Estimación de nivel de fuente de sonido de bajo el agua transductor acústico en aguas poco profundas

Se propone un método de estimación de nivel de origen sólido basado en la función de respuesta a frecuencia inversa acústica (IFRF) para resolver el problema de la mala precisión de la evaluación del nivel de vibración y ruido de los equipos acústicos subacuáticos en aguas poco profundas. Este método representa la función de transmisión multicanal como la perposición de la fuente de la fuente de sonido y su fuente virtual de orden múltiple. La matriz de transferencia construye la relación entre las intensas de origen complejas, las presiones complejas en los puntos de medición y el canal acústico. La fuente de fortalezas deTransductor acústico subacuáticoSe puede estimar con precisión de la medición de campo acústico radiado en función de la inversión de la matriz de transferencia. Se introduce el principio básico del método IFRF, y se analizan los factores de influencia de los errores de estimación de la resistencia de la fuente, incluidos los errores de estimación del canal acústico subacuático, los errores de medición de presión de sonido y las condiciones de la matriz de transferencia. Se presentan los resultados del análisis de simulación numérica, lo que indica que el método propuesto es factible y tiene un buen rendimiento al estimar el nivel de fuente de sonido del transductor acústico subacuático.

Con la propuesta e implementación de la estrategia nacional de poder marítimo, se ha prestado gran atención al desarrollo de la marina.Transductor submarino cilindral, Protección ecológica, investigación científica y protección de derechos. El equipo acústico subacuático y los vehículos subacuáticos no tripulados (UUV, UUV, AUV) y equipos de ingeniería marina también se han desarrollado rápidamente, y la provisión de información de rendimiento de equipos precisos y efectivos apoyará fuertemente el desarrollo de varios transductores. La intensidad de la fuente de sonido radiada submarina es un parámetro importante del equipo acústico subacuático cuando está funcionando, y está relacionado con su propio desempeño y seguridad. Actualmente, para la prueba de fuentes de ruido submarino, en la mayoría de los casos, la posición de la fuente de ruido puede estar bien ubicada e identificada, pero es difícil medir con precisión la intensidad de la fuente de sonido objetivo. Si el nivel de sonido radiado del ruido. La fuente se puede medir o evaluar con precisión, puede proporcionar orientación para el desarrollo del equipo o la estimación del rendimiento, y extenderlo a la navegación submarina. La evaluación del nivel de ruido submarino de objetivos, como los vehículos itinerantes o los buques de superficie, proporcionará una evaluación efectiva de su nivel de ruido. o el efecto de las medidas de tratamiento acústico. En un entorno de aguas poco profundas, el sonido reflejado de la interfaz y otras fuentes de sonido de interferencia de fondo afectarán la prueba de campo de sonido radiadas bajo el agua. Si el sonido directo del objetivo puede separarse del sonido de interferencia mediante un algoritmo específico, la fuente de sonido se puede estimar con precisión información, método de matriz de respuesta de frecuencia inversa (función de respuesta de frecuencia inversa, IFRF) como algoritmo de transformación espacial, tiene una Exactitud de alta tierra, y se puede usar para identificar fuentes de sonido y visualizar el campo de sonido de estructuras complejas, y no está limitado por el sistema acústico, que es un método de prueba práctico del método IFRF en imágenes de origen de sonido de campo cercano en medio de aire. . Con un análisis teórico más detallado, los académicos de varios países también han estudiado y desarrollado sucesivamente la teoría en el momento posterior. Pero ha habido una maestría de investigación. Debe concentrarse en el ambiente de la sala de Air Anecoic y ha logrado buenos resultados. Si el método se puede introducir en el entorno de aguas poco profundas real, se puede usar para probar y evaluar la intensidad de radiación de la fuente de sonido de vibración, mejorará significativamente el problema de la mala precisión de la prueba de intensidad de la fuente de sonido de destino en un entorno de agua poco profunda. En vista de los problemas anteriores, este documento toma la fuente de sonido Monopole como objeto de investigación, y bajo el supuesto de onda esférica, la función de transferencia de canales se modela como radiación de origen multi-virtual. La superposición del vector de la propagación de sonido de radio, el método IFRF se usa para invertir el valor de nivel de fuente de sonido radiado con destino, y se evalúan los factores que afectan la precisión de la estimación de nivel de fuente sólida. Ejecución del análisis y el análisis de simulación relacionados basados ​​en el modelo de campo de sonido establecido, los resultados muestran que el método estima que estima el La fuente de sonido irradiada por el nivel de transductor acústico subacuático es factible y tiene un alto grado de precisión.

1.1 Método de la matriz de respuesta de frecuencia inversa

La función de respuesta de frecuencia establece la relación entre la presión de sonido real de medición ambiental y la fuente de sonido de destino. La matriz de la función se puede medir o transmitir directamente. El modelo numérico se calcula, y el campo de sonido se mide por la matriz de hidrófono para obtener la matriz de función de respuesta de frecuencia y la presión de sonido compleja del campo de sonido. Cálculo, la intensidad de la La fuente de sonido se puede estimar a partir de la medición del campo de sonido. Teniendo en cuenta el caso de una fuente de sonido de un solo punto, la conexión del elemento piezo en la matriz de sonido. La señal de transductor de recepción es la señal de emisión de la fuente de sonido y la función de respuesta de canal acústico subacuático, donde Q (HS, T) es la profundidad De la fuente de sonido en HS, y P (HM, T) es la profundidad. La señal de dominio del tiempo recibida en el punto de medición HM, H (HS, HM) es la función de respuesta del canal acústico de la fuente de sonido al punto de recepción. Para facilitar el análisis, elegimos analizar la relación de propagación de sonido en el dominio de frecuencia y usar una matriz para representar la señal de adquisición y la señal de adquisición de la matriz ideal.

La relación entre las fuentes, P es el vector de presión de sonido compleja M × 1, q es el vector de intensidad de la fuente de sonido (incluida la fuente imaginaria), H es la matriz de respuesta de frecuencia compleja, donde el término hi, j está relacionado con el I-TH Sound Fuente a la fuente de sonido I-TH. Función de transferencia acústica entre los elementos J. En la medición real, la interferencia de ruido o los supuestos condicionales traerán ciertos errores. Por lo tanto, vector E debe agregarse a la presión de sonido de medición ideal. El vector E representa la desviación entre el valor de sonido medido y el valor de presión de sonido ideal P. Para que ambos puedan lograr la \"mejor coincidencia\", el método tradicional es usar el método de mínimos cuadrados. Defina una función de costo: es fácil probar que la intensidad de la fuente de sonido cuando se obtiene el valor mínimo de la ecuación es la mejor solución estimada.

1.2 Análisis de errores

A través del análisis de errores, se puede encontrar la fuente del error de estimación, y puede proporcionar orientación básica para el trabajo de medición real para reducir el error. Sin pérdida de generalidad. En este caso, realizamos un análisis en profundidad de la intensidad de la fuente de sonido estimada calculada en la sección y considerando el uso de una propiedad útil de la norma de la matriz 2, es decir, para las matrices A y B. El número de condición de la matriz está relacionado con el estado de la matriz. Cuando la condición es demasiado grande, la matriz se encuentra en un estado mal condicionado, y la estimación objetivo se dará en este momento. Primeros errores. Se define el número de la condición de la matriz.

2 Simulación y discusión.

Como el entorno de campo de sonido real es complejo y cambiante, los factores diferentes afectarán el rendimiento del método hasta cierto punto. Con el fin de verificar el IFRF.El método se usa para estimar la precisión y la aplicabilidad de la intensidad de la fuente de sonido. El objetivo es estimar la intensidad de la fuente de sonido irradiada por la fuente de sonido Monopole, y se usa el software MATLAB. Para analizar el efecto del método IFRF en un entorno ruidoso, para cuantificar el error entre el valor estimado y el Valor real, se selecciona el error cuadrático medio de la raíz para representar el rendimiento en una banda de frecuencia ancha.

El entorno de simulación es un entorno de agua poco profundo uniforme con un fondo plano, una profundidad de agua de 60 m, y la profundidad de la fuente de sonido se establece a 10 m, utilizando 33 yuanes por igual vertical espaciado. La matriz lineal se usa para la medición, el espaciado de elementos es 1 m El centro de la matriz base se encuentra a una profundidad de 22 m, y la señal es una señal continua de una sola frecuencia en el rango de 100Hz ~ 10kHzTransductor acústico subacuático esférico. Para simular la influencia de la interferencia de ruido en la señal de prueba real, se agrega el ruido blanco gaussiano a la señal de presión de sonido obtenida por el cálculo de la simulación. Por lo tanto, la relación entre la diferencia entre el valor estimado de la intensidad de la fuente de sonido y el valor real con frecuencia y nivel de ruido se muestran en la Figura 1.

Para resaltar las características de cambio de la curva, la curva de cambio de error correspondiente a la relación de señal a ruido de 3DB, y 10dB se muestra en la Figura 2, TABLA EL VALOR DE MEDIO MEDIDO DE LA ENTRADA DEL ERROR DE ESTIMACIÓN DEL SONIDO Intensidad de la fuente en la banda de frecuencia correspondiente de algunas relaciones de señal a ruido.

A partir de los resultados de la Figura 1 y la Figura 2, se puede ver que en el rango de frecuencia de 100Hz ~ 10kHzTransductor de hidrófono esférico, el error de estimación de intensidad de la fuente de sonido varía irregularmente con la frecuencia. Cuando la relación señal-ruido es baja, el error en algunos puntos de frecuencia excede el valor de referencia preestablecido 3DB, con la mejora de la relación señal-ruido, esta situación se ha debilitado significativamente, y la curva de error general tiende a ser estable. Combinado con el análisis de datos estadísticos en la Tabla 1, el error general en la banda de frecuencia se reduce gradualmente y se estabiliza con el aumento de la relación señal-ruido, y aún tiene una mayor precisión en una relación de señal a ruido más baja , indicando la efectividad del método IFRF. Sexo y precisión.

(2) la influencia de la distancia horizontal sobre la estimación de nivel de fuente de sonido

Debido a la expansión de las ondas de sonido con el aumento de la distancia, la magnitud de la señal de sonido en diferentes distancias horizontales a la misma profundidad es diferente. Para analizar la influencia de la matriz de medición a diferentes distancias horizontales en la precisión del nivel de fuente de sonido estimado por el método IFRF, se supone que cada una relación señalización a ruido de la señal de medición en la distancia horizontal es la mismo. De acuerdo con el análisis del texto, la relación señal-ruido se selecciona como 10DB para analizar las condiciones de prueba correspondientes de diferentes distancias de prueba. La Figura 3 enumera los resultados de la simulación correspondientes para algunas distancias. El valor cuadrático medio de la raíz del error de estimación del nivel de fuente de sonido en la banda de frecuencia correspondiente.

Comparando y analizando los resultados de la simulación en la Figura 3, se puede ver que tiene características similares a los cambios de ruido. A medida que aumenta la Distancia de la Prueba Horizontal, la curva de error de estimación de nivel de fuente de sonido global fluctúa con mayor frecuencia, y habrá más errores en las frecuencias. Excediendo el valor de referencia predeterminado 3DB. Combinando los datos estadísticos en la Figura 4, se puede ver que la desviación de la inversión dentro de la banda de frecuencia aumenta gradualmente a medida que aumenta la distancia de prueba. Analizando este cambio de tendencia, la desviación general es inferior a 1dB o incluso más baja dentro de una distancia de aproximadamente 200 m. Teniendo en cuenta que la señal acústica real tiene la atenuación de la propagación y la interferencia de ruido ambiental, en la prueba real, la posición horizontal de la prueba se controla a 100 m del objetivo, que puede mejorar la validez y la precisión de los resultados de las pruebas.

3 conclusión

Este documento propone un método para estimar la intensidad de la fuente de sonido de los transductores acústicos submarinos en aguas poco profundas basadas en el método de matriz de respuesta de frecuencia inversa. La factibilidad y la precisión del método se analizan y se verifican desde la perspectiva de la teoría y la simulación. El artículo se deriva primero y describe el principio del método IFRF; y analiza la causa del error en la estimación de intensidad de la fuente de sonido de la derivación teórica. Comparando con el método tradicional de atenuación de ondas esféricas y el método de formación de haz, la función de respuesta de frecuencia inversa toma la señal reflejada de cada superficie de límite como una entrada efectiva, y también tiene en cuenta la influencia del canal acústico y la fluctuación del campo de sonido. El análisis de simulación muestra que el método de proponente tiene un buen desempeño en la estimación del nivel de fuente de sonido objetivo en aguas poco profundas. Este método es adecuado para el caso de mares poco profundos con un perfil de velocidad de sonido constante, y para la hidrología compleja o la situación de la medición de la señal de banda ancha necesita un estudio adicional.