Oszacowanie poziomu źródła dźwięku podwodnego przetwornika akustycznego w płytkiej wodzie

W celu rozwiązania problemu małej dokładności oceny poziomu wibracji i poziomu hałasu podwodnego sprzętu akustycznego w płytkich wodach zaproponowano metodę szacowania poziomu źródła dźwięku opartą na akustycznej funkcji odwrotnej odpowiedzi częstotliwościowej (IFRF). Metoda ta przedstawia funkcję transmisji wielokanałowej jako superpozycję interferencyjną źródła dźwięku i jego wielorzędowego źródła wirtualnego. Matryca przenoszenia buduje relację pomiędzy złożonymi mocami źródła, złożonymi ciśnieniami w punktach pomiarowych i kanałem akustycznym. Mocne strony źródła podwodny przetwornik akustyczny można dokładnie oszacować na podstawie pomiaru wypromieniowanego pola akustycznego w oparciu o inwersję matrycy przenoszenia. Wprowadzono podstawową zasadę metody IFRF oraz przeanalizowano czynniki wpływające na błędy oszacowania mocy źródła, w tym błędy oszacowania podwodnego kanału akustycznego, błędy pomiaru ciśnienia akustycznego oraz warunki macierzy przenoszenia. W artykule przedstawiono wyniki numerycznej analizy symulacyjnej, które wskazują, że zaproponowana metoda jest wykonalna i dobrze sprawdza się w szacowaniu poziomu źródła dźwięku podwodnego przetwornika akustycznego.

 

Proponując i wdrażając krajową strategię energetyki morskiej, dużą uwagę poświęcono rozwojowi gospodarki morskiej cylindryczny przetwornik podwodny , ochrona ekologiczna, badania naukowe i ochrona praw. Szybko rozwija się również podwodny sprzęt akustyczny i bezzałogowe pojazdy podwodne (UUV, UUV, AUV) oraz sprzęt inżynierii morskiej, a zapewnienie dokładnych i skutecznych informacji o działaniu sprzętu będzie silnie wspierać rozwój różnych przetworników. Natężenie emitowanego pod wodą źródła dźwięku jest ważnym parametrem podwodnego sprzętu akustycznego podczas jego pracy i ma związek z jego własną wydajnością i bezpieczeństwem. Obecnie w przypadku testowania podwodnych źródeł hałasu w większości przypadków można dobrze zlokalizować i zidentyfikować położenie źródła hałasu, ale trudno jest dokładnie zmierzyć natężenie docelowego źródła dźwięku. Jeżeli można dokładnie zmierzyć lub ocenić poziom dźwięku wypromieniowywanego przez źródło hałasu, może to dostarczyć wskazówek dotyczących rozwoju sprzętu lub oszacowania wydajności, a także rozszerzyć je na nawigację podwodną. Ocena poziomu hałasu podwodnego celów, takich jak poruszające się pojazdy lub statki nawodne, zapewni skuteczną ocenę poziomu hałasu lub wpływu środków obróbki akustycznej. W płytkiej wodzie dźwięk odbity od interfejsu i innych źródeł dźwięku zakłócającego tło będzie miał wpływ na test docelowego podwodnego pola dźwiękowego promieniowanego. Jeżeli bezpośredni dźwięk celu można oddzielić od dźwięku zakłócającego za pomocą określonego algorytmu, źródło dźwięku można dokładnie oszacować. Informacje, metoda macierzy odwrotnej odpowiedzi częstotliwościowej (Funkcja odwrotnej odpowiedzi częstotliwościowej, IFRF). Jako algorytm transformacji przestrzennej ma wysoką dokładność gruntu i może być używany do identyfikacji źródeł dźwięku i wizualizacji pola dźwiękowego złożonych struktur i nie jest ograniczony przez system akustyczny, który jest praktyczną metodą testową metody IFRF w obrazowaniu źródła dźwięku bliskiego pola w ośrodku powietrznym. Dzięki bardziej szczegółowej analizie teoretycznej, uczeni z różnych krajów również sukcesywnie badali i rozwijali tę teorię w późniejszym czasie. Ale byli mistrzowie badań. Musi być skoncentrowany w pomieszczeniu bezechowym i osiągnął dobre wyniki. Jeżeli metodę uda się wprowadzić do rzeczywistego środowiska płytkiej wody, będzie można ją zastosować do badania i oceny natężenia promieniowania wibracyjnego źródła dźwięku, co znacznie rozwiąże problem słabej dokładności badania natężenia docelowego źródła dźwięku w środowisku płytkiej wody. Ze względu na powyższe problemy w niniejszej pracy za obiekt badań przyjęto monopolowe źródło dźwięku, a przy założeniu fali sferycznej funkcję przenoszenia kanału modeluje się jako promieniowanie wielowirtualne. Wektorowa superpozycja propagacji dźwięku radiowego jest metodą IFRF. służy do odwracania docelowej wartości poziomu wypromieniowanego źródła dźwięku i oceniane są czynniki wpływające na dokładność szacowania poziomu źródła dźwięku. Analiza wnioskowania i związana z nią analiza symulacyjna oparta na ustalonym modelu pola akustycznego wykazały, że metoda oszacowania źródła dźwięku wypromieniowanego przez podwodny przetwornik akustyczny Poziom jest wykonalna i charakteryzuje się wysokim stopniem dokładności.

1.1 Metoda odwrotnej macierzy odpowiedzi częstotliwościowej

Funkcja odpowiedzi częstotliwościowej ustala zależność pomiędzy rzeczywistym ciśnieniem akustycznym pomiaru otoczenia a docelowym źródłem dźwięku. Macierz funkcji można bezpośrednio zmierzyć lub przekazać. Obliczany jest model numeryczny, a pole akustyczne jest mierzone za pomocą układu hydrofonów w celu uzyskania macierzy funkcji odpowiedzi częstotliwościowej i zespolonego ciśnienia akustycznego pola akustycznego. Po obliczeniu natężenie źródła dźwięku można oszacować na podstawie pomiaru pola dźwiękowego. Rozważając przypadek jednopunktowego źródła dźwięku, należy podłączyć element piezoelektryczny do układu dźwiękowego. Sygnałem przetwornika odbiorczego jest sygnał emisji źródła dźwięku i funkcja odpowiedzi podwodnego kanału akustycznego, gdzie q(hs,t) to głębokość źródła dźwięku w hs, a p(hm,t) to głębokość. Sygnał w dziedzinie czasu odebrany w punkcie pomiarowym hm, H(hs,hm) jest funkcją odpowiedzi kanału akustycznego od źródła dźwięku do punktu odbioru. analizy, decydujemy się na analizę zależności propagacji dźwięku w dziedzinie częstotliwości i używamy macierzy do reprezentowania idealnego sygnału akwizycji układu i dźwięku.

 

Zależność między źródłami, P to złożony wektor ciśnienia akustycznego rzędu M×1, Q to wektor natężenia źródła dźwięku (w tym źródło urojone), H to zespolona macierz odpowiedzi częstotliwościowej, gdzie termin Hi,j jest powiązany z i-tym źródłem dźwięku do i-tego źródła dźwięku. Funkcja przenoszenia akustycznego pomiędzy j elementami. W rzeczywistym pomiarze zakłócenia hałasem lub założenia warunkowe spowodują pewne błędy. Dlatego do idealnego pomiaru ciśnienia akustycznego należy dodać wektor e. Wektor e reprezentuje odchylenie pomiędzy zmierzoną wartością dźwięku a idealną wartością ciśnienia akustycznego P. Aby uzyskać jedno i drugie. Aby uzyskać „najlepsze dopasowanie”, tradycyjną metodą jest zastosowanie metody najmniejszych kwadratów. Zdefiniuj funkcję kosztu: Łatwo wykazać, że najlepiej oszacowanym rozwiązaniem jest natężenie źródła dźwięku w przypadku uzyskania minimalnej wartości równania.

 

1.2 Analiza błędów

Dzięki analizie błędów można znaleźć źródło błędu estymacji, co może dostarczyć podstawowych wskazówek dotyczących rzeczywistej pracy pomiarowej w celu zmniejszenia błędu. Bez utraty ogólności. W tym przypadku przeprowadzamy dogłębną analizę szacowanego natężenia źródła dźwięku obliczonego w rozdziale i uwzględniając wykorzystanie użytecznej właściwości macierzy 2-norm, czyli dla macierzy A i B. Numer warunku macierzy jest powiązany ze stanem macierzy. Gdy warunek jest zbyt duży, macierz jest w stanie źle uwarunkowanym i w tym momencie zostanie podany estymator docelowy. Przynosi duże błędy. Zdefiniowano numer warunku macierzy.

 

2 Symulacja i dyskusja

Ponieważ rzeczywiste środowisko pola dźwiękowego jest złożone i zmienne, różne czynniki będą w pewnym stopniu wpływać na skuteczność metody. W celu weryfikacji IFRF. Metoda służy do oszacowania dokładności i stosowalności natężenia źródła dźwięku. Celem jest oszacowanie natężenia źródła dźwięku wypromieniowanego przez jednobiegunowe źródło dźwięku i wykorzystuje się oprogramowanie MATLAB. Aby przeanalizować wpływ metody IFRF w hałaśliwym środowisku, w celu ilościowego określenia błędu między wartością szacunkową a wartością rzeczywistą, wybiera się średni błąd kwadratowy, który reprezentuje wydajność w szerokim paśmie częstotliwości.

 

Środowisko symulacyjne to jednolite środowisko płytkiej wody z płaskim dnem, głębokością wody 60 m i głębokością źródła dźwięku ustawioną na 10 m, przy użyciu 33 juanów w równych odstępach pionowych. Do pomiaru używa się układu liniowego, odstęp między elementami wynosi 1 m, środek układu podstawowego znajduje się na głębokości 22 m, a sygnał jest ciągłym sygnałem o pojedynczej częstotliwości w zakresie 100 Hz ~ 10 kHz sferyczny podwodny przetwornik akustyczny . Aby zasymulować wpływ zakłóceń szumowych na rzeczywisty sygnał testowy, do sygnału ciśnienia akustycznego uzyskanego w obliczeniach symulacyjnych dodawany jest biały szum Gaussa. Dlatego na rysunku 1 przedstawiono zależność różnicy pomiędzy oszacowaną wartością natężenia źródła dźwięku a wartością rzeczywistą z częstotliwością i poziomem hałasu.

Aby podkreślić charakterystykę zmian krzywej, na rysunku 2 pokazano krzywą zmiany błędu odpowiadającą stosunkowi sygnału do szumu wynoszącemu 3 dB i 10 dB. Tabela Wartość średnia kwadratowa błędu oszacowania natężenia źródła dźwięku w odpowiednim paśmie częstotliwości niektórych stosunków sygnału do szumu.

Z wyników rysunków 1 i 2 można zauważyć, że w zakresie częstotliwości 100 Hz ~ 10 kHz sferycznego przetwornika hydrofonowego , błąd oszacowania natężenia źródła dźwięku zmienia się nieregularnie wraz z częstotliwością. Gdy stosunek sygnału do szumu jest niski, błąd w niektórych punktach częstotliwości przekracza zadaną wartość odniesienia 3dB, wraz z poprawą stosunku sygnału do szumu sytuacja ta została znacznie osłabiona, a ogólna krzywa błędu wydaje się być stabilna. W połączeniu z analizą danych statystycznych w tabeli 1, błąd ogólny w paśmie częstotliwości ulega stopniowej redukcji i stabilizacji wraz ze wzrostem stosunku sygnału do szumu, a nadal charakteryzuje się wyższą dokładnością przy niższym stosunku sygnału do szumu, co wskazuje na skuteczność metody IFRF. Seks i dokładność.

 

(2) Wpływ odległości poziomej na ocenę poziomu źródła dźwięku

Ze względu na rozszerzanie się fal dźwiękowych wraz ze wzrostem odległości, wielkość sygnału dźwiękowego w różnych odległościach poziomych i na tej samej głębokości jest różna. W celu analizy wpływu układu pomiarowego w różnych odległościach poziomych na dokładność poziomu źródła dźwięku oszacowanego metodą IFRF przyjmuje się, że każdy stosunek sygnału do szumu sygnału pomiarowego w odległości poziomej jest taki sam. Zgodnie z analizą tekstu stosunek sygnału do szumu wynosi 10 dB, aby przeanalizować odpowiednie warunki testowe dla różnych odległości testowych. Rysunek 3 przedstawia odpowiednie wyniki symulacji dla niektórych odległości. Średniokwadratowa wartość błędu oszacowania poziomu źródła dźwięku w odpowiednim paśmie częstotliwości.

 

Porównując i analizując wyniki symulacji na rysunku 3, można zauważyć, że ma ona podobną charakterystykę do zmian hałasu. Wraz ze wzrostem poziomej odległości testowej ogólna krzywa błędu szacowania poziomu źródła dźwięku zmienia się gwałtowniej, a przy częstotliwościach będzie więcej błędów. Przekroczenie ustalonej wartości referencyjnej 3dB. Łącząc dane statystyczne na rysunku 4, można zauważyć, że odchylenie inwersji w obrębie pasma częstotliwości stopniowo rośnie wraz ze wzrostem odległości testowej. Analizując tę ​​zmianę trendu, ogólne odchylenie jest mniejsze niż 1 dB lub nawet mniejsze w odległości około 200 m. Biorąc pod uwagę, że rzeczywisty sygnał akustyczny ma tłumienie propagacji i zakłócenia hałasu otoczenia, w rzeczywistym teście pozycja pozioma testu jest kontrolowana w odległości 100 m od celu, co może poprawić ważność i dokładność wyników testu.

 

3 Wniosek

W artykule zaproponowano metodę szacowania natężenia źródła dźwięku podwodnych przetworników akustycznych w wodach płytkich w oparciu o metodę odwrotnej macierzy odpowiedzi częstotliwościowej. Możliwość i dokładność metody są analizowane i weryfikowane z punktu widzenia teorii i symulacji. W artykule najpierw wyprowadzono i opisano zasadę działania metody IFRF; i analizuje przyczynę błędu w oszacowaniu natężenia źródła dźwięku na podstawie wyprowadzenia teoretycznego. W porównaniu z tradycyjną metodą tłumienia fali sferycznej i metodą formowania wiązki, funkcja odwrotnej odpowiedzi częstotliwościowej przyjmuje odbity sygnał z każdej powierzchni granicznej jako skuteczny sygnał wejściowy, a także uwzględnia wpływ kanału akustycznego i fluktuację pola dźwiękowego. Analiza symulacyjna pokazuje, że proponowana metoda ma dobrą skuteczność w szacowaniu docelowego poziomu źródła dźwięku w płytkiej wodzie. Metoda ta jest odpowiednia w przypadku płytkich mórz o stałym profilu prędkości dźwięku oraz w przypadku złożonej hydrologii. Sytuacja pomiaru sygnału szerokopasmowego wymaga dalszych badań.