Schatting van het geluidsbronniveau van een akoestische onderwatertransducer in ondiep water

Een methode voor het schatten van het geluidsbronniveau, gebaseerd op de akoestische inverse frequentieresponsfunctie (IFRF), wordt voorgesteld om het probleem van de slechte nauwkeurigheid van de beoordeling van het trillings- en geluidsniveau van akoestische onderwaterapparatuur in ondiepe wateren op te lossen. Deze methode vertegenwoordigt de meerkanaalstransmissiefunctie als de interferentiesuperpositie van de geluidsbron en zijn virtuele bron met meerdere ordes. De overdrachtsmatrix bouwt de relatie op tussen de complexe bronsterkten, de complexe drukken op meetpunten en het akoestische kanaal. De bronsterkten van De akoestische onderwatertransducer kan nauwkeurig worden geschat op basis van de uitgestraalde akoestische veldmeting op basis van de inversie van de overdrachtsmatrix. Het basisprincipe van de IFRF-methode wordt geïntroduceerd en de beïnvloedende factoren van schattingsfouten van de bronsterkte worden geanalyseerd, inclusief de schattingsfouten van het akoestische kanaal onder water, fouten bij het meten van de geluidsdruk en de omstandigheden van de overdrachtsmatrix. De resultaten van numerieke simulatieanalyse worden gepresenteerd, wat aangeeft dat de voorgestelde methode haalbaar is en goede prestaties levert bij het schatten van het geluidsbronniveau van een akoestische onderwatertransducer.

 

Met het voorstel en de implementatie van de nationale maritieme machtsstrategie is er veel aandacht besteed aan de ontwikkeling van de maritieme sector cilindervormige onderwatertransducer , ecologische bescherming, wetenschappelijk onderzoek en rechtenbescherming. De akoestische onderwaterapparatuur en onbemande onderwatervoertuigen (UUV, UUV, AUV) en scheepsbouwapparatuur zijn ook snel ontwikkeld, en het verstrekken van nauwkeurige en effectieve informatie over de prestaties van apparatuur zal de ontwikkeling van verschillende transducers sterk ondersteunen. De intensiteit van de onder water uitgestraalde geluidsbron is een belangrijke parameter van akoestische onderwaterapparatuur wanneer deze werkt, en houdt verband met de eigen prestaties en veiligheid ervan. Momenteel kan voor het testen van onderwatergeluidsbronnen in de meeste gevallen de positie van de geluidsbron goed worden gelokaliseerd en geïdentificeerd, maar het is moeilijk om de intensiteit van de doelgeluidsbron nauwkeurig te meten. Als het uitgestraalde geluidsniveau van de geluidsbron nauwkeurig kan worden gemeten of geëvalueerd, kan dit een leidraad bieden voor de ontwikkeling van apparatuur of prestatieschatting, en dit uitbreiden naar onderwaternavigatie. De evaluatie van het onderwatergeluidsniveau van doelen zoals reizende voertuigen of oppervlakteschepen zal een effectieve evaluatie van hun geluidsniveau of het effect van akoestische behandelingsmaatregelen opleveren. In een omgeving met ondiep water zal het gereflecteerde geluid van het grensvlak en andere geluidsbronnen met achtergrondinterferentie de beoogde onderwatergeluidsveldtest beïnvloeden. Als het directe geluid van het doel door een specifiek algoritme kan worden gescheiden van het interferentiegeluid, kan de geluidsbron nauwkeurig worden geschat. Informatie, matrixmethode met omgekeerde frequentierespons (Inverse Frequency Response Function, IFRF) Als algoritme voor ruimtelijke transformatie heeft het een hoge grondnauwkeurigheid en kan het worden gebruikt om geluidsbronnen te identificeren en het geluidsveld van complexe structuren te visualiseren, en wordt het niet beperkt door het akoestische systeem, dat een praktische testmethode is van de IFRF-methode voor beeldvorming van geluidsbronnen in het luchtmedium. Met meer gedetailleerde theoretische analyse hebben wetenschappers van verschillende landen hebben de theorie in de daaropvolgende tijd ook achtereenvolgens bestudeerd en ontwikkeld. Maar er zijn onderzoeksmasters geweest. Het moet geconcentreerd zijn in de echovrije kameromgeving en heeft goede resultaten opgeleverd. Als de methode kan worden geïntroduceerd in de daadwerkelijke ondiepwateromgeving, kan deze worden gebruikt voor het testen en evalueren van de stralingsintensiteit van de trillingsgeluidsbron. Dit zal het probleem van de slechte nauwkeurigheid van de doelgeluidsbronintensiteitstest in een ondiepwateromgeving aanzienlijk verbeteren. Met het oog op de bovenstaande problemen neemt dit artikel de monopoolgeluidsbron als onderzoeksobject, en onder de veronderstelling van sferische golven wordt de kanaaloverdrachtsfunctie gemodelleerd als multi-virtuele bronstraling. Voor de vectorsuperpositie van de voortplanting van radiogeluid wordt de IFRF-methode gebruikt om de doelwaarde van het uitgestraalde geluidsbronniveau om te keren, en de factoren die de nauwkeurigheid van de schatting van het geluidsbronniveau beïnvloeden, worden geëvalueerd. Redeneringsanalyse en gerelateerde simulatieanalyse op basis van het gevestigde geluidsveldmodel laten zien dat de methode de geluidsbron schat die wordt uitgestraald door de akoestische onderwatertransducer. Niveau is haalbaar en heeft een hoge mate van nauwkeurigheid.

1.1 Matrixmethode met omgekeerde frequentierespons

De frequentieresponsfunctie legt de relatie vast tussen de feitelijke omgevingsgeluidsdruk en de doelgeluidsbron. De functiematrix kan direct worden gemeten of doorgegeven. Het numerieke model wordt berekend en het geluidsveld wordt gemeten door de hydrofoonarray om de frequentieresponsfunctiematrix en de complexe geluidsdruk van het geluidsveld te verkrijgen. Na berekening kan de intensiteit van de geluidsbron worden geschat op basis van de geluidsveldmeting. In het geval van een enkelpuntsgeluidsbron, de aansluiting van het piëzo-element op de geluidsarray. Het signaal van de ontvangende transducer is het emissiesignaal van de geluidsbron en de responsfunctie van het akoestische kanaal onder water, waarbij q(hs,t) de diepte is van de geluidsbron op hs, en p(hm,t) de diepte. Het tijddomeinsignaal ontvangen op het meetpunt hm, H(hs,hm) is de responsfunctie van het akoestische kanaal van de geluidsbron naar het ontvangstpunt. Om de analyse te vergemakkelijken, kiezen we ervoor om analyseer de geluidsvoortplantingsrelatie in het frequentiedomein en gebruik een matrix om het ideale array-acquisitiesignaal en -geluid weer te geven.

 

De relatie tussen de bronnen, P is de complexe geluidsdrukvector van de M×1-orde, Q is de intensiteitsvector van de geluidsbron (inclusief de denkbeeldige bron), H is de complexe frequentieresponsmatrix, waarbij de term Hi,j gerelateerd is aan de i-de geluidsbron aan de i-de geluidsbron. Akoestische overdrachtsfunctie tussen j-elementen. Bij de daadwerkelijke meting zullen ruisinterferentie of voorwaardelijke aannames bepaalde fouten met zich meebrengen. Daarom moet vector e worden opgeteld bij de ideale geluidsdrukmeting. De vector e vertegenwoordigt de afwijking tussen de gemeten geluidswaarde en de ideale geluidsdrukwaarde P. Om beide te verkrijgen. Om de 'beste match' te bereiken, is de traditionele methode het gebruik van de kleinste kwadratenmethode. Definieer een kostenfunctie: Het is gemakkelijk te bewijzen dat de intensiteit van de geluidsbron wanneer de minimumwaarde van de vergelijking wordt verkregen, de best geschatte oplossing is.

 

1.2 Foutanalyse

Door middel van foutanalyse kan de bron van de schattingsfout worden achterhaald en kan dit basisrichtlijnen bieden voor het daadwerkelijke meetwerk om de fout te verminderen. Zonder verlies van algemeenheid. In dit geval voeren we een diepgaande analyse uit van de geschatte geluidsbronintensiteit, berekend in Sectie, en overwegen we het gebruik van een nuttige eigenschap van de matrix 2-norm, dat wil zeggen voor de matrices A en B. Het voorwaardenummer van de matrix is ​​gerelateerd aan de toestand van de matrix. Wanneer de voorwaarde te groot is, bevindt de matrix zich in een slecht geconditioneerde staat en zal de doelschatting op dat moment worden gegeven. Breng grote fouten met zich mee. Het matrixconditienummer is gedefinieerd.

 

2 Simulatie en discussie

Omdat de feitelijke geluidsveldomgeving complex en veranderlijk is, zullen verschillende factoren de prestaties van de methode tot op zekere hoogte beïnvloeden. Om de IFRF te verifiëren. De methode wordt gebruikt om de nauwkeurigheid en toepasbaarheid van de geluidsbronintensiteit te schatten. Het doel is om de intensiteit te schatten van de geluidsbron die wordt uitgestraald door de monopole geluidsbron, en de MATLAB-software wordt gebruikt. Om het effect van de IFRF-methode in een luidruchtige omgeving te analyseren, om de fout tussen de geschatte waarde en de werkelijke waarde te kwantificeren, wordt de root mean square error geselecteerd om de prestaties in een brede frequentieband weer te geven.

 

De simulatieomgeving is een uniforme ondiepwateromgeving met een vlakke bodem, een waterdiepte van 60 meter en de geluidsbrondiepte is ingesteld op 10 meter, waarbij 33 yuan verticaal op gelijke afstanden wordt gebruikt. De lineaire array wordt gebruikt voor metingen, de elementafstand is 1 meter, het midden van de basisarray bevindt zich op een diepte van 22 meter en het signaal is een continu signaal met één frequentie in het bereik van 100 Hz ~ 10 kHz sferische onderwater akoestische transducer . Om de invloed van ruisinterferentie op het daadwerkelijke testsignaal te simuleren, wordt Gaussiaanse witte ruis toegevoegd aan het geluidsdruksignaal dat wordt verkregen door de simulatieberekening. Daarom wordt de relatie tussen het verschil tussen de geschatte waarde van de geluidsbronintensiteit en de werkelijke waarde met frequentie en geluidsniveau weergegeven in Figuur 1.

Om de veranderingskarakteristieken van de curve te benadrukken, wordt de foutveranderingscurve die overeenkomt met de signaal-ruisverhouding van 3 dB en 10 dB weergegeven in Figuur 2, Tabel. De wortel-gemiddelde-kwadratenwaarde van de schattingsfout van de geluidsbronintensiteit in de overeenkomstige frequentieband van sommige signaal-ruisverhoudingen.

Uit de resultaten van Figuur 1 en Figuur 2 blijkt dat in het frequentiebereik van 100 Hz~10 kHz sferische hydrofoontransducer varieert de schattingsfout van de geluidsbronintensiteit onregelmatig met de frequentie. Wanneer de signaal-ruisverhouding laag is, overschrijdt de fout op sommige frequentiepunten de vooraf ingestelde referentiewaarde van 3 dB. Met de verbetering van de signaal-ruisverhouding is deze situatie aanzienlijk verzwakt en heeft de algehele foutcurve de neiging stabiel te zijn. Gecombineerd met de statistische gegevensanalyse in Tabel 1 wordt de algehele fout in de frequentieband geleidelijk verminderd en gestabiliseerd met de toename van de signaal-ruisverhouding, en heeft deze nog steeds een hogere nauwkeurigheid bij een lagere signaal-ruisverhouding, wat de effectiviteit van de IFRF-methode aangeeft. Seks en nauwkeurigheid.

 

(2) De invloed van de horizontale afstand op de schatting van het geluidsbronniveau

Als gevolg van de uitbreiding van geluidsgolven met het toenemen van de afstand, is de grootte van het geluidssignaal op verschillende horizontale afstanden op dezelfde diepte anders. Om de invloed van de meetarray op verschillende horizontale afstanden op de nauwkeurigheid van het door de IFRF-methode geschatte geluidsbronniveau te analyseren, wordt aangenomen dat elke signaal-ruisverhouding van het meetsignaal op de horizontale afstand hetzelfde is. Volgens de analyse van de tekst wordt de signaal-ruisverhouding geselecteerd op 10 dB om de overeenkomstige testomstandigheden van verschillende testafstanden te analyseren. Figuur 3 geeft voor enkele afstanden de bijbehorende simulatieresultaten weer. De wortelgemiddelde kwadratische waarde van de schattingsfout van het geluidsbronniveau in de overeenkomstige frequentieband.

 

Als we de simulatieresultaten in figuur 3 vergelijken en analyseren, blijkt dat deze vergelijkbare kenmerken hebben als ruisveranderingen. Naarmate de horizontale testafstand groter wordt, fluctueert de totale foutcurve voor de schatting van het geluidsbronniveau scherper en zullen er meer fouten optreden bij de frequenties. Overschrijding van de vooraf bepaalde referentiewaarde van 3dB. Door de statistische gegevens in figuur 4 te combineren, kan worden gezien dat de inversieafwijking binnen de frequentieband geleidelijk toeneemt naarmate de testafstand groter wordt. Als we deze trendverandering analyseren, is de algehele afwijking minder dan 1 dB of zelfs lager binnen een afstand van ongeveer 200 meter. Gezien het feit dat het daadwerkelijke akoestische signaal voortplantingsverzwakking en omgevingsgeluidsinterferentie heeft, wordt bij de daadwerkelijke test de horizontale testpositie binnen 100 meter van het doel gecontroleerd, wat de validiteit en nauwkeurigheid van de testresultaten kan verbeteren.

 

3 Conclusie

Dit artikel stelt een methode voor voor het schatten van de geluidsbronintensiteit van akoestische onderwatertransducers in ondiepe wateren, gebaseerd op de omgekeerde frequentieresponsmatrixmethode. De haalbaarheid en nauwkeurigheid van de methode worden geanalyseerd en geverifieerd vanuit het perspectief van theorie en simulatie. In het artikel wordt eerst het principe van de IFRF-methode afgeleid en beschreven; en analyseert de oorzaak van de fout in de schatting van de geluidsbronintensiteit op basis van de theoretische afleiding. Vergeleken met de traditionele sferische golfverzwakkingsmethode en bundelvormingsmethode, neemt de inverse frequentieresponsfunctie het gereflecteerde signaal van elk grensoppervlak als effectieve invoer, en houdt ook rekening met de invloed van het akoestische kanaal en de fluctuatie van het geluidsveld. Uit de simulatieanalyse blijkt dat de voorgestelde methode goede prestaties levert bij het schatten van het doelgeluidsbronniveau in ondiep water. Deze methode is geschikt voor ondiepe zeeën met een constant geluidssnelheidsprofiel, en voor complexe hydrologie of de situatie van breedbandsignaalmeting moet verder worden onderzocht.