si trova a una profondità di 22 m e il segnale è un segnale continuo a frequenza singola nell'intervallo 100 Hz ~ 10 kHz trasduttore acustico subacqueo sferico . Per simulare l'influenza dell'interferenza del rumore nel segnale di prova effettivo, il rumore bianco gaussiano viene aggiunto al segnale di pressione sonora ottenuto dal calcolo della simulazione. Pertanto, la relazione tra la differenza tra il valore stimato dell'intensità della sorgente sonora e il valore reale con frequenza e livello di rumore è mostrata nella Figura 1.

Per evidenziare le caratteristiche di variazione della curva, la curva di variazione dell'errore corrispondente al rapporto segnale-rumore di 3 dB e 10 dB è mostrata nella Figura 2, Tabella Il valore quadratico medio dell'errore di stima dell'intensità della sorgente sonora nella banda di frequenza corrispondente di alcuni rapporti segnale-rumore.

Dai risultati della Figura 1 e della Figura 2, si può vedere che nell'intervallo di frequenza di 100Hz~10kHz trasduttore idrofono sferico , l'errore di stima dell'intensità della sorgente sonora varia in modo irregolare con la frequenza. Quando il rapporto segnale-rumore è basso, l'errore in alcuni punti di frequenza supera il valore di riferimento preimpostato di 3 dB, con il miglioramento del rapporto segnale-rumore, questa situazione è stata significativamente indebolita e la curva di errore complessiva tende ad essere stabile. In combinazione con l'analisi statistica dei dati nella Tabella 1, l'errore complessivo nella banda di frequenza viene gradualmente ridotto e stabilizzato con l'aumento del rapporto segnale-rumore e ha ancora una maggiore precisione con un rapporto segnale-rumore inferiore, indicando l'efficacia del metodo IFRF. Sesso e precisione.

 

(2) L'influenza della distanza orizzontale sulla stima del livello della sorgente sonora

A causa dell'espansione delle onde sonore con l'aumento della distanza, l'intensità del segnale sonoro a diverse distanze orizzontali alla stessa profondità è diversa. Per analizzare l'influenza del sistema di misurazione a diverse distanze orizzontali sulla precisione del livello della sorgente sonora stimato con il metodo IFRF, si presuppone che ciascun rapporto segnale-rumore del segnale di misurazione alla distanza orizzontale sia lo stesso. Secondo l'analisi del testo, il rapporto segnale-rumore viene selezionato come 10 dB per analizzare le corrispondenti condizioni di test di diverse distanze di prova. La Figura 3 elenca i risultati della simulazione corrispondenti per alcune distanze. Il valore quadratico medio dell'errore di stima del livello della sorgente sonora nella banda di frequenza corrispondente.

 

Confrontando e analizzando i risultati della simulazione nella Figura 3, si può vedere che ha caratteristiche simili ai cambiamenti del rumore. All’aumentare della distanza di prova orizzontale, la curva di errore di stima del livello della sorgente sonora complessiva fluttua in modo più brusco e si verificheranno più errori alle frequenze. Superamento del valore di riferimento predeterminato di 3 dB. Combinando i dati statistici nella Figura 4, si può vedere che la deviazione di inversione all'interno della banda di frequenza aumenta gradualmente all'aumentare della distanza di prova. Analizzando questo cambiamento di tendenza, la deviazione complessiva è inferiore a 1 dB o addirittura inferiore entro una distanza di circa 200 m. Considerando che il segnale acustico effettivo presenta un'attenuazione della propagazione e un'interferenza del rumore ambientale, nel test effettivo, la posizione orizzontale del test viene controllata entro 100 m dal bersaglio, il che può migliorare la validità e l'accuratezza dei risultati del test.

 

3 Conclusione

Questo articolo propone un metodo per stimare l'intensità della sorgente sonora dei trasduttori acustici subacquei in acque poco profonde basato sul metodo della matrice di risposta in frequenza inversa. La fattibilità e l'accuratezza del metodo vengono analizzate e verificate dal punto di vista della teoria e della simulazione. L'articolo dapprima deriva e descrive il principio del metodo IFRF; e analizza la causa dell'errore nella stima dell'intensità della sorgente sonora dalla derivazione teorica. Rispetto al tradizionale metodo di attenuazione delle onde sferiche e al metodo di formazione del fascio, la funzione di risposta in frequenza inversa prende il segnale riflesso da ciascuna superficie di confine come ingresso effettivo e tiene conto anche dell'influenza del canale acustico e della fluttuazione del campo sonoro. L'analisi della simulazione mostra che il metodo proposto ha buone prestazioni nella stima del livello della sorgente sonora target in acque poco profonde. Questo metodo è adatto per il caso di mari poco profondi con profilo di velocità del suono costante e per idrologia complessa o La situazione della misurazione del segnale a banda larga necessita di ulteriori studi.