Uppskattning av ljudkällans nivå för akustisk undervattensgivare i grunt vatten

En metod för uppskattning av ljudkällans nivå baserad på den akustiska inversa frekvenssvarsfunktionen (IFRF) föreslås för att lösa problemet med dålig noggrannhet i bedömningen av vibrations- och bullernivån hos akustisk undervattensutrustning i grunt vatten. Denna metod representerar flerkanalssändningsfunktionen som interferensöverlagringen av ljudkällan och dess virtuella flerordningskälla. Överföringsmatrisen bygger förhållandet mellan de komplexa källstyrkorna, de komplexa trycken vid mätpunkter och den akustiska kanalen. Källstyrkorna hos akustisk undervattensgivare kan uppskattas noggrant från mätningen av det utstrålade akustiska fältet baserat på inverteringen av överföringsmatrisen. Grundprincipen för IFRF-metoden introduceras, och de påverkande faktorerna för uppskattningsfel för källans styrka analyseras, inklusive de akustiska undervattenskanaluppskattningsfelen, ljudtrycksmätningsfel och förhållandena för överföringsmatrisen. Resultaten av numerisk simuleringsanalys presenteras, vilket indikerar att den föreslagna metoden är genomförbar och har goda prestanda vid uppskattning av ljudkällans nivå för en akustisk undervattensgivare.

 

Med förslaget och genomförandet av den nationella sjökraftsstrategin har stor uppmärksamhet ägnats utvecklingen av marin cylinderformad undervattensgivare , ekologiskt skydd, vetenskaplig forskning och skydd av rättigheter. Den akustiska undervattensutrustningen och obemannade undervattensfordon (UUV, UUV, AUV) och marinteknisk utrustning har också utvecklats snabbt, och tillhandahållandet av korrekt och effektiv utrustningsinformation kommer starkt att stödja utvecklingen av olika givare. Intensiteten hos utstrålad undervattensljudkälla är en viktig parameter för akustisk undervattensutrustning när den fungerar, och den är relaterad till dess egen prestanda och säkerhet. För närvarande, för testning av undervattensbullerkällor, i de flesta fall kan bullerkällans position vara väl lokaliserad och identifierad, men det är svårt att noggrant mäta intensiteten hos målljudkällan. Om den utstrålade ljudnivån från bullerkällan kan mätas eller utvärderas noggrant, kan den ge vägledning för utrustningsutveckling eller prestandauppskattning av navigering, och utöka den till undervattensnivån, t.ex. färdfordon eller ytfartyg kommer att ge en effektiv utvärdering av deras bullernivå eller effekten av akustiska behandlingsåtgärder. I en miljö med grunt vatten kommer det reflekterade ljudet från gränssnittet och andra bakgrundsstörningsljudkällor att påverka målljudfältstestet under vattnet. Om det direkta ljudet från målet kan separeras från interferensljudet med en specifik algoritm, kan ljudkällan uppskattas noggrant Information, invers frekvenssvarsmatrismetod (Inverse Frequency Response Function, IFRF) Som en rumslig transformationsalgoritm har den en hög marknoggrannhet, och kan användas för att identifiera ljudkällorna och visualisera vilket ljudfält som är praktiskt och inte är komplext och visualisera ljudfältet. testmetod av IFRF-metoden i närfältsljudkälla avbildning i luftmedium. Med mer detaljerad teoretisk analys har forskare från olika länder också successivt studerat och utvecklat teorin under den efterföljande tiden. Men det har funnits forskarmästare. Det måste koncentreras till den luftekofria rumsmiljön och har uppnått goda resultat. Om metoden kan introduceras i den faktiska gruntvattenmiljön, kan den användas för att testa och utvärdera strålningsintensiteten hos vibrationsljudkällan kommer avsevärt att förbättra problemet med dålig noggrannhet av målljudkällans intensitetstestet i en grunt vattenmiljö. Med tanke på ovanstående problem tar denna uppsats monopolljudkälla som forskningsobjekt, och under antagandet om kanalöverföringsfunktionen som vektor för sfärisk våg är vektorn den sfäriska vågen modell. superposition av radioljudspridning, IFRF-metoden används för att invertera det utstrålade målljudkällans nivåvärde, och de faktorer som påverkar noggrannheten för ljudkällans nivåuppskattning utvärderas. Resoneringsanalys, och tillhörande simuleringsanalys baserad på den etablerade ljudfältsmodellen, resultaten visar att metoden uppskattar ljudkällan som utstrålas av den undervattens akustiska givaren och har en hög grad av noggrannhet hos givaren.

1.1 Invers frekvenssvarsmatrismetod

Frekvenssvarsfunktionen fastställer förhållandet mellan det faktiska omgivningsmätningsljudtrycket och målljudkällan. Funktionsmatrisen kan mätas direkt eller passeras. Den numeriska modellen beräknas, och ljudfältet mäts av hydrofonmatrisen för att erhålla frekvenssvarsfunktionsmatrisen och ljudfältets komplexa ljudtryck. Efter beräkning kan ljudkällans intensitet uppskattas från ljudfältsmätningen. Med tanke på fallet med en enpunktsljudkälla, anslutningen av piezoelementet på ljuduppsättningen. Den mottagande omvandlarsignalen är ljudkällans emissionssignal och den akustiska undervattenskanalsvarsfunktionen, där q(hs,t) är ljudkällans djup vid hs, och p(hm,t) är djupet som tas emot vid tidpunkten,hmasur,hmasur,hmas. den akustiska kanalsvarsfunktionen från ljudkällan till mottagningspunkten. För att underlätta analysen väljer vi att analysera ljudutbredningsförhållandet i frekvensdomänen och använda en matris för att representera den idealiska arrayinsamlingssignalen och ljudet.

 

Relationen mellan källorna, P är M×1-ordningens komplexa ljudtrycksvektor, Q är ljudkällans intensitetsvektor (inklusive den imaginära källan), H är den komplexa frekvenssvarsmatrisen, där termen Hi,j är relaterad till den i:te ljudkällan till den i:te ljudkällan. Akustisk överföringsfunktion mellan j element. I själva mätningen kommer brusstörningar eller villkorliga antaganden att medföra vissa fel. Därför måste vektor e läggas till det ideala mätljudtrycket. Vektorn e representerar avvikelsen mellan det uppmätta ljudvärdet och det ideala ljudtrycksvärdet P. För att göra båda För att uppnå 'bästa matchning', är den traditionella metoden att använda minsta kvadratmetoden. Definiera en kostnadsfunktion: Det är lätt att bevisa att ljudkällans intensitet när minimivärdet för ekvationen erhålls är den bästa uppskattade lösningen.

 

1.2 Felanalys

Genom felanalys kan källan till uppskattningsfelet hittas, och den kan ge grundläggande vägledning för själva mätarbetet för att minska felet. Utan förlust av generalitet .I det här fallet genomför vi en djupgående analys av den uppskattade ljudkällans intensitet beräknad i avsnitt och med tanke på användningen av en användbar egenskap hos matrisen 2-norm, det vill säga för matriserna A och B. Matrisens tillståndsnummer är relaterat till matrisens tillstånd. När tillståndet är för stort är matrisen i ett dåligt konditionerat tillstånd, och måluppskattningen kommer att ges vid denna tidpunkt. Bring stora fel. Matrisvillkorsnumret definieras.

 

2 Simulering och diskussion

Eftersom själva ljudfältsmiljön är komplex och föränderlig kommer olika faktorer att påverka metodens prestanda i viss utsträckning. För att verifiera IFRF. Metoden används för att uppskatta noggrannheten och tillämpbarheten av ljudkällans intensitet. Målet är att uppskatta intensiteten hos ljudkällan som utstrålas av monopolljudkällan, och MATLAB-mjukvaran används. För att analysera effekten av IFRF-metoden i en bullrig miljö, för att kvantifiera felet mellan det uppskattade värdet och det faktiska värdet, väljs rotmedelkvadratfelet för att representera prestandan i ett brett frekvensband.

 

Simuleringsmiljön är en enhetlig grunt vattenmiljö med en platt botten, ett vattendjup på 60m, och ljudkällans djup är inställt på 10m, med användning av 33 yuan jämnt fördelade vertikalt. Den linjära arrayen används för mätning, elementavståndet är 1m, mitten av basgruppen är på ett djup av 22m och signalen är kontinuerligt 22m. 100Hz~10kHz sfärisk akustisk undervattensgivare . För att simulera påverkan av brusstörningar i den faktiska testsignalen läggs Gaussiskt vitt brus till ljudtryckssignalen som erhålls genom simuleringsberäkningen. Därför visas förhållandet mellan skillnaden mellan det uppskattade värdet av ljudkällans intensitet och det sanna värdet med frekvens och brusnivå i figur 1.

För att markera kurvans förändringsegenskaper visas feländringskurvan som motsvarar signal-brusförhållandet på 3dB och 10dB i figur 2, tabell. Rot-medelkvadratvärdet för uppskattningsfelet för ljudkällans intensitet i motsvarande frekvensband för vissa signal-brus-förhållanden.

Från resultaten i figur 1 och figur 2 kan det ses att i frekvensområdet 100Hz~10kHz sfärisk hydrofongivare varierar ljudkällans intensitetsuppskattningsfel oregelbundet med frekvensen. När signal-brusförhållandet är lågt överstiger felet vid vissa frekvenspunkter 3dB förinställt referensvärde, med förbättringen av signalbrusförhållandet har denna situation försvagats avsevärt och den totala felkurvan tenderar att vara stabil. I kombination med den statistiska dataanalysen i Tabell 1 reduceras och stabiliseras det totala felet i frekvensbandet gradvis med ökningen av signal-brusförhållandet, och det har fortfarande en högre noggrannhet vid ett lägre signal-brusförhållande, vilket indikerar effektiviteten av IFRF-metoden. Sex och precision.

 

(2) Påverkan av horisontellt avstånd på uppskattning av ljudkällans nivå

På grund av utvidgningen av ljudvågor med ökningen av avståndet är storleken på ljudsignalen på olika horisontella avstånd på samma djup olika. För att analysera inverkan av mätarrayen vid olika horisontella avstånd på noggrannheten hos ljudkällans nivå uppskattad med IFRF-metoden, antas det att varje Signal-brusförhållandet för mätsignalen på det horisontella avståndet är detsamma. Enligt analysen av texten väljs signal-brusförhållandet till 10dB för att analysera motsvarande testförhållanden för olika testavstånd. Figur 3 listar motsvarande simuleringsresultat för vissa avstånd. Rotmedelvärdet för uppskattningsfelet för ljudkällans nivå i motsvarande frekvensband.

 

Genom att jämföra och analysera simuleringsresultaten i figur 3 kan man se att den har liknande egenskaper som brusförändringar. När det horisontella testavståndet ökar, fluktuerar den totala felkurvan för uppskattning av ljudkällans nivå kraftigare, och det kommer att bli fler fel vid frekvenserna. Överskrider det förutbestämda referensvärdet på 3dB. Genom att kombinera de statistiska uppgifterna i figur 4 kan man se att inversionsavvikelsen inom frekvensbandet gradvis ökar när testavståndet ökar. Analys av denna trendförändring är den totala avvikelsen mindre än 1dB eller ännu lägre inom ett avstånd av cirka 200m. Med tanke på att den faktiska akustiska signalen har utbredningsdämpning och omgivningsbrusstörningar, i själva testet kontrolleras testets horisontella position inom 100 m från målet, vilket kan förbättra testresultatens giltighet och noggrannhet.

 

3 Slutsats

Denna artikel föreslår en metod för att uppskatta ljudkällans intensitet hos akustiska undervattensgivare i grunt vatten baserat på metoden med invers frekvenssvarsmatris. Metodens genomförbarhet och noggrannhet analyseras och verifieras utifrån ett teori- och simuleringsperspektiv. Artikeln härleder och beskriver först principen för IFRF-metoden; och analyserar orsaken till felet i ljudkällans intensitetsuppskattning från den teoretiska härledningen. Jämfört med den traditionella sfäriska vågdämpningsmetoden och strålformningsmetoden tar den omvända frekvenssvarsfunktionen den reflekterade signalen från varje gränsyta som en effektiv ingång och tar även hänsyn till påverkan av den akustiska kanalen och fluktuationen av ljudfältet. Simuleringsanalysen visar att den föreslagna metoden har goda prestanda vid uppskattning av målljudnivå i grunt vatten. Denna metod är lämplig för fallet med grunt hav med konstant ljudhastighetsprofil, och för komplex hydrologi eller Situationen för mätning av bredbandssignaler behöver studeras ytterligare.