于洪濤 王雙記 李海

中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì)96分隊(duì), 廣東 湛江 524022

引言

水聲隱身性是水下航行器最主要的性能之一。水下航行器是一個(gè)復(fù)雜的噪聲源分布體，產(chǎn)生水下噪聲的原因主要有三個(gè)方面：1）機(jī)械設(shè)備和管系通過基座與非支撐件激勵(lì)艇體振動(dòng)并向水中輻射噪聲，還包括艙室空氣噪聲向水中透射引起的噪聲以及冷卻水管中的流體脈動(dòng)向水中的聲輻射；2）螺旋槳旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲,包括旋轉(zhuǎn)噪聲、湍流噪聲、尾渦噪聲和空化噪聲，以及螺旋槳脈動(dòng)壓力通過軸系激勵(lì)或直接激勵(lì)艇體產(chǎn)生的噪聲；3）水流流經(jīng)艇體表面以及突體、附體、空腔所產(chǎn)生的水動(dòng)力噪聲和湍流脈動(dòng)壓力激勵(lì)艇體產(chǎn)生的噪聲。而機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的噪聲是水下航行器低速巡航時(shí)最主要的噪聲源，有效控制和減小其機(jī)械噪聲是實(shí)現(xiàn)其安靜化的首要環(huán)節(jié)。

由于機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生水下噪聲的途徑是多種多樣的，故此主要從聲源和聲傳播兩方面來考慮：選用低噪聲設(shè)備；隔絕或減小振動(dòng)、噪聲和激勵(lì)力的傳遞途徑。低噪聲設(shè)備的選擇問題較為易解決，而傳遞路徑的識(shí)別問題一直是難點(diǎn)問題，基于此原因本文提出一種基于信息相似性的聲源傳遞路徑識(shí)別研究。

1 理論分析

1.1 振動(dòng)傳遞路徑的物理模型

依據(jù)振動(dòng)至聲的傳遞過程，可將機(jī)械設(shè)備—傳遞路徑—水聲場(chǎng)的傳遞路線描述為圖1所示的物理模型。按照這種傳遞模式，對(duì)各個(gè)傳遞環(huán)節(jié)的振動(dòng)信息進(jìn)行信息相似性分析或頻譜能量的變化，查找信息相似性程度高或振動(dòng)能量衰減小的環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)即為設(shè)備振動(dòng)至聲輻射的主要傳遞路徑。

圖1 振動(dòng)傳遞路徑物理模型

1.2 振動(dòng)傳遞路徑的數(shù)學(xué)模型

圖2 多輸入單輸出系統(tǒng)

考慮q個(gè)被明確定義的、可測(cè)量的輸入xi(t)，i=1,2,…,q，它們通過q個(gè)頻率響應(yīng)函數(shù)為Hi(f)，q的常參數(shù)線性系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)測(cè)量輸出 y(t)。輸出y(t)是人們預(yù)計(jì)的理想線性輸出vi(t)，i=1,2,…,q與偏離理想模型的所有可能偏差之和（這些偏差包含在未知的n(t)中），見圖2所示。在最小二乘意義下，Hi(f)的最優(yōu)選擇可使n(t)與vi(t)不相干（或不相關(guān)）。這是一種實(shí)際的物理情況，在此情況下可根據(jù)xi(t)及y(t)的測(cè)量來估計(jì)Hi(f)和n(t)。

輸入和輸出的一階矩關(guān)系（這里以頻域的隨機(jī)譜表示）為：

對(duì)輸入作變換，使得變換后的輸入相互獨(dú)立，而且變換特點(diǎn)是對(duì)每個(gè)輸入逐步扣去與其相關(guān)的前面輸入的剩余作為變換后的輸入。

2 仿真研究

2.1 獨(dú)立條件下的噪聲源傳遞路徑仿真研究

仿真條件：假設(shè)源信號(hào)分別為50Hz和100Hz正弦信號(hào)，其中50Hz 信號(hào)存在三條傳遞路徑，分別為hi(t)、h2(t)和h3(t)，100Hz 存在一條傳遞路徑x4(t)，x1(t)、x2(t)、x3(t)和x4(t)為測(cè)量輸入，y(t)為測(cè)量輸出，n1(t)、n2(t)、n3(t)、n4(t)分別為測(cè)量輸入干擾噪聲，n(t)為測(cè)量輸出外界噪聲。

圖3 多輸入/輸出模型

Fir濾波器的優(yōu)點(diǎn)在于保證滿足濾波器幅頻相應(yīng)的同時(shí)又能得到嚴(yán)格的線性相位特性，故此，濾波器選Fir數(shù)字濾波器。hi(t)、h2(t)、h3(t)和 h4(t)分別位低通 Fir濾波器衰減系數(shù)分別為10dB、6dB、0dB和0dB。下面針對(duì)50Hz特征信息進(jìn)行主要傳遞路徑分析，具體結(jié)果如下：

利用偏相干分析所給出的相對(duì)獨(dú)立貢獻(xiàn)，如圖4所示，偏相干函數(shù)值分別為0.9153和0.9066，表明100Hz特征頻譜主要通過筏架剛性支撐點(diǎn)附近殼體向水聲場(chǎng)傳遞。

圖4 測(cè)量輸入與測(cè)量輸出的偏相干函數(shù)

2.2 耦合條件下的噪聲源傳遞路徑仿真研究

仿真條件：假設(shè)源信號(hào)分別為50Hz、100Hz和80Hz正弦信號(hào)，其中50Hz和100Hz 信號(hào)存在三條傳遞路徑，分別為hi(t)、h2(t)和h3(t)，80Hz 存在一條傳遞路徑 h4(t)，x1(t)、x2(t)、x3(t)和 x4(t)為測(cè)量輸入，y(t)為測(cè)量輸出，n1(t)、n2(t)、n3(t)和n4(t)分別為測(cè)量輸入干擾噪聲，n(t)為測(cè)量輸出外界噪聲。

圖5 多輸入/輸出模型

下面針對(duì)50Hz和100Hz特征信息，利用建立的噪聲源主要傳遞路徑識(shí)別信息處理方法識(shí)別其主要傳遞路徑。

圖6 輸入與輸出的相干函數(shù)

由圖6可以看出，測(cè)量輸入與測(cè)量輸出存在50Hz和100Hz特征信息相似性的測(cè)量輸入為x1(t)、x2(t)和x3(t)；測(cè)量輸入與測(cè)量輸出存在80Hz特征信息相似性的測(cè)量輸入為x4(t)。

下面針對(duì)50Hz和100Hz特征信息，利用建立的噪聲源主要傳遞路徑識(shí)別信息處理方法識(shí)別其主要傳遞路徑。

①50Hz特征信息主要傳遞路徑識(shí)別

由相干分析結(jié)果可以看出，選擇與輸出存在強(qiáng)相干性的輸入x1(t)、x2(t)和x3(t)進(jìn)一步采用偏相干方法，來分析50Hz特征頻譜主要傳遞路徑。

圖7 測(cè)量輸入與測(cè)量輸出的偏相干函數(shù)

利用偏相干分析所給出的相對(duì)獨(dú)立貢獻(xiàn)，如圖7所示，50Hz特征頻譜的偏相干函數(shù)值分別為0.37、0.72和0.8102，表明50Hz特征頻譜主要來源于x3(t)，其次為 x2(t)，x1(t)次之；100Hz特征頻譜的偏相干函數(shù)值分別為0.7887、0.89和0.9601，表明100Hz特征頻譜主要來源于x3(t)，其次為x2(t)，x1(t)次之。

綜上所述，50Hz特征信息的主要傳遞路徑為x4(t)，其次為x2(t)，x1(t)次之，分析結(jié)果與仿真設(shè)置條件一致。

3 小結(jié)

綜上所述鑒于水下航行器的振動(dòng)噪聲源傳遞通道的復(fù)雜性，同時(shí)采用多種方法對(duì)振動(dòng)噪聲源主要傳遞路徑進(jìn)行辨識(shí)是必要的。雖然，現(xiàn)階段研究而言，不同方法間的綜合集成思路不是太明確的，基本上還停留在定性分析比較這一層面，但是，采用多種方法對(duì)振動(dòng)噪聲源主要傳遞路徑進(jìn)行識(shí)別是十分必要的，也將會(huì)是未來發(fā)展的一種趨勢(shì)，本文提出的基于功率譜分析、相干分析及偏相干分析的分析方法從仿真分析結(jié)果來看效果非常好，具體工程應(yīng)用有待進(jìn)一步研究。

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