Estimering av lydkildenivå for akustisk undervannstransduser på grunt vann

En metode for estimering av lydkildenivå basert på den akustiske inverse frekvensresponsfunksjonen (IFRF) er foreslått for å løse problemet med dårlig nøyaktighet av vurderingen av vibrasjons- og støynivået til akustisk undervannsutstyr på grunt vann. Denne metoden representerer multi-kanals overføringsfunksjonen som interferensoverposisjonen til lydkilden og dens multiordne virtuelle kilde. Overføringsmatrisen bygger forholdet mellom de komplekse kildestyrkene, de komplekse trykkene ved målepunkter og den akustiske kanalen. Kildestyrkene til akustisk undervannstransduser kan estimeres nøyaktig fra målingen av utstrålt akustisk felt basert på inversjonen av overføringsmatrisen. Grunnprinsippet for IFRF-metoden introduseres, og påvirkningsfaktorene til kildestyrkestimeringsfeil analyseres, inkludert estimeringsfeilene for akustiske undervannskanaler, lydtrykkmålingsfeil og forholdene til overføringsmatrisen. Resultatene av numerisk simuleringsanalyse presenteres, noe som indikerer at den foreslåtte metoden er gjennomførbar og har god ytelse for å estimere lydkildenivået til en akustisk undervannstransduser.

 

Med forslaget og gjennomføringen av den nasjonale maritime kraftstrategien er det viet stor oppmerksomhet rundt utviklingen av marin sylinderisk undervannstransduser , økologisk beskyttelse, vitenskapelig forskning og rettighetsbeskyttelse. Det akustiske undervannsutstyret og ubemannede undervannsfarkoster (UUV, UUV, AUV) og marineteknisk utstyr har også blitt raskt utviklet, og levering av nøyaktig og effektiv utstyrsinformasjon vil sterkt støtte utviklingen av ulike svingere. Intensiteten til undervannsutstrålt lydkilde er en viktig parameter for akustisk undervannsutstyr når det fungerer, og det er relatert til dets egen ytelse og sikkerhet. For øyeblikket, for testing av undervannsstøykilder, i de fleste tilfeller kan posisjonen til støykilden være godt lokalisert og identifisert, men det er vanskelig å nøyaktig måle intensiteten til mållydkilden. Hvis det utstrålte lydnivået til støykilden kan måles eller evalueres nøyaktig, kan det gi veiledning for utstyrsutvikling eller ytelsesestimering av navigasjonsnivået under vann, og utvide det til undervannsnivået, for eksempel undervannsverdien. reisende kjøretøy eller overflateskip vil gi en effektiv evaluering av deres støynivå eller effekten av akustiske behandlingstiltak. I et grunt vannmiljø vil den reflekterte lyden fra grensesnittet og andre bakgrunnsinterferenslydkilder påvirke mållydfelttesten under vann. Hvis den direkte lyden til målet kan skilles fra interferenslyden med en spesifikk algoritme, kan lydkilden estimeres nøyaktig Informasjon, invers frekvensrespons matrisemetode (Inverse Frequency Response Function, IFRF) Som en romlig transformasjonsalgoritme har den en høy grunnnøyaktighet, og kan brukes til å identifisere lydkilder med begrenset struktur, og visualisere lyden som ikke er avgrenset, og hvilke lydkilder som ikke er praktiske. testmetode av IFRF-metoden i nærfelt lydkildeavbildning i luftmedium. Med mer detaljert teoretisk analyse har forskere fra forskjellige land også suksessivt studert og utviklet teorien i den påfølgende tiden. Men det har vært forskermestere. Det må konsentreres i det luftfrie rommiljøet og har oppnådd gode resultater. Hvis metoden kan introduseres i det faktiske gruntvannsmiljøet, kan den brukes til å teste og evaluere strålingsintensiteten til vibrasjonslydkilden, vil betydelig forbedre problemet med dårlig nøyaktighet av mållydkildeintensitetstesten i et grunt vannmiljø. I lys av problemene ovenfor tar denne artikkelen monopol lydkilde som forskningsobjekt, og under antagelsen om kanaloverføringsfunksjonen som multi-sfærisk bølge, er vektorkilden den sfæriske bølgemodellen. superposisjon av radiolydutbredelse, IFRF-metoden brukes til å invertere den målutstrålte lydkildenivåverdien, og faktorene som påvirker nøyaktigheten av lydkildenivåestimeringen blir evaluert. Begrunnelsesanalyse, og relatert simuleringsanalyse basert på den etablerte lydfeltmodellen, viser resultatene at metoden estimerer lydkilden som utstråles av den undervanns akustiske transdusernivået og har en høy grad av nøyaktighet.

1.1 Invers frekvensrespons matrisemetode

Frekvensresponsfunksjonen etablerer forholdet mellom det faktiske miljømålingens lydtrykk og mållydkilden. Funksjonsmatrisen kan måles direkte eller passeres.Den numeriske modellen beregnes, og lydfeltet måles av hydrofonmatrisen for å få frekvensresponsfunksjonsmatrisen og det komplekse lydtrykket til lydfeltet.Etter beregning kan intensiteten til lydkilden estimeres fra lydfeltmålingen. Tatt i betraktning tilfellet med en enkeltpunkts lydkilde, tilkoblingen av piezo-elementet på lydgruppen. Mottakstransdusersignalet er lydkildens emisjonssignal og den akustiske undervannskanalresponsfunksjonen, der q(hs,t) er dybden til lydkilden ved hs, og p(hm,t) er dybden som mottas ved domaminur,hmas,h)s-signalet. den akustiske kanalresponsfunksjonen fra lydkilden til mottakspunktet. For å lette analysen velger vi å analysere lydutbredelsesforholdet i frekvensdomenet, og bruke en matrise for å representere det ideelle array-innsamlingssignalet og lyden.

 

Forholdet mellom kildene, P er M×1 ordens komplekse lydtrykkvektoren, Q er lydkildens intensitetsvektor (inkludert den imaginære kilden), H er den komplekse frekvensresponsmatrisen, hvor begrepet Hi,j er relatert til den i-te lydkilden til den i-te lydkilden. Akustisk overføringsfunksjon mellom j-elementer. I selve målingen vil støyinterferens eller betingede forutsetninger gi visse feil. Derfor må vektor e legges til det ideelle målelydtrykket. Vektoren e representerer avviket mellom den målte lydverdien og den ideelle lydtrykkverdien P. For å lage begge For å oppnå 'best match', er den tradisjonelle metoden å bruke minste kvadraters metode. Definer en kostnadsfunksjon: Det er lett å bevise at lydkildeintensiteten når minimumsverdien av ligningen er oppnådd er den beste estimerte løsningen.

 

1.2 Feilanalyse

Gjennom feilanalyse kan kilden til estimeringsfeilen finnes, og den kan gi grunnleggende veiledning for selve målearbeidet for å redusere feilen. Uten tap av generalitet .I dette tilfellet gjennomfører vi en dybdeanalyse av den estimerte lydkildeintensiteten beregnet i Seksjon og vurderer bruken av en nyttig egenskap til matrisen 2-norm, det vil si for matrisene A og B. Tilstandsnummeret til matrisen er relatert til tilstanden til matrisen. Når tilstanden er for stor, er matrisen i en dårlig tilstand, og målestimatet vil bli gitt på dette tidspunktet. Bring store feil. Matrisebetingelsesnummeret er definert.

 

2 Simulering og diskusjon

Ettersom selve lydfeltmiljøet er komplekst og foranderlig, vil ulike faktorer påvirke ytelsen til metoden til en viss grad. For å verifisere IFRF. Metoden brukes til å estimere nøyaktigheten og anvendeligheten til lydkildens intensitet. Målet er å estimere intensiteten til lydkilden som utstråles av monopollydkilden, og MATLAB-programvaren brukes. For å analysere effekten av IFRF-metoden i et støyende miljø, for å kvantifisere feilen mellom den estimerte verdien og den faktiske verdien, velges rotmiddelkvadratfeilen for å representere ytelsen i et bredt frekvensbånd.

 

Simuleringsmiljøet er et ensartet grunt vannmiljø med flat bunn, en vanndybde på 60m, og lydkildedybden er satt til 10m, ved bruk av 33 yuan likt fordelt vertikal. Den lineære arrayen brukes til måling, elementavstanden er 1m, senteret av basearrayen er i en dybde på 22m, og frekvensen av signalet er enkelt- og frekvensen kontinuerlig. 100Hz~10kHz sfærisk akustisk undervannstransduser . For å simulere påvirkningen av støyinterferens i det faktiske testsignalet, legges Gaussisk hvit støy til lydtrykksignalet som oppnås ved simuleringsberegningen. Derfor er forholdet mellom forskjellen mellom den estimerte verdien av lydkildeintensiteten og den sanne verdien med frekvens og støynivå vist i figur 1.

For å fremheve endringskarakteristikkene til kurven, er feilendringskurven som tilsvarer signal-til-støy-forholdet på 3dB, og 10dB vist i figur 2, Tabell Rot-middelkvadratverdien til estimeringsfeilen for lydkildeintensiteten i det tilsvarende frekvensbåndet til noen signal-til-støy-forhold.

Fra resultatene i figur 1 og figur 2 kan det ses at i frekvensområdet 100Hz~10kHz sfærisk hydrofontransduser , feilen ved estimering av lydkildeintensiteten varierer uregelmessig med frekvensen. Når signal-til-støy-forholdet er lavt, overskrider feilen ved noen frekvenspunkter 3dB forhåndsinnstilt referanseverdi, med forbedringen av signal-til-støy-forholdet har denne situasjonen blitt betydelig svekket, og den generelle feilkurven har en tendens til å være stabil. Kombinert med den statistiske dataanalysen i tabell 1, reduseres og stabiliseres den totale feilen i frekvensbåndet gradvis med økningen av signal-til-støy-forholdet, og det har fortsatt en høyere nøyaktighet ved et lavere signal-til-støy-forhold, noe som indikerer effektiviteten til IFRF-metoden. Sex og nøyaktighet.

 

(2) Påvirkningen av horisontal avstand på estimering av lydkildenivå

På grunn av utvidelsen av lydbølger med økningen av avstanden, er størrelsen på lydsignalet ved forskjellige horisontale avstander på samme dybde forskjellig. For å analysere innflytelsen av målearrayen ved ulike horisontale avstander på nøyaktigheten av lydkildenivået estimert ved IFRF-metoden, antas det at hvert Signal-til-støyforholdet til målesignalet ved horisontal avstand er det samme. I henhold til analysen av teksten er signal-til-støy-forholdet valgt som 10dB for å analysere de tilsvarende testforholdene for forskjellige testavstander. Figur 3 viser de tilsvarende simuleringsresultatene for noen avstander. Rotmiddelverdien til estimeringsfeilen for lydkildenivået i det tilsvarende frekvensbåndet.

 

Ved å sammenligne og analysere simuleringsresultatene i figur 3 kan man se at den har lignende egenskaper som støyendringer. Etter hvert som den horisontale testavstanden øker, svinger den generelle lydkildenivåestimeringsfeilkurven kraftigere, og det vil være flere feil ved frekvensene. Overskrider den forhåndsbestemte referanseverdien på 3dB. Ved å kombinere de statistiske dataene i figur 4 kan man se at inversjonsavviket innenfor frekvensbåndet øker gradvis ettersom testavstanden øker. Ved å analysere denne trendendringen er det totale avviket mindre enn 1dB eller enda lavere innenfor en avstand på ca. 200m. Tatt i betraktning at det faktiske akustiske signalet har forplantningsdempning og interferens med omgivelsesstøy, kontrolleres testhorisontalposisjonen i selve testen innen 100 m fra målet, noe som kan forbedre validiteten og nøyaktigheten til testresultatene.

 

3 Konklusjon

Denne artikkelen foreslår en metode for å estimere lydkildeintensiteten til akustiske undervannstransdusere i grunt vann basert på invers frekvensresponsmatrisemetoden. Gjennomførbarheten og nøyaktigheten til metoden analyseres og verifiseres fra teori og simuleringsperspektiv. Artikkelen utleder og beskriver først prinsippet for IFRF-metoden; og analyserer årsaken til feilen i lydkildeintensitetsestimatet fra den teoretiske utledningen. Sammenlignet med den tradisjonelle sfæriske bølgedempingsmetoden og stråleformingsmetoden, tar den inverse frekvensresponsfunksjonen det reflekterte signalet fra hver grenseoverflate som en effektiv inngang, og tar også hensyn til påvirkningen av den akustiske kanalen og svingningen i lydfeltet. Simuleringsanalysen viser at den foreslåtte metoden har god ytelse ved estimering av mållydkildenivå på grunt vann. Denne metoden er egnet for grunne hav med konstant lydhastighetsprofil, og for kompleks hydrologi eller Situasjonen for bredbåndssignalmåling trenger ytterligere studier.