田 文,戴躍偉,王 彪

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003)

船舶輻射噪聲作為水聲對(duì)抗研究主要對(duì)象,廣泛應(yīng)用于通信、聲誘餌等領(lǐng)域．在水聲對(duì)抗技術(shù)中,船舶輻射噪聲特征重構(gòu)模擬技術(shù)是聲誘餌的關(guān)鍵技術(shù)．船舶輻射噪聲模擬主要研究和分析船舶的聲學(xué)特征,并能夠高逼真地將這些特征模擬出來(lái),用于對(duì)付各種聲學(xué)系統(tǒng)的測(cè)評(píng)以及誘騙魚雷和聲吶．船舶輻射噪聲重構(gòu)技術(shù)的好壞對(duì)于聲誘餌的性能具有很大的影響．因而,船舶輻射噪聲的相似度分析,成了一個(gè)不容忽視且亟需解決的問(wèn)題．

船舶輻射噪聲[1-3]主要由機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲3部分組成，其中機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲是輻射噪聲最主要的兩個(gè)成分,其影響大小取決于船舶的航速、長(zhǎng)度、排水量以及噪聲的頻率．當(dāng)船舶高航速行駛時(shí),螺旋槳極易發(fā)生空化,螺旋槳一旦發(fā)生空化[4],螺旋槳噪聲就成為輻射噪聲的主要噪聲源,螺旋槳噪聲表現(xiàn)在頻譜上就是高聳的線譜．當(dāng)船舶低航速行駛時(shí),機(jī)械噪聲往往就上升為主要噪聲源,機(jī)械噪聲在頻譜上表現(xiàn)為寬帶連續(xù)譜，因此船舶輻射噪聲在頻譜上由寬帶連續(xù)譜和一系列線譜組成[5]．由于船舶輻射噪聲頻譜有一定的規(guī)律,所以各種基于頻譜的建模重構(gòu)方法也應(yīng)運(yùn)而生．文獻(xiàn)[6]對(duì)船舶輻射噪聲進(jìn)行了雙譜分析處理,能有效地提取出艦船噪聲的連續(xù)譜和線譜特征并進(jìn)行重構(gòu)．除此以外,文獻(xiàn)[7]利用經(jīng)典的ROSS經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?在分別重構(gòu)線譜和連續(xù)譜并最終在時(shí)域合成出船舶輻射噪聲．

以上重構(gòu)方法可以看出當(dāng)前研究主要集中于頻譜上的線譜和連續(xù)譜,因此相似度分析研究也將頻譜相似度作為研究熱點(diǎn)．頻譜上的分析方法主要有：① 利用梅爾倒譜系數(shù)對(duì)噪聲進(jìn)行分析,其本質(zhì)是通過(guò)選定功率譜中各頻帶能量大小作為目標(biāo)特征進(jìn)行噪聲識(shí)別;② 利用高階統(tǒng)計(jì)量對(duì)噪聲進(jìn)行分析,其本質(zhì)是利用高階統(tǒng)計(jì)量對(duì)于背景噪聲的抑制,提高特征提取的魯棒性并根據(jù)特征進(jìn)行識(shí)別．然而,船舶噪聲識(shí)別僅能判斷兩個(gè)樣本是否為同一個(gè)目標(biāo),并不能判斷兩者相似度大小,因此需要借助經(jīng)驗(yàn)人員用聽覺進(jìn)行進(jìn)一步分辨,這種方式存在效率低的問(wèn)題．因此,如何建立一套可量化的人耳聽覺特征分析方法成為研究者關(guān)心的問(wèn)題．文中結(jié)合人耳聽覺與頻率方面的對(duì)應(yīng)關(guān)系建立一種基于人耳聽覺模型的重構(gòu)分析方法．

1 自適應(yīng)FIR濾波器船舶輻射噪聲生成

為了驗(yàn)證分析方法的有效性,采用目前最為可靠的模擬生成方法——自適應(yīng)FIR濾波器法[8]．文中利用自適應(yīng)FIR濾波器技術(shù)構(gòu)造一個(gè)具有與期望船舶輻射噪聲頻率響應(yīng)相似的FIR濾波器[9],通過(guò)激勵(lì)高斯白噪聲得到與所期望的船舶輻射噪聲(圖1)．理論分析表明,通過(guò)采用自適應(yīng)方法,使得FIR濾波器的幅頻響應(yīng)更加擬合的設(shè)計(jì)指標(biāo),從而避免數(shù)值方法的穩(wěn)定性問(wèn)題,具有更高的靈活性[7]．

圖1 船舶輻射噪聲生成原理Fig.1 Theory in ship radiated noise

該濾波器選擇的具體算法是:首先根據(jù)期望的幅頻響應(yīng)進(jìn)行插值,然后進(jìn)行傅立葉反變換得到理想濾波器的單位脈沖響應(yīng),最后利用窗函數(shù)對(duì)理想濾波器的單位脈沖響應(yīng)進(jìn)行截短處理,由此得到數(shù)字濾波器的系數(shù)．其中幅頻響應(yīng)的自適應(yīng)算法可采用任何一種適用于橫向結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)迭代算法，當(dāng)自適應(yīng)收斂的時(shí)候就可以得到指定的幅頻響應(yīng)．

幅頻響應(yīng)是通過(guò)聲源級(jí)函數(shù)得到的,采用的聲源級(jí)函數(shù)為:

S(t)=SLf+Si(t)

(1)

式(1)是根據(jù)最常使用的,Wales改進(jìn)后的ROSS統(tǒng)計(jì)函數(shù),S(t)為聲源級(jí)大小,SLf為連續(xù)譜函數(shù),Si(t)為線譜函數(shù)．

船舶輻射噪聲的頻譜是由線譜和連續(xù)譜組成的,因此重構(gòu)船舶輻射噪聲需要將其分開進(jìn)行重構(gòu)再最終合成．

其中連續(xù)譜函數(shù)的形式為:

(2)

式中：SLs為100 Hz以上的總聲源級(jí)[11],f0為峰值頻率．其中總聲源級(jí)的函數(shù)式為:

SLS=60lgv+9lgT-20lgf+20lgD+35

(3)

式中：V為船速(節(jié)),T為排水量(t),f為頻率(kHz),距離為D(碼)．式(1)中線譜Si(t)的函數(shù)表達(dá)式為:

(4)

式中：k為線譜數(shù)；Ak，fk，φk分別為第k條線譜對(duì)應(yīng)的幅度,頻率和相位．

2 基于人耳聽覺模型的船舶輻射噪聲重構(gòu)分析方法

從對(duì)抗角度來(lái)講,船舶輻射噪聲模擬生成的逼真效果是衡量水聲對(duì)抗各種武器性能好壞最為關(guān)鍵的風(fēng)向標(biāo)．其中人的聽覺特性對(duì)模擬生成的船舶輻射噪聲相似度高低的判斷在實(shí)際應(yīng)用中最為廣泛(例如聲納兵),然而主觀的感受很難作為一個(gè)判斷的具體標(biāo)準(zhǔn),因此還需要進(jìn)行一些可以量化判斷的手段，因此，文中利用人耳聽覺對(duì)頻率的靈敏度來(lái)進(jìn)行區(qū)分．

2.1 人耳聽覺模型

人類聽覺系統(tǒng)可以分為外圍系統(tǒng)和中心系統(tǒng)．外圍聽覺系統(tǒng)由外耳、中耳、內(nèi)耳以及與大腦相連接的耳蝸神經(jīng)束組成．人耳聽覺感知系統(tǒng)是內(nèi)耳的臨界頻帶分析,原因是當(dāng)音頻聲波段耦合到內(nèi)耳后,會(huì)沿著耳蝸基底膜產(chǎn)生一系列頻率-位置的變換,完成對(duì)音頻信號(hào)的時(shí)-頻分析．在耳蝸基底膜上功率譜不再以線性頻率尺度，而是以稱為臨界頻帶的有限頻段來(lái)表達(dá)．因此參考耳蝸的構(gòu)成可以將耳朵描述為一個(gè)帶通濾波器組,由一系列高度重疊的帶寬從0～5 000 Hz的帶通濾波器組成．人對(duì)聲音的主觀感受主要由響度、音調(diào)、音色等特征來(lái)描述,其中音調(diào)為人耳感受音調(diào)的高低就是頻率的影響,響度為人耳感受聲音大小的強(qiáng)弱也就是能量的大?。?/p>

從這一角度出發(fā),將船舶輻射噪聲信號(hào)看成是多個(gè)頻帶上的能量的組合,通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的子帶分析,可以得到每個(gè)頻帶上的平均能量譜系數(shù)．將n個(gè)分析子帶上的能量譜系數(shù)分別為(p1,p2,…,pn),人耳在這些子帶的感知敏感度水平分別為(w1,w2，…,wn),則可以形成加權(quán)特征矢量P=(w1p1,w2p2,…,wnpn)．其中人耳在這些子帶的感知敏感度水平可以參考文獻(xiàn)[10]．除了能量定量以外,正常的人耳可以聽到的頻率范圍是20～20 000 Hz,由于人耳對(duì)不同頻段的靈敏度不近相同,為了將人耳對(duì)于音調(diào)進(jìn)行定量,參考文獻(xiàn)[10]得出靈敏度的大?。?00 Hz以下是低頻段,人耳對(duì)其靈敏度極低定為30左右,4 000 Hz以上是中頻上段,在這一塊距離的影響會(huì)造成人耳聽覺感受很強(qiáng)烈定為100,因此靈敏度的區(qū)間從0～100,越大說(shuō)明靈敏度越高．結(jié)合文獻(xiàn)[10],得出量化分析結(jié)果如表1．

表1 人耳對(duì)不同頻段的聽覺靈敏度Table 1 Ear hearing sensitivity for different frequencies

2.2 基于人耳特性的分析模型

基于人耳特性的分析建模方法及相似度閾值定量步驟為：

(1) 逐個(gè)將實(shí)測(cè)采集船舶輻射噪聲樣本計(jì)算加權(quán)特征矢量Xi=P;

(2) 將實(shí)測(cè)采集的全部同類船舶輻射噪聲樣本互相計(jì)算Minkowski距離[12]后取平均值S;

(3) 計(jì)算出全部實(shí)測(cè)采集的船舶輻射噪聲中Minkowski距離最大的Smax作為相似度比較的閾值基準(zhǔn)采用相似度公式計(jì)算出相似度Q．

其中Minkowski距離為：

(5)

式中：n為分析子帶的個(gè)數(shù).從式中，當(dāng)p取2的時(shí)候dist對(duì)應(yīng)的是歐氏距離(Euclideandistance)[13]．

將所有的實(shí)測(cè)樣本的歐氏距離S1帶入此公式就得到其相似度．其中S1=S時(shí)得到的相似度Q是同類船相似度的基準(zhǔn)．

(6)

3 仿真結(jié)果分析

3.1 仿真生成

根據(jù)文中濾波器建模方法,建模FIR濾波器[14]的階數(shù)選擇為2 000階,以A型船舉例,它的船體參數(shù)為實(shí)際速度9.2節(jié),葉片數(shù)4,轉(zhuǎn)速175轉(zhuǎn),距離28鏈．原始噪聲的采樣頻率為44 100 Hz,噪聲采集是在海上通過(guò)專業(yè)定向記錄設(shè)備進(jìn)行記錄的．圖2為文中實(shí)測(cè)的漁船船舶輻射噪聲時(shí)域圖．

圖2 實(shí)測(cè)船舶輻射噪聲時(shí)域圖Fig.2 Actual ship radiated noise time domain plot

為了能方便看出原始實(shí)測(cè)船舶輻射噪聲和仿真后的船舶輻射噪聲的相似度差異,重點(diǎn)觀察100～5 000 Hz頻段(圖3),因?yàn)榫€譜和寬帶連續(xù)譜主要集中于此頻段．

圖3 實(shí)測(cè)和仿真船舶輻射噪聲的頻譜圖Fig.3 Actual and simulated ship radiated noise domain plots

由圖3可以看出線譜在頻段上主要集中于100～1 800 Hz,超過(guò)1 800 Hz的部分幾乎沒有高能量的線譜．從實(shí)錄的原始船舶輻射噪聲譜圖中可以看到連續(xù)譜和線譜的疊加效果．實(shí)際上頻譜里的一些線譜在不同海況下并不固定在一個(gè)頻率上,其漂移相位相差較大．因此需要一個(gè)更加科學(xué)的判斷機(jī)制來(lái)評(píng)估原始船舶輻射噪聲和仿真后的船舶輻射噪聲是否相似(或者證明是否為同一條船)．

3.2 結(jié)果分析

為了有效分析重構(gòu)的船舶輻射噪聲與原始船舶輻射噪聲的相似度,將100～5 000 Hz的頻率范圍內(nèi)分成10個(gè)子帶(由圖3可見此頻段集中了船舶輻射噪聲的幾乎全部能量,大于5 000 Hz以后的部分所含能量很少),頻譜圖中每個(gè)子帶的面積為其能量譜系數(shù)．基于人耳聽覺模型的能量譜特征分析方法,將該仿真結(jié)果與兩個(gè)聚類中心進(jìn)行對(duì)比,其一是不同船的輻射噪聲信號(hào)之間的比較,另一個(gè)是原始的船舶輻射噪聲信號(hào)與重構(gòu)后的船舶輻射噪聲信號(hào)之間的比較．實(shí)驗(yàn)中A1船為漁船,A2船為貨船,A3船為油輪．A1船的參數(shù)同上文;A2船為5葉漿,轉(zhuǎn)速98轉(zhuǎn),距離30鏈,吃水9.7 m;A3船距離29鏈,速度13節(jié)．評(píng)估體系需要有一個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)[15],為了給分析結(jié)果設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn),將同類船型不同個(gè)體的歐氏距離做個(gè)比較,如表2．

表2 漁船船舶輻射噪聲信號(hào)的歐氏距離大小Table 2 Euclidean distance between similar ship radiated noise

由上表可知,3艘同類船之間的歐氏距離分別為136.596,148.909和129.727,由此可以發(fā)現(xiàn)同類船的歐式距離十分接近,說(shuō)明同類船從理論上歐氏距離差別不大，同時(shí)證明文中方法具有一定的可靠性．為了以進(jìn)一步驗(yàn)證此分析方法的可靠性,取此同類A1的平均歐氏距離為S=138.41,同時(shí)將全部實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)中計(jì)算得出的最大歐氏距離定為Smax．由此計(jì)算S/Smax=0.105定為分析判斷相似度的基準(zhǔn),其相似度Q經(jīng)過(guò)計(jì)算為89.5%．其余實(shí)驗(yàn)樣本的相似度也可參照此公式得出．根據(jù)Q的定義,相似度Q從0～100%．其中Q低于89.5%表示相似度低,Q高于89.5%表示相似度高．?dāng)?shù)值越大相似度越高,數(shù)值越小相似度越低．

根據(jù)相似度計(jì)算方法,計(jì)算不同類型船之間的相似度大小,其結(jié)果如下表3.

表3 不同船舶輻射噪聲信號(hào)的相似度比較Table 3 Comparison about similaritybetween different ship noise %

由表3，A1船和B船的相似度Q為21.55%,A2船和A3船的相似度Q為45.38%,A1船和A3船的相似度為37.79%,可以發(fā)現(xiàn)不同種類的船利用文中算法計(jì)算得出相似度很低,這與理論預(yù)期的一致，證明文中分析相似度方法的可靠性．將重構(gòu)后的船舶輻射噪聲與原始船舶輻射噪聲進(jìn)行比較,試驗(yàn)判斷其相似度的高低．結(jié)果如表4.

表4 仿真船舶噪聲信號(hào)與原始信號(hào)的仿真度比較Table 4 Similarity between simulation and original noise

從表中可以發(fā)現(xiàn)A1船和仿真A1船的相似度為94.59%,A2船和仿真A2船的相似度為93.62%,A3船和仿真A3船的相似度為95.05%,均大于89.5%,說(shuō)明重構(gòu)的噪聲信號(hào)與原始的噪聲信號(hào)差別不大，說(shuō)明成熟的船舶輻射噪聲重構(gòu)方法得到的重構(gòu)信號(hào)與原始采集信號(hào)相似．由于船在航行中周圍環(huán)境復(fù)雜,所以相似度大小被認(rèn)為是仿真度高低的表現(xiàn)．該重構(gòu)方法不但可以判斷兩條船相似度高低,也可以為根據(jù)輻射噪聲判斷船型提供指導(dǎo)．

4 結(jié)論

文中基于經(jīng)典的時(shí)頻域重構(gòu)船舶輻射噪聲法重構(gòu)出船舶輻射噪聲，并提出一種新型基于人耳聽覺模型的相似度分析方法對(duì)海上實(shí)測(cè)船舶輻射噪聲和重構(gòu)噪聲進(jìn)行了相似度分析,結(jié)論如下:

(1) 分析結(jié)果表明所提出的分析方法可以有效的分析相似度的高低．

(2) 基于人耳聽覺的模型的相似度分析方法可以為后面判斷船型提供了幫助．

未來(lái)將主要研究人耳對(duì)于頻率靈敏度的精確區(qū)別及其人耳對(duì)于其他聲音特征,例如音色、響度等的區(qū)別．