双层圆柱壳异常噪声源定位试验研究与应用

1,2,徐荣武1,2,崔立林1,2,余文晶 1,2李瑞彪1 430033海军工程大学 船舶振动噪声重点实验室,湖北 武汉2 430033海军工程大学 振动与噪声研究所,湖北 武汉

Chinese Journal of Ship Research - - 中国舰船研究 -

摘 要:[目的]针对船舶舷外异常噪声频发的问题,[方法]提出异常噪声源定位方法,建立定位模型,并通过双层圆柱壳试验进行验证。模型以广义互相关时延估计方法计算的时间延迟为输入,以传统双曲定位为基础,通过改进的基于圆柱壳体的双曲定位方法求解噪声源位置坐标。试验中,用敲击信号模拟舷外异常噪声源,对2比分析传统双曲定位方法和基于双层圆柱壳的双曲定位方法这 种方法的定位精度,讨论时延估计对定位精度的影响。[结果]试验结果表明,基于双层圆柱壳的双曲定位方法可以准确定位异常噪声源的位置,在船舶舷外

异常噪声源定位中具备可行性。[结论]所得结果可为船舶舷外异常噪声源定位提供一定的理论指导。关键词:船舶;异常噪声;双曲定位方法;时延估计中图分类号:U672 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1673-3185.2017.04.022

Research and application of abnormal noise source positioning experiment based on double cylindrical shell

LI Ruibiao1,2,XU Rongwu1,2,CUI Lilin1,2,YU Wenjing1,2 1 National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise,Naval University of Engineering, Wuhan 430033,China 2 Institute of Noise and Vibration,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China Abstract:Aiming at the problem of frequent abnormal outboard noise in ships, an abnormal noise source location method is proposed, and a location model checked by the double cylindrical shell experiment is built. The model calculates the coordinates through the improved hyperbolic positioning method on the basis of the traditional hyperbolic positioning method, with the time-delay estimation by the generalized cross-correlation method as the input. In the process of the experiment, the outboard abnormal noise source is simulated by the percussion, comparing the positioning accuracy of the two methods and analyzing the influence of time-delay estimation on positioning accuracy. The results show that the hyperbolic positioning method based on double cylindrical shell can accurately locate the coordinates of abnormal noise sources, and is feasible for the abnormal outboard noise source positioning of ships. In addition, the method can provide theoretical guidance for the location of abnormal outboard noise sources. Key words:ships; abnormal noise;hyperbolic positioning method;time-delay estimation 3部分叠加而成[1],而异常噪声的和水动力噪声这0引言出现往往会导致辐射噪声瞬间增大,破坏船舶隐船舶辐射噪声主要由机械噪声、螺旋桨噪声 身性能,增大被敌方探测到的概率。另一方面,异

常噪声的出现也会导致船舶自噪声增大,影响自身声呐的听测功能,制约本船的探测性能。船舶异常噪声通常由船舶部件脱落或声学故障等原因而产生,具有突发性,信号特征具有非平稳性,大多不可复现,且受海洋环境噪声影响较大,这就使得对异常噪声源坐标位置的确定较为困难,且还不能及时有效地消除噪声源,从而影响船舶的航行状态及隐身性能[2]。目前,针对船舶舷外异常噪声定位的研究仍处于初级阶段,尚未形成一套完整的应用流程及方法。然而,船舶舷外异常噪声源定位可以极大地节约船舶日常维护保养、坞修的时间与成本,提高舰船的隐身性能,军民用需求迫切。为此,本文拟在分析低空声探测技术[3]、空气中传统声源定GPS位技术[4-6]、卫星无源定位系统以及 水下定位系统[7]的基础上,采用双曲定位原理,结合异常噪声的信号特征及发生特点,对传统双曲定位方法进行改进和优化以求解噪声源位置坐标,并以双层圆柱壳舱段缩比模型验证该方法的有效性。

1 广义互相关时延估计方法

船舶异常噪声的出现往往伴随着高背景噪声,干扰强、目标声强度低、持续时间较短,属于宽带非平稳信号,一般间歇出现。船舶异常噪声源1信号时域及频域分析表示如图 所示,从中可见目标信号信噪比较低,并伴有周期性的强窄带噪声干扰。结合双层圆柱壳缩比舱段模型试验,选Generalized Cross-Correlation,用 广 义 互 相 关( 假设任意两路传声器接收到的信号为: (1) xi (t) = ai s(t) + ni (t) (2) xj (t) = ajs(t - τ) + nj (t)式中:xi (t) 和 xj (t)分别为传声器接收到的目标噪

声信号; s(t) 为目标噪声源信号; ai 和 aj 为信号传播途中的衰减系数;τ 为时间延迟;ni (t) 和 nj (t)为观测噪声。对接收信号做互功率谱以及自功率谱分析,以估计不同传声器接收到的信号间的时间延迟,即 GCC)时 法[8-9]估计不同传声器接收到的延估计方噪声信号之间的时间延迟,以此作为异常噪声源定位模型的输入[10]。广义互相关法通过计算不同传感器接收到的噪声信号之间的互功率谱,在频域内进行一定的加权,从而突出相关的信号部分,抑制受环境噪声干扰的部分,以使相关函数在时延处的峰值更为突出,然后再反变换到时域得到两种信号之间的互相关函数,最终估计出两种信2号之间的时间延迟。图 所示为应用广义互相关时延估计方法计算不同传声器所接收到的信号之间的时间延迟的原理图。 (3) W(w) = 1/sqrt(Gii (w)*G (w)) jj (4) Rij (τ) = W (w)Gij (w)eiwz dw

式中:W (w)为权重因子,本文根据信号特征选取SCOT(Smoothed coherence transform 11] [ )加 权 , SCOT加权处理对传声器所接收的信号可起到预白化的作用,当弱宽带信号中存在强窄带成分时,可以提高时延估计的准确性; Gii (w)和 G (w)为jj传声器接收到的信号的自功率谱;Gij (w) 为传声器接收到的信号的互功率谱;Rij (τ)峰值所对应的τ值即为不同传声器接收到的信号之间的时间延迟。

2 异常噪声源定位分析

异常噪声源定位模型以广义互相关法估计的时间延迟为输入,通过双曲定位方法求解异常噪3声源空间坐标,定位流程如图 所示。 在运用双曲定位分析方法时,首先根据传统的双曲定位分析求解异常噪声源坐标。其次,结合异常噪声源的信号特征以及模型特点,对传统双曲定位分析方法进行优化[12],得到改进的基于圆柱壳体的双曲定位方法。最后,利用双层圆柱壳模型试验进行对比分析,验证优化后的异常噪声源定位方法的有效性以及在工程应用上的可行性。

2.1 传统双曲定位分析

传统的双曲定位分析方法是根据观测点之间的观测距离差来进行空间交汇[7],进而求解目标点空间坐标的过程。观测点首先通过检测信号到达的时刻来计算不同传感器接收到的信号之间的时间延迟,继而求解距离差。要求各个观测点采4集数据时同时基采集,定位模型示意图如图 所示。 4 4如图 所示,在空间中布置 个传感器,其中3一个作为参考点,其余 个作为观测点。采用差分法计算不同观测点与参考点接收到的信号之间的时间延迟,从而表示出距离差及双曲定位方程,继而求解目标点的空间坐标。差分法减少了由系统测量带来的误差,在一定程度上提高了定位精度。利用解析法求解目标点空间坐标的过程如下:

( x- x )2+( y- y )2+( z- z )2 =D di r r r (5) Ddi = v*τ ;i = 1 2 3式中: ( x y z ) 为目标噪声源的空间坐标; ( xi yi zi )为观测点的空间坐标; ( x y  z ) 为参考r r r点的空间坐标;Ddi 为目标噪声源经不同路径传递至不同观测点间的距离差;v 为声速;τ 值即为经广义互相关法计算得到的不同传声器接收到的信号之间的时间延迟。5对式( )进行坐标平移,即( Xi Yi Zi )=( xi - x r yi - y r zi - z r)则构成的新的定位方程

( X - Xi )2 +( Y - Yi )2 +( Z - Zi )2 -

(6) 2 2 2 X + Y + Z =D di式(6),对公式两边分别平方,并进行线联立性变换,整理后可求得异常噪声源的空间坐标为( x y z )=( X+ x Y+ y Z+ y r) r r

2.2 基于双层圆柱壳的双曲定位分析

声波信号在空气或者水介质中传播时,传播路径会随介质的环境以及周围障碍物而有所变[13]化。在双层圆柱壳模型试验中,传声器安装在圆柱壳体外表面,但不接触壳体。鉴于模拟的异常噪声源位于壳体表面,故模拟信号与船舶实际异常噪声信号特征相同,都属于非平稳、弱宽带信号,频带范围较广。根据声波衍射原理,结合壳体模型的尺寸,部分声波是沿壳体表面进行传播。以传统双曲定位方法为基础,将模型按照象限进行平面投影,可得x′i = xi y′i = r* arccos yi r) x′r = x r y′r = r* arccos yr r) x′ = x y′ = r* arccos (y r) (7) i)式中: r 为圆柱壳半径; x′  y′为观测点投影后i

( )

的平面坐标; x′  y′为参考点投影后的平面坐r r ( )

标; x′  y′ 为异常噪声源投影后的平面坐标。则

平面上的双曲定位方程为( )+( ) ( )+( )

x′ - x′i y′ - y′i - x′ - x′r y′ - y′r =D di ′ (8) Ddi′ = v*τ i = 1 2 3 ′式中:Ddi′ 为目标噪声源沿壳体表面传播到达不′同信号观测点与参考点间的距离差值; τ 为不同传声器接收到的信号之间的时间延迟。联立 ( x - xi )2 +( y - yi )2 +( z - zi )2 -

式(8),采用解析法求得异常噪声源平面定位坐标( )为 x′ y′ ,进行投影,最终定位的异常噪声源空间

坐标为( ) ( )) ( x y z )=( ′ r r* sin y′ r ′ y x r * cos

3 双层圆柱壳模型试验分析

双层圆柱壳模型试验在空旷宽敞的厂房内进行(以有效避免室内混响以及室外空气噪声对试验带来的影响),以双层圆柱壳缩比舱段模型2m 0.89 m,内半径为试验对象。模型长 ,外半径0.8 m。用敲击信号来模拟舷外异常噪声源,并通过传声器进行接收。噪声信号分别由以下声源单独或者经不同的组合产生:靠近壳体外部的钢管敲击声、B&K CW脉冲、B&K发射 发射录制的实际5设备噪声信号等。试验模型及仪器设备实景如图所示。 传声器沿舱段模型肋骨以环状的方式等间距18布置在壳体外表面,共 个。加速度计布置在激2振器的基座附近,每个基座安装一个,共 个,用来采集激振器振源及壳体的振动信息。传感器的6 1所布置如图 所示,具体安装位置的坐标如表示。安装传声器时,在传声器与壳体的接触面加装泡沫以及弹性橡胶块,以避免壳体振动对传声 器带来的影响,提高传声器所采集信号的可信度。模拟背景噪声分别由激振器激励壳体、开启风扇等设备产生,试验环境的背景噪声满足测试要求。 试验中,所有传感器数据同时基采集,主要试验设备有:HEA-200C功率放大器、HEV-200激振B&K 4513 BSWA MPA416器、 加速度计、 传声器、B&K 2650 RIGOL DG4162采集器和 信号发生器。65 536 Hz,采样时长120 s,加速度信号采样频率10-6 m/s2,声压参考值 10-6 Pa参考值 ,分析频段为

10~10 000 Hz。试验过程中,为对比传统双曲定位方法与基于圆柱壳体的双曲定位方法的分析精度,讨论背景噪声以及时延估计误差对噪声源定位精度的影响,切实模拟实船噪声环境,分别设置了激振器常开+单次敲击、激振器常开+连续敲击等10个大的2工况,试验工况如表 所示。按照声源布放的位置,分别在双层圆柱壳外表面顺序敲击,整个试验200过程共采集到 余组试验数据。

3.1 异常噪声源定位对比分析

在双层圆柱壳模型试验中,对试验数据进行预处理,首先优选信噪比较高的试验数据,其次结合传感器布置位置选择参考点及观测点。对所选测点进行相互的常相干分析,以整个试验数据分0.7析频段内的相干系数大于 为标准[14]。若两测点间的相干系数满足此标准,可认为该两测点在整个频段内相关性较强,则取其中一个测点作为参考点,再与其他测点进行相干分析,由此选出参1考点与观测点。原则上,必须选择 个参考点,观3测点不得少于 个,同时,所选测点应尽量处在同一面或者同一条直线上,以减小外界环境对传感器接收噪声源信号的影响。1#试验工况为例,选择2#敲击点(图6以 )模拟噪声源。结合常相干分析,并综合考虑测点布7#传声器为参考点,以1#传声器、5#传置位置,以8#传声器为观测点,分别通过传统双曲定声器和位方法以及基于双层圆柱壳的双曲定位方法求解噪声源空间坐标。Matlab通过 编程,利用广义互相关法估计不同观测点与参考点之间的时间延迟。传统双曲定位方法是利用已得到的时间延迟计算双曲面,并求解双曲面与壳体的交点(壳体也是作为一个约束条件代入求解方程)来得到异常噪声源的空间 7坐标。图 所示为利用传统双曲定位方法求解得到的双层圆柱壳异常噪声源空间坐标。 基于双层圆柱壳的双曲定位方法同样也是以广义互相关法估计的不同观测点与参考点之间的时间延迟为基础。与传统双曲定位方法不同的是,其是先将模型进行投影分析,之后再计算双曲线的交点,并投影到模型上得到噪声源的空间坐8标,异常噪声源定位结果如图 所示。

参考其他工况的试验数据,对比分析传统双1)与基于双层圆柱壳的双曲定曲定位方法(方法2)的定位精度,讨论背景噪声对这2位方法(方法 1)在任意4种试验工况下,试验条件相同,异常噪声位置相同,采用传统双曲定位方法与基于双层圆柱壳的双曲定位方法均能较为准确地定位噪声源的位置,但相比而言,基于双层圆柱壳的噪声源定位方法的定位精度要优于传统双曲定位方法,任意方向及直线距离上的定位绝对误差均小3.5 cm。于 2 1 9 )对比分析工况 与工况 的试验数据,发2现环境噪声影响 种定位方法的定位精度,在高背景噪声下,基于双层圆柱壳的噪声源定位方法的抗干扰能力要优于传统双曲定位方法。3)除 5以外,在其余工况下,2工况 种定位方法在 x 轴方向的定位精度要高于 y 轴与 z 轴方向,而 z 轴方向的定位坐标模糊,相比较而言,其精度最差。反映在船舶上,就表明在船舶的艏艉方向定位较准确,可为异常噪声源位置的确定提供一定的指导。 1)时延估计误差在-20%~20%之间变化时,基于双层圆柱壳的双曲定位分析方法其各方向的9cm定位精度绝对误差均小于 ,直线距离绝对误10 cm,定位精度波动变化受时延估计误差差小于的影响较传统双曲定位小。2)对比2种方法下 x 轴、y 轴以及 z 轴方向2的定位结果发现,时延估计误差对 种方法下 x轴方向的定位精度影响较小,z 轴方向的定位精度相对波动较大,误差较大。

4结论

针对船舶舷外异常噪声源定位的问题,提出 3种定位方法定位精度的影响,分析结果如表所示。3由表 可以看出: 4)在 5工况 下,通过激振器发射实际设备噪声信号,不同传感器之间的时延估计误差不均衡,波动较大,导致 z 轴方向的定位精度要略优于 x 2轴。与工况 进行对比,发现两者在直线距离上定位绝对误差的变化基本相当。

3.2 时延估计误差对异常噪声源定位的影响

通过广义互相关法得到的时延估计是噪声源定位模型的输入,而由于异常噪声源信号本身属于非平稳信号,故时延估计难免会存在一定的误1 2#声源,讨论极端差。因此,以工况 为例,选择情况下时延估计误差同比例增大或减小、异常噪4声源定位精度的变化。表 所示为当时延估计存-20%~20%在 之间的误差时,对应噪声源定位精度的变化情况。4由表 可以看出: 了异常噪声源定位方法,并通过双层圆柱壳模型试验进行了验证,试验结果表明: 1 )改进后的基于双层圆柱壳的双曲定位分析方法的定位精度总体上要优于传统双曲定位分析方法,其抗环境噪声干扰能力较强,在强背景噪声下也可以准确进行异常噪声源定位,各方向的3.5 cm。定位精度绝对误差均小于2 -20%~20% )当时延估计误差在 之间变化时,对噪声源的定位精度有一定的影响,但改进后的噪声源定位方法的各方向定位精度绝对误差均10 cm。小于3 )双层圆柱壳试验验证了改进后的噪声源

定位方法的可行性,可以为船舶舷外异常噪声源定位提供一定的指导。参考文献: 1] 王之程,陈宗岐,于沨,等. [ 舰船噪声测量与分析[M].北京:国防工业出版社,2004:3-5. WANG Z C,CHEN Z Q, YUF ,et al. Warship noise measuring and analyzing[M]. Beijing:National De⁃ fense Industry Press,2004:3-5(in Chinese). [2] MARANDET C,ROUX P,NICOLAS B,et al. Target detection and localization in shallow water:an experi⁃ mental demonstration of the acoustic barrier problem at the laboratory scale[J]. The Journal of the Acoustical Society of America,2011,129(1):85-97. 3] . [ 陈华伟 低空目标声测无源定向理论与算法研究[D].西安:西北工业大学,2004. CHEN H W. On passive acoustic direction finding for low altitude targets[D] .Xi 'an:Northwestern Polytech⁃ nical University,2004(in Chinese). 4] [ 冯杰,杨博,李兆利,空气声探测在军事中的应用[J]. 电声技术,2012,36(6):32-33. FENG J,YANG B,LI Z L. Overview of acoustic detec⁃ tion and its application in military[J]. Audio Engineer⁃ ing,2012,36(6):32-33(in Chinese). 5] 王斌. [ 地面运动目标振动信号的特性分析与目标识别[J]. 电子科技,2012,25(9):105-107,123. WANG B. Characteristic analysis and object recogni⁃ tion for seismic signals of moving terrestrial targets[J]. Electronic Science & Technology,2012,25 (9 ): 105-107,123(in Chinese). 6] 鲁佳. 基于传声器阵列的声源定位研究[D]. [ 天津:天津大学,2008. LU J. The research on acoustic source localization based on microphone arrays[D]. Tianjin:Tianjin Uni⁃ versity,2008(in Chinese). 7]蔡艳辉. GPS [ 差分 水下定位系统集成关键技术研究[D].阜新:辽宁工程技术大学,2007. CAI Y H. Investigations on integration of underwater 12 GPS positioning system[D]. Fuxin:Liaoning Technical University,2007(in Chinese). [8] WU Y. Time delay estimation of non-Gaussian signal in unknown Gaussian noises using third-order cumu⁃ lants[J]. Electronics Letters,2002,38(16):930-931. 9 TAO R, LI X M LI Y L ,et al. Time-delay estimation [ ] , of chirp signals in the fractional Fourier domain[J]. IEEE Transactions on Signal Processing,2009,57(7): 2852-2855. 10 景思源,冯西安,张亚辉. []广义互相关时延估计声

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(b)The typical experimental equipment图5 试验模型与试验设备示意图Fig.5 Schematic of experimental model and equipment

(a)The experimental model of double cylindrical shell

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