Schätzung des Schallquellenniveaus des akustischen Unterwasserswandlers in flachem Wasser

Eine Schätzungs -Schätzungsmethode auf der Schätzung der akustischen Inverse -Frequenz -Antwort (IFRF) wird vorgeschlagen, um das Problem der schlechten Genauigkeit der Bewertung der Schwingung und des Geräuschpegels der akustischen Unterwasserausrüstung in flachen Gewässern zu lösen. Diese Methode repräsentiert die Multi-Channel-Übertragungsfunktion als Interferenz-SU-Täter der Schallquelle und ihrer virtuellen Multi-Order-Quelle. Die Transfermatrix baut die Beziehung zwischen den komplexen Quellenstärken, dem komplexen Drücken an Messpunkten und dem akustischen Kanal auf. Die Quellenstärken vonUnterwasser akustischer Wandlerkann genau aus der abgestrahlten akustischen Feldmessung basierend auf der Inversion der Transfermatrix geschätzt werden. Das Grundprinzip der IFRF -Methode wird eingeführt, und die Einflussfaktoren der Quellstärkeschätzungsfehler werden analysiert, einschließlich der Schätzungsfehler der Unterwasser akustischen Kanalkanal, Schalldruckmessfehlern und den Bedingungen der Übertragungsmatrix. Die Ergebnisse der numerischen Simulationsanalyse werden vorgestellt, was darauf hinweist, dass die vorgeschlagene Methode machbar ist und eine gute Leistung bei der Schätzung des Schallquellenniveaus des Unterwasserschichtwandlers aufweist.

Mit dem Vorschlag und der Umsetzung der National Maritime Power Strategy wurde der Entwicklung von Marine große Aufmerksamkeit geschenktZylinderer Unterwasserwandler, ökologischer Schutz, wissenschaftlicher Forschungs- und Rechteschutz. Die Unterwasser -Akustikgeräte und unbemannte Unterwasserfahrzeuge (UUV, UUV, AUV) und Meerestechnik wurden ebenfalls rasch entwickelt, und die Bereitstellung genauer und wirksamer Informationen für Geräteleistung wird die Entwicklung verschiedener Wandler stark unterstützen. Die Intensität der Unterwasserstrahlungsquelle ist ein wichtiger Parameter für unter Wasser akustische Geräte, wenn sie funktioniert, und hängt mit seiner eigenen Leistung und Sicherheit zusammen. Derzeit kann die Position der Rauschquelle in den meisten Fällen in den meisten Fällen gut lokalisiert und identifiziert werden, um die Intensität der Zielschallquelle genau zu messen. Die Quelle kann genau gemessen oder bewertet werden, sie kann Leitlinien für die Entwicklung von Geräten oder Leistungsschätzungen vorlegen und die Unterwassernavigation erweitern. Die Bewertung des Unterwassergeräuschpegels von Zielen wie reisenden Fahrzeugen oder Oberflächenschiffen bietet eine wirksame Bewertung ihres Geräuschpegels oder die Wirkung von akustischen Behandlungsmaßnahmen. In einer flachen Wasserumgebung wirkt sich der reflektierte Klang von der Grenzfläche und andere Hintergrundinterferenzquellen auf den unter Wasser ausgestrahlten Schallfeldtest aus. Wenn der direkte Klang des Ziels durch einen bestimmten Algorithmus vom Interferenzschall getrennt werden kann, kann die Schallquelle genau geschätzte Informationen, die inverse Frequenzgang -Matrixmethode (inverse Frequenzgangfunktion, IFRF) als räumliche Transformationsalgorithmus sein, es hat eine Genauigkeit hocher Mit detaillierteren theoretischen Analysen haben Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern die Theorie in der späteren Zeit auch nacheinander untersucht und entwickelt. Es gab jedoch Forschungsmeister. Es muss sich in der Umgebung des Luft -Anechoic -Raums konzentrieren und gute Ergebnisse erzielt. Wenn die Methode in die tatsächliche flache Wasserumgebung eingeführt werden kann, kann sie zum Testen und Bewertung der Strahlungsintensität der Schwingungsschallquelle verwendet werden, um das Problem der schlechten Genauigkeit des Target -Sound -Quellenintensitätstests in einer flachen Wasserumgebung erheblich zu verbessern. In Anbetracht der oben genannten Probleme nimmt dieses Papier die Monopol-Schallquelle als Forschungsobjekt an, und unter der Annahme einer sphärischen Welle wird die Kanalübertragungsfunktion als multivirtuelle Quellenstrahlung modelliert. wird verwendet, um den Wert des Ziels für die Schallquellenpegel zu invertieren, und die Faktoren, die die Genauigkeit der Schätzung der Schallquellenpegel beeinflussen Die durch den Unterwasser akustischen Wandler ausgestrahlte Schallquelle ist machbar und hat einen hohen Grad an Genauigkeit.

1.1 Inverse -Frequenzgang -Matrixmethode

Die Frequenzantwortfunktion stellt die Beziehung zwischen dem tatsächlichen Umgebungsmessdruck und der Zielschallquelle fest. Die Funktionsmatrix kann direkt gemessen oder bestanden werden. Das numerische Modell wird berechnet und das Schallfeld wird vom Hydrophonarray gemessen, um die Frequenzgangsfunktionsmatrix und den komplexen Schalldruck des Schallfelds zu erhalten. Nach Berechnung der Intensität der Intensität der Die Schallquelle kann aus der Schallfeldmessung geschätzt werden. In Anbetracht des Falls einer Einzelpunktquelle ist die Verbindung des Piezo-Elements auf dem Schallarray. Das Empfangs-Transducer-Signal ist das Schallquellenemissionssignal und die Unterwasser akustische Kanalantwortfunktion, wobei Q (HS, T) die Tiefe ist Von der Schallquelle bei HS und P (hm, t) ist die Tiefe. Das Zeitdomänensignal, das am Messpunkt HM, H (HS, HM) empfangen wird, ist die Akustikkanal -Antwortfunktion von der Schallquelle zum Empfangspunkt. Um die Analyse zu erleichtern, analysieren wir die Schallausbreitungsbeziehung in der Frequenzdomäne und verwenden eine Matrix, um das ideale Array -Erfassungssignal und das Sound darzustellen.

Die Beziehung zwischen den Quellen, P ist der m × 1 -Ordnung komplexe Schalldruckvektor, q ist der Schallquellenintensitätsvektor (einschließlich der imaginären Quelle), H ist die komplexe Frequenzgangsmatrix, wobei der Begriff HI, J mit dem verwandt ist I-Th Sound Quelle zur i-Th-Soundquelle. Akustische Übertragungsfunktion zwischen J -Elementen. In der tatsächlichen Messung bringen Rauschinterferenz oder bedingte Annahmen bestimmte Fehler. Daher muss Vektor E dem idealen Messschalldruck hinzugefügt werden. Der Vektor E repräsentiert die Abweichung zwischen dem gemessenen Schallwert und dem idealen Schalldruckwert P. Um sowohl die \"beste Übereinstimmung\" zu erreichen, besteht die herkömmliche Methode darin, die Methode der kleinsten Quadrate zu verwenden. Definieren Sie eine Kostenfunktion: Es ist leicht zu beweisen, dass die Schallquellenintensität, wenn der Mindestwert der Gleichung erhalten wird, die am besten geschätzte Lösung ist.

1.2 Fehleranalyse

Durch die Fehleranalyse kann die Quelle des Schätzungsfehlers festgestellt werden, und es kann grundlegende Leitlinien für die tatsächlichen Messarbeiten bereitstellen, um den Fehler zu verringern. Ohne Verlust der Allgemeinheit. In diesem Fall führen wir eine eingehende Analyse der im Abschnitt berechneten geschätzten Schallquellenintensität durch und berücksichtigen die Verwendung einer nützlichen Eigenschaft der Matrix 2-Norm, dh für die Matrizen A und B. Die Bedingungsnummer der Matrix hängt mit dem Zustand der Matrix zusammen. Wenn die Bedingung zu groß ist, befindet sich die Matrix in einem schlecht konditionierten Zustand, und die Zielschätzung wird zu diesem Zeitpunkt gegeben. BRING Große Fehler. Die Matrixzustandsnummer ist definiert.

2 Simulation und Diskussion

Da die tatsächliche Schallfeldumgebung komplex und veränderbar ist, beeinflussen unterschiedliche Faktoren die Leistung der Methode in gewissem Maße. Um die IFRF zu überprüfen. Die Methode wird verwendet, um die Genauigkeit und Anwendbarkeit der Schallquellenintensität zu schätzen. Ziel ist es, die Intensität der Schallquelle abzuschätzen, die von der Monopol -Schallquelle ausgestrahlt wird, und die Matlab -Software wird verwendet. Um den Effekt der IFRF -Methode in einer verrückten Umgebung zu analysieren, um den Fehler zwischen dem geschätzten Wert und dem zu quantifizieren Tatsächlicher Wert, der quadratische Stammfehler wird ausgewählt, um die Leistung in einem breiten Frequenzband darzustellen.

Die Simulationsumgebung ist eine gleichmäßige flache Wasserumgebung mit flachem Boden, einer Wassertiefe von 60 m und die Schallquellentiefe auf 10 m eingestellt, wobei 33 Yuan gleichermaßen verteilt sind. Das lineare Array wird für die Messung verwendet. Der Elementabstand beträgt 1 m Die Mitte des Basisarrays liegt in einer Tiefe von 22 m und das Signal ist ein einfrequentes kontinuierliches Signal im Bereich von 100 Hz ~ 10 kHzsphärische Unterwasserschallwandlerin. Um den Einfluss der Rauschinterferenz im tatsächlichen Testsignal zu simulieren, wird das Schalldrucksignal, das durch die Simulationsberechnung erhalten wird, zu einem Schalldrucksignal hinzugefügt. Daher ist in Abbildung 1 die Beziehung zwischen der Differenz zwischen dem geschätzten Wert der Schallquellenintensität und dem wahren Wert mit Frequenz- und Rauschpegel dargestellt.

Um die Änderungsmerkmale der Kurve hervorzuheben, ist die Fehleränderungskurve, die dem Signal-Rausch-Verhältnis von 3DB entspricht, und 10 dB in Abbildung 2 dargestellt, Tabelle Der Stammwertwert des Schätzungsfehlers des Schalls Quellenintensität im entsprechenden Frequenzband einiger Signal-Rausch-Verhältnisse.

Aus den Ergebnissen von Abbildung 1 und Abbildung 2 ist ersichtlich, dass im Frequenzbereich von 100 Hz ~ 10 kHzsphärischer HydrophonwandlerDer Fehler der Schallquellenintensitätsschätzung variiert unregelmäßig mit der Frequenz. Wenn das Signal-Rausch-Verhältnis niedrig ist, überschreitet der Fehler bei einigen Frequenzpunkten den Referenzwert des 3DB-Voreingangs, wobei die Verhältnis von Signal-Rausch stabil. In Kombination mit der statistischen Datenanalyse in Tabelle 1 wird der Gesamtfehler im Frequenzband allmählich reduziert und mit der Zunahme des Signal-Rausch-Verhältnisses stabilisiert und hat immer noch eine höhere Genauigkeit bei einem niedrigeren Signal-Rausch-Verhältnis aufweist Angabe der Wirksamkeit der IFRF -Methode. Sex und Genauigkeit.

(2) Der Einfluss der horizontalen Entfernung auf die Schallquelle -Ebene -Schätzung

Aufgrund der Ausdehnung von Schallwellen mit zunehmender Entfernung ist die Größe des Schallsignals in unterschiedlichen horizontalen Abständen in der gleichen Tiefe unterschiedlich. Um den Einfluss des Messarrays bei unterschiedlichen horizontalen Abständen auf die Genauigkeit der durch das IFRF-Verfahren geschätzten Schallquellenebene zu analysieren, wird angenommen, dass jedes Signal-Rausch-Verhältnis des Messsignals am horizontalen Abstand das ist gleich. Gemäß der Analyse des Textes wird das Signal-Rausch-Verhältnis als 10 dB ausgewählt, um die entsprechenden Testbedingungen verschiedener Testabstände zu analysieren. In Abbildung 3 werden die entsprechenden Simulationsergebnisse für einige Entfernungen aufgeführt. Der mittlere Quadratwert des Schätzungsfehlers der Schallquellenpegel im entsprechenden Frequenzband.

Vergleich und Analysieren der Simulationsergebnisse in Abbildung 3 ist ersichtlich, dass es ähnliche Eigenschaften wie Rauschveränderungen aufweist. Mit zunehmender horizontaler Testentfernung schwankt die Schätzungs -Fehlerkurve der Schallquellenpegel stärker und es wird bei Frequenzen mehr Fehler geben. Überschreiten den vorgegebenen 3DB -Referenzwert. Wenn die statistischen Daten in Abbildung 4 kombiniert werden, ist ersichtlich, dass die Inversionsabweichung innerhalb des Frequenzbandes mit zunehmender Testabstand allmählich steigt. Bei der Analyse dieser Trendänderung beträgt die Gesamtabweichung weniger als 1 dB oder sogar niedriger in einem Abstand von etwa 200 m. In Anbetracht der Tatsache, dass das tatsächliche akustische Signal eine Ausbreitungsschwächung und Umgebungsgeräuschstörungen aufweist, wird die horizontale Testposition im tatsächlichen Test innerhalb von 100 m vom Ziel kontrolliert, was die Gültigkeit und Genauigkeit der Testergebnisse verbessern kann.

3 Schlussfolgerung

In diesem Artikel wird eine Methode zur Schätzung der Schallquellenintensität von Unterwasser akustischen Wandlern in flachen Gewässern basierend auf der inversen Frequenzgang -Matrixmethode vorgeschlagen. Die Machbarkeit und Genauigkeit der Methode werden aus der Perspektive von Theorie und Simulation analysiert und verifiziert. Der Artikel leitet und beschreibt zunächst das Prinzip der IFRF -Methode; und analysiert die Ursache des Fehlers in der Schallquellenintensitätsschätzung aus der theoretischen Ableitung. Im Vergleich zur traditionellen Methode der kugelförmigen Wellenabschwächung und der Strahlformmethode nimmt die inverse Frequenzgangfunktion das reflektierte Signal von jeder Grenzfläche als effektiver Eingang und berücksichtigt auch den Einfluss des akustischen Kanals und die Schwankung des Schallfeldes. Die Simulationsanalyse zeigt, dass die vorgeschlagene Methode eine gute Leistung bei der Schätzung des Zielschallquellenniveaus im flachen Wasser aufweist. Diese Methode ist für den Fall von flachem Meer mit konstantem Schallgeschwindigkeitsprofil geeignet, und für die komplexe Hydrologie oder die Situation der Breitbandsignalmessung muss weiter untersucht werden.