Estimarea nivelului sursei de sunet al traductorului acustic subacvatic în ape puțin adânci

Este propusă o metodă de estimare a nivelului sursei de sunet bazată pe funcția acustică de răspuns în frecvență inversă (IFRF) pentru a rezolva problema preciziei slabe a evaluării nivelului de vibrație și zgomot al echipamentelor acustice subacvatice în ape puțin adânci. Această metodă reprezintă funcția de transmisie multicanal ca suprapunere de interferență a sursei de sunet și a sursei sale virtuale de ordin multiplu. Matricea de transfer construiește relația dintre puterile sursei complexe, presiunile complexe la punctele de măsurare și canalul acustic. Punctele forte ale sursei traductorul acustic subacvatic poate fi estimat cu precizie din măsurarea câmpului acustic radiat pe baza inversării matricei de transfer. Este introdus principiul de bază al metodei IFRF și sunt analizați factorii de influență ai erorilor de estimare a puterii sursei, inclusiv erorile de estimare a canalului acustic subacvatic, erorile de măsurare a presiunii sonore și condițiile matricei de transfer. Sunt prezentate rezultatele analizei de simulare numerică, ceea ce indică faptul că metoda propusă este fezabilă și are performanțe bune în estimarea nivelului sursei de sunet al traductorului acustic subacvatic.

 

Odată cu propunerea și implementarea strategiei naționale de putere maritimă, s-a acordat o mare atenție dezvoltării marinei traductor subacvatic cilindric , protecție ecologică, cercetare științifică și protecția drepturilor. Echipamentele acustice subacvatice și vehiculele subacvatice fără pilot (UUV, UUV, AUV) și echipamentele de inginerie marină au fost, de asemenea, dezvoltate rapid, iar furnizarea de informații precise și eficiente privind performanța echipamentului va sprijini puternic dezvoltarea diferitelor traductoare. Intensitatea sursei de sunet radiat subacvatic este un parametru important al echipamentului acustic subacvatic atunci când funcționează și este legată de propria sa performanță și siguranță. În prezent, pentru testarea surselor de zgomot subacvatic, în cele mai multe cazuri, poziția sursei de zgomot poate fi bine localizată și identificată, dar este dificil să se măsoare cu precizie intensitatea sursei de zgomot țintă. Dacă nivelul de zgomot radiat al sursei de zgomot poate fi măsurat sau evaluat cu precizie, acesta poate oferi îndrumări pentru dezvoltarea echipamentelor sau estimarea performanței și extinde-l la nivelul de călătorie subacvatic al vehiculului subacvatic, cum ar fi nivelul de zgomot al navigației subacvatice sau de suprafață. navele vor oferi o evaluare eficientă a nivelului lor de zgomot sau a efectului măsurilor de tratare acustică. Într-un mediu de apă mică, sunetul reflectat de la interfață și alte surse de sunet de interferență de fundal vor afecta testul câmpului sonor radiat subacvatic țintă. Dacă sunetul direct al țintei poate fi separat de sunetul de interferență printr-un algoritm specific, sursa de sunet poate fi estimată cu acuratețe Informații, metoda matricei de răspuns în frecvență inversă (Funcția de răspuns în frecvență inversă, IFRF) Ca algoritm de transformare spațială, are o precizie ridicată la sol și poate fi utilizată pentru a identifica sursele de sunet și a vizualiza câmpul sonor de o structură complexă, care nu este limitată printr-un sistem practic de testare și acustică complexă. Metoda metodei IFRF în imagistica surselor de sunet în câmp apropiat în mediul aerian. Cu analize teoretice mai detaliate, savanții din diferite țări au studiat și dezvoltat succesiv teoria și în perioada ulterioară. Dar au existat maeștri de cercetare. Trebuie să fie concentrat în mediul camerei anecoice de aer și a obținut rezultate bune. Dacă metoda poate fi introdusă în mediul de apă de mică adâncime reală, aceasta poate fi utilizată pentru testarea și evaluarea intensității radiației sursei de sunet vibrațional va îmbunătăți semnificativ problema acurateței slabe a testului de intensitate a sursei de sunet țintă într-un mediu de apă puțin adâncă. Având în vedere problemele de mai sus, această lucrare ia sursa de sunet monopolă ca obiect de cercetare, iar în ipoteza că sursa de sunet sferică este modelul de undă funcțională sferică ca vector de radiație. suprapunerea propagării sunetului radio, metoda IFRF este utilizată pentru a inversa valoarea țintă a nivelului sursei de sunet radiat și sunt evaluați factorii care afectează acuratețea estimării nivelului sursei de sunet. Analiza rațională și analiza de simulare aferentă bazată pe modelul de câmp sonor stabilit, rezultatele arată că metoda estimează sursa de sunet radiată de traductorul acustic subacvatic Nivelul este fezabil și are o precizie ridicată.

1.1 Metoda matricei de răspuns în frecvență inversă

Funcția de răspuns în frecvență stabilește relația dintre presiunea acustică reală măsurată de mediu și sursa de sunet țintă. Matricea funcției poate fi măsurată direct sau transmisă. Modelul numeric este calculat, iar câmpul sonor este măsurat de matricea de hidrofon pentru a obține matricea funcției de răspuns în frecvență și presiunea sonoră complexă a câmpului sonor. După calcul, intensitatea sursei de sunet poate fi estimată din măsurarea câmpului sonor. Luând în considerare cazul unei surse de sunet cu un singur punct, conexiunea elementului piezo la matricea de sunet. Semnalul traductorului de recepție este semnalul de emisie al sursei de sunet și funcția de răspuns al canalului acustic subacvatic, unde q(hs,t) este adâncimea sursei de sunet la hs, iar p(hm,t) este adâncimea. funcția de răspuns de la sursa de sunet la punctul de recepție. Pentru a facilita analiza, alegem să analizăm relația de propagare a sunetului în domeniul frecvenței și să folosim o matrice pentru a reprezenta semnalul și sunetul ideal de achiziție ale matricei.

 

Relația dintre surse, P este vectorul complex al presiunii sonore de ordinul M×1, Q este vectorul intensității sursei de sunet (inclusiv sursa imaginară), H este matricea complexă a răspunsului în frecvență, unde termenul Hi,j este legat de a i-a sursă de sunet la i-a sursă de sunet. Funcția de transfer acustic între j elemente. În măsurarea efectivă, interferența de zgomot sau ipotezele condiționate vor aduce anumite erori. Prin urmare, vectorul e trebuie adăugat la presiunea sonoră de măsurare ideală. Vectorul e reprezintă abaterea dintre valoarea măsurată a sunetului și valoarea ideală a presiunii sonore P. Pentru a face ambele Pentru a obține „cea mai bună potrivire”, metoda tradițională este utilizarea metodei celor mai mici pătrate. Definiți o funcție de cost: Este ușor de demonstrat că intensitatea sursei de sunet atunci când se obține valoarea minimă a ecuației este cea mai bună soluție estimată.

 

1.2 Analiza erorilor

Prin analiza erorilor, poate fi găsită sursa erorii de estimare și poate oferi îndrumări de bază pentru munca efectivă de măsurare pentru a reduce eroarea. Fără pierderea generalității. În acest caz, se efectuează o analiză aprofundată a intensității estimate a sursei de sunet calculată în secțiune și luând în considerare utilizarea unei proprietăți utile a matricei 2-norma, adică pentru matricele A și B. Numărul de condiție al matricei este legat de starea matricei. Când condiția este prea mare, matricea este într-o stare prost condiționată, iar estimarea țintă va fi dată în acest moment. Aduceți erori mari. Numărul condiției matricei este definit.

 

2 Simulare și discuție

Întrucât mediul real al câmpului sonor este complex și schimbător, diferiți factori vor afecta performanța metodei într-o anumită măsură. Pentru a verifica IFRF. Metoda este utilizată pentru a estima acuratețea și aplicabilitatea intensității sursei de sunet. Obiectivul este estimarea intensității sursei de sunet radiată de sursa de sunet monopol, utilizând software-ul MATLAB. Pentru a analiza efectul metodei IFRF într-un mediu zgomotos, pentru a cuantifica eroarea dintre valoarea estimată și valoarea reală, se selectează eroarea pătratică medie pentru a reprezenta performanța într-o bandă largă de frecvență.

 

Mediul de simulare este un mediu uniform de apă puțin adâncă, cu un fund plat, o adâncime a apei de 60 m, iar adâncimea sursei de sunet este setată la 10 m, folosind 33 de yuani la distanță egală verticală. Matricea liniară este utilizată pentru măsurare, distanța dintre elemente este de 1 m, centrul matricei de bază este la o adâncime de 22 m, semnalul continuu în intervalul de frecvență este de 22 m. 100Hz~10kHz traductor acustic subacvatic sferic . Pentru a simula influența interferenței de zgomot în semnalul de testare real, zgomotul alb gaussian este adăugat la semnalul de presiune sonoră obținut prin calculul de simulare. Prin urmare, relația dintre diferența dintre valoarea estimată a intensității sursei de sunet și valoarea reală cu frecvența și nivelul de zgomot este prezentată în Figura 1.

Pentru a evidenția caracteristicile de schimbare ale curbei, curba de modificare a erorii corespunzătoare raportului semnal-zgomot de 3dB și 10dB este prezentată în Figura 2, Tabel Valoarea pătrată medie a erorii de estimare a intensității sursei de sunet în banda de frecvență corespunzătoare a unor rapoarte semnal-zgomot.

Din rezultatele din Figura 1 și Figura 2, se poate observa că în intervalul de frecvență 100Hz~10kHz traductor hidrofon sferic , eroarea de estimare a intensității sursei de sunet variază neregulat cu frecvența. Când raportul semnal-zgomot este scăzut, eroarea în anumite puncte de frecvență depășește valoarea de referință prestabilită de 3dB, odată cu îmbunătățirea raportului semnal-zgomot, această situație a fost slăbită semnificativ, iar curba de eroare generală tinde să fie stabilă. În combinație cu analiza datelor statistice din Tabelul 1, eroarea generală în banda de frecvență este redusă și stabilizată treptat odată cu creșterea raportului semnal-zgomot și are încă o precizie mai mare la un raport semnal-zgomot mai mic, indicând eficacitatea metodei IFRF. Sex și acuratețe.

 

(2) Influența distanței orizontale asupra estimării nivelului sursei de sunet

Datorită extinderii undelor sonore odată cu creșterea distanței, mărimea semnalului sonor la diferite distanțe orizontale la aceeași adâncime este diferită. Pentru a analiza influența matricei de măsurare la diferite distanțe orizontale asupra preciziei nivelului sursei de sunet estimat prin metoda IFRF, se presupune că fiecare Raportul semnal-zgomot al semnalului de măsurare la distanța orizontală este același. Conform analizei textului, raportul semnal-zgomot este selectat ca 10dB pentru a analiza condițiile de testare corespunzătoare ale diferitelor distanțe de testare. Figura 3 enumeră rezultatele simulării corespunzătoare pentru unele distanțe. Valoarea pătratică medie a erorii de estimare a nivelului sursei de sunet în banda de frecvență corespunzătoare.

 

Comparând și analizând rezultatele simulării din Figura 3, se poate observa că are caracteristici similare cu schimbările de zgomot. Pe măsură ce distanța de testare orizontală crește, curba de eroare de estimare a nivelului sursei de sunet global fluctuează mai brusc și vor exista mai multe erori la frecvențe. Depășirea valorii de referință predeterminată de 3dB. Combinând datele statistice din Figura 4, se poate observa că abaterea de inversare în banda de frecvență crește treptat pe măsură ce distanța de testare crește. Analizând această schimbare de tendință, abaterea generală este mai mică de 1 dB sau chiar mai mică pe o distanță de aproximativ 200 m. Având în vedere că semnalul acustic real are atenuare de propagare și interferență cu zgomotul de mediu, în testul real, poziția orizontală a testului este controlată la 100 m de țintă, ceea ce poate îmbunătăți validitatea și acuratețea rezultatelor testului.

 

3 Concluzie

Această lucrare propune o metodă de estimare a intensității sursei de sunet a traductoarelor acustice subacvatice în ape puțin adânci pe baza metodei matricei de răspuns în frecvență inversă. Fezabilitatea și acuratețea metodei sunt analizate și verificate din perspectiva teoriei și simulării. Articolul derivă și descrie mai întâi principiul metodei IFRF; și analizează cauza erorii în estimarea intensității sursei de sunet din derivația teoretică. În comparație cu metoda tradițională de atenuare a undelor sferice și metoda de formare a fasciculului, funcția de răspuns în frecvență inversă ia semnalul reflectat de la fiecare suprafață de frontieră ca intrare efectivă și ia în considerare, de asemenea, influența canalului acustic și fluctuația câmpului sonor. Analiza de simulare arată că metoda propusă are performanțe bune în estimarea nivelului țintă al sursei de sunet în ape puțin adânci. Această metodă este potrivită pentru cazul mărilor de mică adâncime cu profil constant de viteză a sunetului, precum și pentru hidrologie complexă sau Situația măsurării semnalului în bandă largă necesită studii suplimentare.