徐仲恩，楊 剛，李智忠，何憲文

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266199)

0 引 言

為了降低水下航行器的輻射噪聲，需要識(shí)別出整個(gè)機(jī)械振動(dòng)輻射系統(tǒng)中起主要輻射作用的噪聲源，從而有針對(duì)性地采取有效減振降噪措施，成為安靜型水下航行器研制的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。Brooks等利用陣列元素信號(hào)的混合特征，通過控制旁瓣的高度來提高了空間分辨率。B.Barsikow利用29 個(gè)麥克風(fēng)組成一維和二維陣列，實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)聲源的有效識(shí)別和定位。王斌等提出一種結(jié)構(gòu)噪聲源輻射聲場(chǎng)快速預(yù)報(bào)方法——單元輻射疊加法，給出了矩形活塞輻射聲場(chǎng)表達(dá)式。毛曉群等通過麥克風(fēng)陣列測(cè)量得到聲場(chǎng)信息，使用波束形成方法對(duì)聲場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行處理，能夠?qū)拵曉催M(jìn)行有效的識(shí)別。時(shí)潔等提出MVDR 聚焦波束形成方法，根據(jù)最小方差無畸變?cè)?，?shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單單極子聲源的高分辨識(shí)別定位。

本文提出一種基于振聲傳遞矩陣的廣義逆波束形成方法，根據(jù)規(guī)則障板表面活塞輻射聲場(chǎng)的解析表達(dá)式建立目標(biāo)結(jié)構(gòu)表面聲源與接收基陣之間的聲傳遞矩陣，代替?zhèn)鹘y(tǒng)點(diǎn)源球面波擴(kuò)展傳遞矩陣，克服了傳統(tǒng)點(diǎn)源球面擴(kuò)展聲傳播模型的局限性，解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)聲源聲傳播模型的精細(xì)化表征問題；利用基于振聲傳遞矩陣的廣義逆波束形成方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)矩形板結(jié)構(gòu)噪聲源的識(shí)別。理論分析與仿真結(jié)果表明，該方法具有更高的空間分辨率，有效提高矩形板結(jié)構(gòu)聲源的識(shí)別定位性能。

1 矩形板測(cè)量模型

矩形板測(cè)量模型如圖1 所示，矩形板四邊條件簡(jiǎn)支，鑲嵌于無限大平面剛性障板中，測(cè)量陣采用平面陣，陣元數(shù)為，長度為，寬度為，厚度為，板面均勻劃分為個(gè)矩形活塞，第個(gè)結(jié)構(gòu)表面活塞的幾何中心坐標(biāo)為 (x,y,z)，第個(gè)陣元的空間坐標(biāo)位置為(x,y,z)，陣元間距為，板面到平面陣的垂直距離為。

圖1 矩形板結(jié)構(gòu)測(cè)量模型Fig.1 Rectangular structure measurement model

2 廣義逆波束形成

2.1 廣義逆波束形成原理

廣義逆波束形成技術(shù)是一種基于陣列接收信號(hào)處理的噪聲源識(shí)別定位技術(shù)。通過陣列接收數(shù)據(jù)處理以及聲場(chǎng)傳遞矩陣逆向求解方法，可以得到噪聲源聲壓分布。

式中：為輻射面到陣列面的點(diǎn)源格林函數(shù)傳遞矩陣；為輻射面到陣列面的單元輻射法振聲傳遞矩陣；[]表 示聲源表面聲壓矢量；[]為聲源表面法向振速矢量；為元陣列接收聲壓矢量；，分別為陣元個(gè)數(shù)和結(jié)構(gòu)輻射面離散活塞個(gè)數(shù)。為達(dá)到更好地識(shí)別效果，往往要求輻射面離散活塞尺寸盡可能小，因此活塞個(gè)數(shù)遠(yuǎn)大于陣元個(gè)數(shù)。

由于活塞個(gè)數(shù)大于陣元個(gè)數(shù)，矩陣和的行數(shù)小于列數(shù)，式(1)為欠定方程組，不能對(duì)矩陣和直接求逆。在這種情況下，聲學(xué)響應(yīng)傳遞方程是具有不適定性的，無法通過直接對(duì)傳遞矩陣求逆得出滿意的聲源面成像結(jié)果。為此，需要采用結(jié)合正則化方法的廣義逆方法在消除這種不適定性的同時(shí)近似求解上述方程。經(jīng)典的正則化方法是Tikhonov 正則化方法，該方法是基于上式逆問題解的殘余范數(shù)和解范數(shù)之間的聯(lián)合加權(quán)以達(dá)到最小的思想，即

在傳統(tǒng)的廣義逆波束形成方法中，是令=，通過最小二乘法結(jié)合Tikhonov 正則化方法可得解最終聲源表面聲壓矢量和聲源法向振速矢量。

式中：為矩陣的共軛轉(zhuǎn)置；為對(duì)角單位矩陣；ε為Tikhonov 正則化參數(shù)。

對(duì)于廣義逆波束形成的聲源識(shí)別問題，其經(jīng)驗(yàn)值為和的最大特征值1%～10%。通過式(3)就可以重構(gòu)聲源表面聲壓和振速。

2.2 建立傳遞矩陣

根據(jù)點(diǎn)源球面波擴(kuò)展模型，構(gòu)建自由場(chǎng)格林函數(shù)傳遞矩陣，第(,)個(gè)元素的表達(dá)式為:

根據(jù)矩形障板活塞輻射聲場(chǎng)解析式，構(gòu)建振聲傳遞矩陣，第(,)個(gè)元素的表達(dá)式為：

式中：L 和L分別為矩形活塞的長和寬；(*)為零階球貝塞爾函數(shù)。

為了比較2 種傳遞矩陣廣義逆波束形成方法識(shí)別誤差，定義重構(gòu)誤差為：

式中：P為重構(gòu)聲壓；P為對(duì)應(yīng)的理論聲壓；‖ *‖為矩陣2-范數(shù)。

2.3 結(jié)構(gòu)噪聲源識(shí)別流程

利用GFTM-GIB 和VATM-GIB 方法，對(duì)矩形板結(jié)構(gòu)噪聲源進(jìn)行識(shí)別，圖2 為結(jié)構(gòu)噪聲源識(shí)別示意圖。由于GFTM-GIB 方法傳遞矩陣為結(jié)構(gòu)表面聲壓到聲場(chǎng)聲壓的傳遞矩陣，VATM-GIB 方法為結(jié)構(gòu)表面法向振速和聲場(chǎng)聲壓的傳遞矩陣，為了方便比較，選取距離結(jié)構(gòu)表面很近的重構(gòu)面，識(shí)別重構(gòu)面聲壓分布。首先，利用解析法計(jì)算測(cè)量陣的輻射聲壓數(shù)據(jù)。其次，將測(cè)量數(shù)據(jù)代入廣義逆波束形成器，其中GFTM-GIB方法可以直接得到重構(gòu)面聲壓分布，VATM-GIB 方法先計(jì)算得到結(jié)構(gòu)表面法向振速，再利用結(jié)構(gòu)表面法向振速計(jì)算重構(gòu)面聲壓分布。最后，將這2 種方法得到的重構(gòu)面聲壓分布于理論值對(duì)比，并分析2 種方法識(shí)別性能。

圖2 結(jié)構(gòu)噪聲源識(shí)別示意圖Fig.2 Rectangular plate identification diagram

3 仿真分析

仿真中選取簡(jiǎn)支鋼板作為目標(biāo)聲源，鋼板表面的尺寸為 0.6×0.6 m，厚度為0.008 m，矩形活塞的尺寸為0.015×0.015 m，鋼板的彈性模量為 2 .1×10N/m，泊松比為0.3，取鋼板幾何中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，在鋼板表面(-0.2，-0.2)處施加簡(jiǎn)諧激勵(lì)力，激勵(lì)鋼板向外輻射噪聲，激勵(lì)力幅值為1N，測(cè)量面的大小為 2×2 m，陣元數(shù)目為 11×11，陣元間距為 0 .2 m，測(cè)量距離為0.5 m，重構(gòu)面距離板面 0 .01 m，水中的聲速為1 500 m/s，水的密度為1 000 kg/m，參考聲壓為1 ×10Pa。

圖3 和圖4 給出了250 Hz 和500 Hz 時(shí)鋼板表面法向振速分布，通過對(duì)比可得，VATM-GIB 方法計(jì)算的表面法向振速分布與理論分布基本一致，說明該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼板表面法向振速的重構(gòu)。

圖3 250 Hz 時(shí)結(jié)構(gòu)表面法向振速分布Fig.3 The normal vibration velocity distribution on the structure surface at 250 Hz

圖4 500 Hz 時(shí)結(jié)構(gòu)表面法向振速分布Fig.4 The normal vibration velocity distribution on the structure surface at 500 Hz

圖5 和圖6 給出了250 Hz 和500 Hz 時(shí)重構(gòu)面聲壓分布，通過聲壓分布以及對(duì)角線聲壓切線值對(duì)比可以看出，VATM-GIB 方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼板表面聲壓的識(shí)別重構(gòu)，而GFTM-GIB 方法不能完全識(shí)別重構(gòu)，VATM-GIB 方法較GFTM-GIB 方法提高了結(jié)構(gòu)噪聲源識(shí)別定位的空間分辨率。

圖5 250 Hz 時(shí)重構(gòu)面聲壓分布Fig.5 Reconstructed surface sound pressure distribution at 250 Hz

圖6 500 Hz 時(shí)重構(gòu)面聲壓分布Fig.6 Reconstructed surface sound pressure distribution at 500 Hz

圖7 給出了頻率10～1 000 Hz，GFTM-GIB 方法和VATM-GIB 方法的重構(gòu)聲壓與理論聲壓的相對(duì)誤差大小?？梢钥闯?，VATM-GIB 方法重構(gòu)相對(duì)誤差遠(yuǎn)小于GFTM-GIB 方法，聲壓重構(gòu)誤差基本在小于4%，VATM-GIB 方法重構(gòu)聲壓相對(duì)誤差基本上隨著頻率的增大而增大。

圖7 相對(duì)誤差隨頻率變化曲線Fig.7 Relative error and frequency change curve

4 結(jié) 語

本文提出基于振聲傳遞矩陣的廣義逆波束形成方法，克服了傳統(tǒng)點(diǎn)源球面擴(kuò)展聲傳播模型描述結(jié)構(gòu)聲源的局限性理，理論仿真驗(yàn)證了該方法對(duì)矩形板結(jié)構(gòu)聲源識(shí)別定位的有效性，從仿真結(jié)果可以看出，該方法較基于點(diǎn)源格林函數(shù)傳遞矩陣的廣義逆波束形成方法提高了結(jié)構(gòu)聲源識(shí)別定位的空間分辨率，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)表面法向振速和輻射聲壓的重構(gòu)，并可得結(jié)構(gòu)表面振速和聲壓的絕對(duì)大小?？捎糜谒陆鼒?chǎng)結(jié)構(gòu)噪聲源測(cè)試與結(jié)構(gòu)噪聲源減振降噪，具有較好的應(yīng)用前景。