Estimation du niveau de source sonore du transducteur acoustique sous-marin dans les eaux peu profondes

Une méthode d'estimation du niveau de source sonore basée sur la fonction de réponse à la fréquence inverse acoustique (IFRF) est proposée pour résoudre le problème d'une mauvaise précision de l'évaluation du niveau de vibration et de bruit de l'équipement acoustique sous-marin dans les eaux peu profondes. Cette méthode représente la fonction de transmission multicanal comme la permission d'interférence de la source sonore et de sa source virtuelle multi-ordres. La matrice de transfert construit la relation entre les forces de la source complexe, les pressions complexes aux points de mesure et le canal acoustique. Les forces de la source detransducteur acoustique sous-marinPeut être estimé avec précision à partir de la mesure du champ acoustique rayonné en fonction de l'inversion de la matrice de transfert. Le principe de base de la méthode IFRF est introduit, et les facteurs d'influence des erreurs d'estimation de la résistance de la source sont analysés, y compris les erreurs d'estimation du canal acoustique sous-marine, les erreurs de mesure de la pression solide et les conditions de la matrice de transfert. Les résultats de l'analyse de simulation numérique sont présentés, ce qui indique que la méthode proposée est possible et a de bonnes performances dans l'estimation du niveau de source sonore du transducteur acoustique sous-marin.

Avec la proposition et la mise en œuvre de la stratégie nationale de pouvoir maritime, une grande attention a été accordée au développement de la marinetransducteur sous-marin cylinique, Protection écologique, recherche scientifique et protection des droits. L'équipement acoustique sous-marin et les véhicules sous-marins sans pilote (UUV, UUV, AUV) et les équipements d'ingénierie maritime ont également été rapidement développés, et la fourniture d'informations précises et efficaces de performance de l'équipement soutiendra fortement le développement de divers transducteurs. L'intensité de la source sonore rayonnée sous-marine est un paramètre important de l'équipement acoustique sous-marin lorsqu'il fonctionne, et il est lié à ses propres performances et sécurité. Actuellement, pour les tests de sources de bruit sous-marine, dans la plupart des cas, la position de la source de bruit peut être bien située et identifiée, mais il est difficile de mesurer avec précision l'intensité de la source sonore cible. Si le niveau sonore rayonné du bruit La source peut être mesurée ou évaluée avec précision, elle peut fournir des conseils pour le développement de l'équipement ou l'estimation des performances et l'étendre à la navigation sous-marine. ou l'effet des mesures de traitement acoustique. Dans un environnement en eau peu profonde, le son réfléchi de l'interface et d'autres sources sonores d'interférence de fond affectera le test de champ sonore rayonné sous-marine cible. Si le son direct de la cible peut être séparé du son d'interférence par un algorithme spécifique, la source sonore peut être estimée avec précision, la méthode de matrice de réponse en fréquence inverse (fonction de réponse à la fréquence inverse, IFRF) comme algorithme de transformation spatiale, il a un Précision du sol élevé, et peut être utilisée pour identifier les sources sonores et visualiser le champ sonore des structures complexes, et n'est pas limitée par le système acoustique, qui est une méthode de test pratique de la méthode IFRF dans l'imagerie de source sonore proche dans le milieu aérien . Avec une analyse théorique plus détaillée, les chercheurs de divers pays ont également étudié et développé la théorie à l'époque suivante. Mais il y a eu des maîtres de recherche. Il doit être concentré dans l'environnement de la salle anéchoïque et a obtenu de bons résultats. Si la méthode peut être introduite dans l'environnement réel en eau peu profonde, il peut être utilisé pour tester et évaluer l'intensité de rayonnement de la source sonore de vibration améliorera considérablement le problème de la mauvaise précision du test d'intensité de la source sonore cible dans un environnement en eau peu profonde. Compte tenu des problèmes ci-dessus, cet article prend la source sonore monopole comme objet de recherche, et sous l'hypothèse d'une onde sphérique, la fonction de transfert de canal est modélisée comme un rayonnement source multi-virtuel. La superposition vectorielle de la propagation du son radio, la méthode IFRF est utilisé pour inverser la valeur du niveau de source sonore rayonnée cible, et les facteurs qui affectent la précision de l'estimation du niveau de source sonore sont évalués. La source sonore rayonnée par le niveau de transducteur acoustique sous-marine est possible et a un degré élevé de précision.

1.1 Méthode de matrice de réponse en fréquence inverse

La fonction de réponse en fréquence établit la relation entre la pression saine de mesure environnementale réelle et la source sonore cible. La matrice de fonction peut être directement mesurée ou passée. La source sonore peut être estimée à partir de la mesure du champ sonore. Compte tenu du cas d'une source sonore à un point, la connexion de l'élément piézo de la source sonore en HS, et P (HM, T) est la profondeur. Le signal du domaine temporel reçu au point de mesure HM, H (HS, HM) est la fonction de réponse du canal acoustique de la source sonore au point de réception. Afin de faciliter l'analyse, nous choisissons d'analyser la relation de propagation sonore dans le domaine fréquentiel et d'utiliser une matrice pour représenter le signal et le son d'acquisition de tableau idéal.

La relation entre les sources, P est le vecteur de pression sonore complexe d'ordre M × 1, Q est le vecteur d'intensité de la source sonore (y compris la source imaginaire), H est la matrice de réponse en fréquence complexe, où le terme hi, j est lié au I-tth Sound Source à la I -th Source Source. Fonction de transfert acoustique entre les éléments J. Dans la mesure réelle, l'interférence du bruit ou les hypothèses conditionnelles apporteront certaines erreurs. Par conséquent, le vecteur E doit être ajouté à la pression saine de mesure idéale. Le vecteur e représente l'écart entre la valeur sonore mesurée et la valeur de pression sonore idéale P. Afin de réaliser les deux pour atteindre le \ Best Match \", la méthode traditionnelle consiste à utiliser la méthode des moindres carrés. Définissez une fonction de coût: il est facile de prouver que l'intensité de la source sonore lorsque la valeur minimale de l'équation est obtenue est la meilleure solution estimée.

1.2 Analyse des erreurs

Grâce à l'analyse des erreurs, la source de l'erreur d'estimation peut être trouvée et elle peut fournir des conseils de base pour les travaux de mesure réels pour réduire l'erreur. Sans perte de généralité. Dans ce cas, nous effectuons une analyse approfondie de l'intensité de la source sonore estimée calculée en section et en considérant l'utilisation d'une propriété utile de la matrice 2 norme, c'est-à-dire pour les matrices A et B. Le numéro de condition de la matrice est lié à l'état de la matrice. Lorsque la condition est trop grande, la matrice est dans un état mal conditionné et l'estimation cible sera donnée à ce moment. Le numéro de condition matricielle est défini.

2 Simulation et discussion

Comme l'environnement réel du champ sonore est complexe et modifiable, différents facteurs affecteront les performances de la méthode dans une certaine mesure. Afin de vérifier l'IFRF. La méthode est utilisée pour estimer la précision et l'applicabilité de l'intensité de la source sonore. L'objectif est d'estimer l'intensité de la source sonore rayonnée par la source sonore monopole, et le logiciel MATLAB est utilisé. Pour analyser l'effet de la méthode IFRF dans un environnement bruyant, afin de quantifier l'erreur entre la valeur estimée et la valeur Valeur réelle, l'erreur quadratique moyenne racine est sélectionnée pour représenter les performances dans une large bande de fréquences.

L'environnement de simulation est un environnement uniforme en eau peu profonde avec un fond plat, une profondeur d'eau de 60 m, et la profondeur de la source sonore est réglée à 10 m, en utilisant 33 yuans verticaux également espacés. Le tableau linéaire est utilisé pour la mesure, l'espacement des éléments est de 1 m de 1 m , le centre du réseau de base est à une profondeur de 22 m, et le signal est un signal continu à une seule fréquence dans la plage de 100 Hz ~ 10 kHztransducteur acoustique sous-marin sphérique. Afin de simuler l'influence de l'interférence du bruit dans le signal de test réel, un bruit blanc gaussien est ajouté au signal de pression acoustique obtenu par le calcul de la simulation. Par conséquent, la relation entre la différence entre la valeur estimée de l'intensité de la source sonore et la valeur réelle avec la fréquence et le niveau de bruit est illustrée à la figure 1.

Afin de mettre en évidence les caractéristiques de changement de la courbe, la courbe de changement d'erreur correspondant au rapport signal / bruit de 3 dB et 10 dB est illustrée à la figure 2, table Intensité de la source dans la bande de fréquence correspondante de certains rapports signal / bruit.

D'après les résultats des figures 1 et 2, on peut voir que dans la plage de fréquences de 100 Hz ~ 10 kHztransducteur hydrophone sphérique, l'erreur d'estimation de l'intensité de la source sonore varie irrégulièrement avec la fréquence. Lorsque le rapport signal / bruit est bas écurie. Combinée à l'analyse statistique des données dans le tableau 1, l'erreur globale dans la bande de fréquences est progressivement réduite et stabilisée avec l'augmentation du rapport signal / bruit, et il a toujours une précision plus élevée à un rapport signal / bruit plus faible , indiquant l'efficacité de la méthode IFRF. Sexe et précision.

(2) l'influence de la distance horizontale sur l'estimation du niveau de la source sonore

En raison de l'expansion des ondes sonores avec l'augmentation de la distance, l'ampleur du signal sonore à différentes distances horizontales à la même profondeur est différente. Afin d'analyser l'influence du réseau de mesures à différentes distances horizontales sur la précision du niveau de source sonore estimée par la méthode IFRF, il est supposé que chaque rapport signal / bruit du signal de mesure à la distance horizontale est le même. Selon l'analyse du texte, le rapport signal / bruit est sélectionné comme 10 dB pour analyser les conditions de test correspondantes de différentes distances de test. La figure 3 répertorie les résultats de simulation correspondants pour certaines distances. La valeur carrée moyenne racine de l'erreur d'estimation du niveau de source sonore dans la bande de fréquence correspondante.

La comparaison et l'analyse des résultats de simulation de la figure 3, on peut voir qu'il a des caractéristiques similaires aux changements de bruit. À mesure que la distance de test horizontale augmente, la courbe d'erreur d'estimation du niveau de la source sonore globale fluctue plus fortement et il y aura plus d'erreurs aux fréquences. Dépassant la valeur de référence prédéterminée 3DB. En combinant les données statistiques de la figure 4, on peut voir que l'écart d'inversion dans la bande de fréquence augmente progressivement à mesure que la distance de test augmente. Analysant ce changement de tendance, l'écart global est inférieur à 1 dB ou même plus bas à une distance d'environ 200 m. Étant donné que le signal acoustique réel a une atténuation de propagation et une interférence du bruit environnemental, dans le test réel, la position horizontale du test est contrôlée à 100 m à partir de la cible, ce qui peut améliorer la validité et la précision des résultats du test.

3 Conclusion

Cet article propose une méthode pour estimer l'intensité de la source sonore des transducteurs acoustiques sous-marins dans les eaux peu profondes en fonction de la méthode de la matrice de réponse en fréquence inverse. La faisabilité et la précision de la méthode sont analysées et vérifiées du point de vue de la théorie et de la simulation. L'article dérive et décrit d'abord le principe de la méthode IFRF; et analyse la cause de l'erreur dans l'estimation de l'intensité de la source sonore à partir de la dérivation théorique. En comparant la méthode d'atténuation des ondes sphériques traditionnelles et la méthode de formation de faisceau, la fonction de réponse en fréquence inverse prend le signal réfléchi de chaque surface limite comme une entrée efficace, et prend également en compte l'influence du canal acoustique et la fluctuation du champ sonore. L'analyse de simulation montre que la méthode de proposition a de bonnes performances dans l'estimation du niveau de source sonore cible dans l'eau peu profonde. Cette méthode convient au cas des mers peu profondes avec un profil de vitesse sonore constant, et pour l'hydrologie complexe ou la situation de mesure du signal à large bande nécessite une étude plus approfondie.