Оцінка рівня джерела звуку підводного акустичного перетворювача на мілководді

Для вирішення проблеми низької точності оцінки рівня вібрації та шуму підводного акустичного обладнання на мілководді запропоновано метод оцінки рівня джерела звуку на основі акустичної зворотної частотної характеристики (IFRF). Цей метод представляє функцію багатоканальної передачі як взаємодію перешкод джерела звуку та його багатопорядкового віртуального джерела. Матриця передачі будує зв’язок між комплексними силами джерела, комплексними тисками в точках вимірювання та акустичним каналом. Сильні сторони джерела підводного акустичного перетворювача можна точно оцінити за допомогою вимірювання випромінюваного акустичного поля на основі інверсії матриці перенесення. Введено основний принцип методу IFRF та проаналізовано фактори впливу на похибки оцінки потужності джерела, включаючи похибки оцінки підводного акустичного каналу, похибки вимірювання звукового тиску та умови матриці перенесення. Наведено результати аналізу чисельного моделювання, які вказують на те, що запропонований метод є здійсненним і має добру ефективність для оцінки рівня джерела звуку підводного акустичного перетворювача.

 

З пропозицією та реалізацією національної морської енергетичної стратегії велику увагу було приділено розвитку морського флоту циліндричний підводний перетворювач , екологічний захист, наукові дослідження та захист прав. Підводне акустичне обладнання та безпілотні підводні апарати (UUV, UUV, AUV) і морське інженерне обладнання також швидко розвиваються, а надання точної та ефективної інформації про продуктивність обладнання значно підтримає розробку різних перетворювачів. Інтенсивність підводного випромінюваного джерела звуку є важливим параметром підводного акустичного обладнання під час його роботи, і це пов’язано з його власною продуктивністю та безпекою. На даний момент для тестування підводних джерел шуму, у більшості випадків, розташування джерела шуму можна добре визначити та ідентифікувати, але важко точно виміряти інтенсивність цільового джерела звуку. Якщо рівень випромінюваного звуку джерела шуму можна точно виміряти або оцінити, це може надати вказівки для розробки обладнання або оцінки продуктивності та поширити його на підводну навігацію. Оцінка рівня підводного шуму цілей, таких як подорожі транспортні засоби або надводні кораблі забезпечать ефективну оцінку їх рівня шуму або впливу заходів акустичної обробки. У мілководному середовищі відбитий звук від інтерфейсу та інших фонових джерел звукових перешкод впливатиме на цільове підводне випромінюване звукове поле. Якщо прямий звук цілі можна відокремити від звуку перешкод за допомогою певного алгоритму, джерело звуку можна точно оцінити Інформаційний метод матриці оберненої частотної характеристики (функція зворотної частотної характеристики, IFRF) Як алгоритм просторового перетворення, він має високу точність на грунті та може використовуватися для ідентифікації джерел звуку та візуалізації звукового поля складних структур і не обмежений акустичною системою, яка це практичний метод випробування методу IFRF у створенні зображення джерела звуку ближнього поля в повітряному середовищі. Завдяки більш детальному теоретичному аналізу вчені з різних країн також послідовно вивчали та розвивали теорію в наступний час. Але були дослідницькі майстри. Він повинен бути зосереджений у повітряному середовищі безехової кімнати та досяг хороших результатів. Якщо метод можна застосувати у фактичному мілководному середовищі, його можна використовувати для тестування та оцінки інтенсивності випромінювання джерела вібраційного звуку, що значно вирішить проблему низької точності тесту інтенсивності цільового джерела звуку в мілководному середовищі. З огляду на вищезазначені проблеми, у цій статті об’єктом дослідження є монопольне джерело звуку, а за припущення сферичної хвилі функція передачі каналу моделюється як мультивіртуальне джерело. випромінювання. Векторна суперпозиція розповсюдження радіозвуку, метод IFRF використовується для інвертування цільового значення рівня випромінюваного джерела звуку, і оцінюються фактори, які впливають на точність оцінки рівня джерела звуку. Результати аналізу міркувань і пов’язаного аналізу моделювання на основі встановленої моделі звукового поля показують, що метод оцінює джерело звуку, випромінюване підводним акустичним перетворювачем. Рівень є здійсненним і має високий ступінь точність.

1.1 Метод матриці зворотної АЧХ

Функція частотної характеристики встановлює співвідношення між фактичним виміряним звуковим тиском навколишнього середовища та цільовим джерелом звуку. Функціональна матриця може бути безпосередньо виміряна або передана. Чисельна модель обчислюється, а звукове поле вимірюється гідрофонною решіткою, щоб отримати матрицю функції частотної характеристики та комплексний звуковий тиск звукового поля. Після обчислення інтенсивність джерела звуку можна оцінити за допомогою вимірювання звукового поля. Розглядаючи випадок одноточкового джерела звуку, підключення п’єзоелемента до масиву звуку. Сигнал приймального перетворювача – це сигнал випромінювання джерела звуку та функція відгуку підводного акустичного каналу, де q(hs,t) – глибина джерела звуку на hs, а p(hm,t) – глибина. Сигнал у часовій області, отриманий у точці вимірювання hm, H(hs,hm) – це акустичний канал функція відгуку від джерела звуку до точки прийому. Для того, щоб полегшити аналіз, ми вирішили проаналізувати зв’язок поширення звуку в частотній області та використати матрицю для представлення сигналу отримання ідеального масиву та звуку.

 

Співвідношення між джерелами, P — комплексний вектор звукового тиску порядку M×1, Q — вектор інтенсивності джерела звуку (включаючи уявне джерело), ​​H — матриця комплексної частотної характеристики, де член Hi,j пов’язаний з i-м джерелом звуку з i-м джерелом звуку. Акустична передавальна функція між j елементами. Під час фактичного вимірювання шумові перешкоди або умовні припущення призведуть до певних похибок. Тому вектор e потрібно додати до ідеального вимірюваного звукового тиску. Вектор e представляє відхилення між виміряним значенням звуку та ідеальним значенням звукового тиску P. Щоб досягти «найкращого збігу», традиційним методом є використання методу найменших квадратів. Визначте функцію вартості: легко довести, що інтенсивність джерела звуку, коли отримано мінімальне значення рівняння, є найкращим оціненим рішенням.

 

1.2 Аналіз помилок

За допомогою аналізу похибок можна знайти джерело похибки оцінки, і це може надати базові вказівки для фактичної вимірювальної роботи для зменшення похибки. Без втрати загальності. У цьому випадку ми проводимо поглиблений аналіз оціненої інтенсивності джерела звуку, розрахованої в розділі та враховуючи використання корисної властивості матриці 2-норми, тобто для матриць A і B. Номер умови матриці пов’язаний зі станом матриці. Коли умова є надто великою, матриця знаходиться в погано обумовленому стані, і в цей час буде надано цільову оцінку. Приносять великі помилки. Визначено номер умови матриці.

 

2 Моделювання та обговорення

Оскільки фактичне середовище звукового поля є складним і мінливим, різні фактори певною мірою впливатимуть на продуктивність методу. Щоб перевірити IFRF. Метод використовується для оцінки точності та застосовності інтенсивності джерела звуку. Мета полягає в тому, щоб оцінити інтенсивність джерела звуку, випромінюваного монопольним джерелом звуку, і використовується програмне забезпечення MATLAB. Щоб проаналізувати вплив методу IFRF у шумному середовищі, щоб кількісно визначити похибку між розрахунковим значенням і фактичним значенням, вибирається середньоквадратична похибка для представлення продуктивності в широкому діапазоні частот.

 

Симуляційне середовище являє собою рівномірне мілководне середовище з плоским дном, глибиною води 60 м, а глибина джерела звуку встановлена ​​на 10 м, використовуючи 33 юані на однаковій відстані по вертикалі. Для вимірювання використовується лінійний масив, відстань між елементами становить 1 м, центр базового масиву знаходиться на глибині 22 м, а сигнал є одночастотним безперервним сигналом у діапазоні 100 Гц ~ 10 кГц. сферичний підводний акустичний перетворювач . Щоб імітувати вплив шумових перешкод у фактичному випробувальному сигналі, білий шум Гауса додається до сигналу звукового тиску, отриманого шляхом розрахунку моделювання. Тому зв’язок між різницею між розрахунковим значенням інтенсивності джерела звуку та справжнім значенням із частотою та рівнем шуму показано на малюнку 1.

Щоб підкреслити характеристики зміни кривої, крива зміни помилки, що відповідає відношенню сигнал/шум 3 дБ і 10 дБ, показана на рисунку 2, таблиця. Середньоквадратичне значення похибки оцінки інтенсивності джерела звуку у відповідній смузі частот деяких співвідношень сигнал/шум.

З результатів на рисунках 1 і 2 видно, що в діапазоні частот 100 Гц ~ 10 кГц сферичного гідрофонного перетворювача , похибка оцінки інтенсивності джерела звуку змінюється нерівномірно з частотою. Коли відношення сигнал/шум низьке, похибка в деяких точках частоти перевищує попередньо встановлене еталонне значення 3 дБ. З покращенням відношення сигнал/шум ця ситуація значно послаблюється, і загальна крива похибки має тенденцію бути стабільною. У поєднанні зі статистичним аналізом даних у таблиці 1 загальна похибка в смузі частот поступово зменшується та стабілізується зі збільшенням відношення сигнал/шум, і вона все ще має вищу точність при нижчому відношенні сигнал/шум, що вказує на ефективність методу IFRF. Секс і акуратність.

 

(2) Вплив горизонтальної відстані на оцінку рівня джерела звуку

Внаслідок розширення звукових хвиль із збільшенням відстані величина звукового сигналу на різних горизонтальних відстанях на однаковій глибині різна. Щоб проаналізувати вплив вимірювальної матриці на різних горизонтальних відстанях на точність рівня джерела звуку, оціненого методом IFRF, передбачається, що кожне відношення сигнал/шум вимірювального сигналу на горизонтальній відстані є однаковим. Згідно з аналізом тексту, відношення сигнал/шум вибрано як 10 дБ для аналізу відповідних умов тестування різних тестових відстаней. На малюнку 3 наведено відповідні результати моделювання для деяких відстаней. Середньоквадратичне значення похибки оцінки рівня джерела звуку у відповідному діапазоні частот.

 

Порівнюючи та аналізуючи результати моделювання на рисунку 3, можна побачити, що він має схожі характеристики зі змінами шуму. Зі збільшенням горизонтальної тестової відстані загальна крива похибки оцінки рівня джерела звуку коливається різкіше, і буде більше похибок на частотах. Перевищення заданого контрольного значення на 3 дБ. Об’єднавши статистичні дані на малюнку 4, можна побачити, що відхилення інверсії в діапазоні частот поступово зростає зі збільшенням тестової відстані. Аналізуючи цю зміну тенденції, загальне відхилення становить менше 1 дБ або навіть менше на відстані близько 200 м. Враховуючи, що фактичний акустичний сигнал має затухання при розповсюдженні та шум навколишнього середовища, під час фактичного випробування тестова горизонтальна позиція контролюється в межах 100 м від цілі, що може покращити достовірність і точність результатів випробувань.

 

3 Висновок

У цій статті запропоновано метод оцінки інтенсивності джерела звуку підводних акустичних перетворювачів на мілководді на основі методу матриці зворотної частотної характеристики. Здійсненність і точність методу аналізуються та перевіряються з точки зору теорії та моделювання. У статті спочатку виводиться та описується принцип методу IFRF; і аналізує причину помилки в оцінці інтенсивності джерела звуку на основі теоретичного визначення. Порівняно з традиційним методом загасання сферичної хвилі та методом формування променя, функція зворотної частотної характеристики приймає відбитий сигнал від кожної граничної поверхні як ефективний вхідний сигнал, а також враховує вплив акустичного каналу та флуктуації звукового поля. Аналіз моделювання показує, що запропонований метод має хороші показники в оцінці цільового рівня джерела звуку на мілководді. Цей метод підходить для випадку мілководних морів із постійним профілем швидкості звуку, а також для складної гідрології або Ситуація з вимірюванням широкосмугового сигналу потребує подальшого вивчення.