浅瀬における水中音響変換器の音源レベルの推定

浅海における水中音響機器の振動と騒音レベルの評価精度が低いという問題を解決するために、音響逆周波数応答関数(IFRF)に基づく音源レベル推定方法を提案した。この方法は、音源とその多次仮想音源の干渉の重ね合わせとしてマルチチャンネル伝送関数を表します。伝達行列は、複雑な音源強度、測定点での複雑な圧力、および音響チャネルの間の関係を構築します。ソースの強み 水中音響トランスデューサは、 伝達行列の逆変換に基づいた放射音場測定から正確に推定できます。 IFRF法の基本原理を紹介し,水中音響チャネル推定誤差,音圧測定誤差,伝達行列の条件など,音源強度推定誤差の影響要因を分析した。数値シミュレーション解析の結果を示し,提案した方法が実現可能であり,水中音響トランスデューサの音源レベルを推定する際に良好な性能を有することを示した。

 

国家海洋力戦略の提案と実施により、海洋エネルギーの発展に大きな注目が払われている。 円筒形水中トランスデューサー、生態保護、科学研究、権利保護。水中音響機器や無人水中探査機（UUV、UUV、AUV）や海洋工学機器も急速に発展しており、正確かつ有効な機器性能情報の提供は、各種振動子の開発を強力にサポートします。水中放射音源の強度は、水中音響機器が動作する際の重要なパラメータであり、水中音響機器自体の性能と安全性に関係します。現在、水中騒音源の試験では、ほとんどの場合、騒音源の位置を特定して特定することができますが、対象となる音源の強度を正確に測定することは困難です。騒音源の放射騒音レベルを正確に測定または評価できれば、機器の開発や性能推定の指針となり、水中航行にも拡張できます。走行車両や水上艦船などの対象の水中騒音レベルを評価することで、騒音レベルや音響処理対策の効果を効果的に評価できます。浅い水域環境では、界面からの反射音やその他の背景干渉音源がターゲットの水中放射音場試験に影響を与えます。特定のアルゴリズムによってターゲットの直接音と干渉音を分離できれば、音源を正確に推定することができます。情報、逆周波数応答行列法(Inverse Frequency Response Function、IFRF)は空間変換アルゴリズムとして地上精度が高く、音源の識別や複雑な構造の音場の視覚化に使用でき、音響システムに制限されず、空気媒質における近接場音源イメージングにおけるIFRF法の実用的な試験方法です。より詳細な理論付き分析により、その後も各国の学者が相次いでこの理論を研究し、発展させてきました。しかし、研究マスターが存在しており、それは空気無響室環境で集中的に行われ、良好な結果を達成しているはずです。この方法が実際の浅海環境に導入できれば、振動音源の放射強度の試験と評価に使用でき、浅海環境におけるターゲット音源強度試験の精度が悪いという問題は大幅に改善されます。上記の問題を考慮して、本論文ではモノポール音源を研究対象とし、球面波の仮定の下でチャネル伝達関数をマルチ仮想音源放射としてモデル化します。電波伝播のベクトル重ね合わせであるIFRF法は、目標放射音源レベル値を反転し、音源レベル推定の精度に影響を与える要因を評価します。確立された音場モデルに基づく推論分析および関連シミュレーション分析の結果、この方法が水中音響トランスデューサから放射される音源レベルを推定することが実現可能であり、高い精度を有することが示されました。

1.1 逆周波数応答行列法

周波数応答関数は、実際の環境測定音圧と対象音源との関係を確立します。関数行列は直接測定することも、渡すこともできます。数値モデルが計算され、水中聴音器アレイによって音場が測定され、周波​​数応答関数行列と音場の複素音圧が得られます。計算後、音源の強度は音場測定から推定できます。単一点音源の場合、サウンドアレイ上のピエゾ素子の接続を考慮します。受信トランスデューサ信号は音源放射信号と水中音響チャネル応答関数です。q(hs,t)はhsにおける音源の深さ、p(hm,t)は深さです。測定点hmで受信された時間領域信号、H(hs,hm)は音源から受信点までの音響チャネル応答関数です。解析を容易にするために、音の伝播関係を周波数領域で分析し、行列を使用して理想的なアレイ取得信号と音を表すことを選択します。

 

音源間の関係、P は M×1 次の複素音圧ベクトル、Q は音源強度ベクトル (仮想音源を含む)、H は複素周波数応答行列で、項 Hi,j は i 番目の音源から i 番目の音源に関係します。 j 個の要素間の音響伝達関数。実際の測定では、ノイズの干渉や条件の仮定により、一定の誤差が生じます。したがって、理想的な測定音圧にベクトル e を加算する必要があります。ベクトル e は、測定された音圧値と理想的な音圧値 P の間の偏差を表します。両方を「最適一致」させるために、従来の方法では最小二乗法を使用します。コスト関数を定義する: 方程式の最小値が得られるときの音源強度が最良の推定解であることを証明するのは簡単です。

 

1.2 エラー分析

誤差分析を通じて、推定誤差の原因を見つけることができ、誤差を削減するための実際の測定作業の基本的な指針を提供できます。一般性を失うことなく、この場合、セクションで計算された推定音源強度の詳細な分析を実行し、行列 2 ノルムの有用な特性、つまり行列 A と B の使用を考慮します。行列の条件数は行列の状態に関連します。条件が大きすぎると、行列が悪条件になり、この時点で目標推定値が与えられ、大きな誤差が生じます。マトリックスの条件番号を定義します。

 

2 シミュレーションとディスカッション

実際の音場環境は複雑で変化しやすいため、さまざまな要因がこの方法のパフォーマンスにある程度の影響を与えます。 IFRFを検証するために、音源強度の精度と適用性を推定するためにこの方法が使用されます。目的は、モノポール音源によって放射される音源の強度を推定することであり、MATLAB ソフトウェアが使用されます。騒音環境における IFRF 法の効果を分析するには、推定値と実際の値の間の誤差を定量化するために、広い周波数帯域での性能を表す二乗平均平方根誤差が選択されます。

 

シミュレーション環境は、底が平らで水深60mの均一な浅水環境で、音源の深さは33元の等間隔の垂直を使用して10mに設定されています。測定にはリニアアレイが使用され、素子間隔は1m、ベースアレイの中心は深さ22mにあり、信号は100Hz〜10kHzの範囲の単一周波数連続信号です。 球状の水中音響トランスデューサ。実際のテスト信号におけるノイズ干渉の影響をシミュレーションするため、シミュレーション計算で得られた音圧信号にガウスホワイトノイズを付加します。したがって、音源強度の推定値と真の値との差と、周波数および騒音レベルとの関係は図1に示されます。

曲線の変化特性を強調するために、3dB および 10dB の S/N 比に対応する誤差変化曲線を図 2 に示します。表は、いくつかの S/N 比の対応する周波数帯域における音源強度の推定誤差の二乗平均平方根値です。

図 1 と図 2 の結果から、100Hz ～ 10kHz の周波数範囲では、 球状ハイドロフォントランスデューサでは、音源強度推定誤差は周波数に応じて不規則に変化します。 S/N 比が低い場合、一部の周波数ポイントでの誤差が事前に設定された基準値 3dB を超えますが、S/N 比の改善により、この状況は大幅に弱まり、全体的な誤差曲線は安定する傾向があります。表 1 の統計データ分析と組み合わせると、信号対雑音比の増加に伴って周波数帯域の全体的な誤差が徐々に減少して安定しており、信号対雑音比が低くても精度が高いことがわかり、IFRF 法の有効性が示されています。セックスと正確さ。

 

(2) 水平距離が音源レベル推定に及ぼす影響

距離の増加に伴う音波の拡大により、同じ深度でも水平距離が異なると音響信号の大きさも異なります。 IFRF法によって推定される音源レベルの精度に対する、異なる水平距離での測定アレイの影響を分析するために、水平距離でのそれぞれの測定信号の信号対雑音比が同じであると仮定します。テキストの分析によると、異なるテスト距離の対応するテスト条件を分析するために、信号対雑音比は 10dB として選択されます。図 3 は、いくつかの距離に対応するシミュレーション結果を示しています。対応する周波数帯域における音源レベルの推定誤差の二乗平均平方根値。

 

図 3 のシミュレーション結果を比較および分析すると、ノイズの変化と同様の特性があることがわかります。水平テスト距離が増加すると、全体的な音源レベル推定誤差曲線の変動がより激しくなり、周波数での誤差が増加します。あらかじめ定められた基準値3dBを超えています。図 4 の統計データを組み合わせると、周波数帯域内の反転偏差は、テスト距離が増加するにつれて徐々に増加することがわかります。この傾向の変化を分析すると、全体の偏差は 1dB 未満、または約 200m の距離内ではさらに低くなります。実際の音響信号には伝播減衰と環境ノイズの干渉があることを考慮して、実際のテストでは、テストの水平位置はターゲットから100m以内で制御され、テスト結果の有効性と精度を向上させることができます。

 

3 結論

本稿では逆周波数応答行列法に基づいて浅海における水中音響変換器の音源強度を推定する方法を提案する。手法の実現可能性と精度を理論とシミュレーションの観点から解析・検証します。この記事では、まず IFRF 手法の原理を導き出して説明します。理論的な導出から音源強度推定の誤差の原因を解析します。従来の球面波減衰法やビームフォーミング法と比較して、逆周波数応答関数は各境界面からの反射信号を有効入力とし、音響チャネルの影響や音場の変動も考慮します。シミュレーション解析により、提案手法が浅瀬における目標音源レベルの推定において良好な性能を有することが示された。この方法は、音速プロファイルが一定の浅海の場合や複雑な水文学、または広帯域信号の測定状況についてはさらなる研究が必要な場合に適しています。