码头系泊舰艇机械噪声源测试分析方法研究

摘要

声隐身性能是衡量舰艇作战性能的重要指标之一，对舰艇实施减振降噪有着重要的意义。为了有针对性地开展减振降噪工作，并为舰艇声学设计过程中的噪声指标分解提供科学依据，在码头系泊测试条件下开展舰艇声隐身性能测试与评估是一个重要阶段。然而在该阶段开展噪声源测试分析会受到复杂声场环境带来的严峻挑战，现有的常规及高分辨类噪声源聚焦定位算法在码头多途条件下已无法有效进行噪声源定位识别，能否充分利用码头环境声场信息开展噪声源定位识别技术研究，是在码头条件下查找测试对象的主要噪声源并确定各噪声源对声场贡献大小的重要途径。在舰艇三大噪声源中，机械噪声是舰艇在低速巡航过程中最主要的噪声源。本文开展了码头系泊舰艇机械噪声源测试分析方法研究，包括码头条件下机械声源近场空间定位方法研究和机械声源分离量化方法研究。
　　本论文主要围绕理清码头条件下舰艇机械结构振动噪声传递特性从理论和试验两方面展开工作，主要研究内容包括以下几个方面:
　　1.本文从简单的自由场噪声源近场阵列接收信号模型入手，研究了基于幅度补偿的MVDR算法、稳健噪声源定位算法和基于压缩感知的噪声源聚焦定位方法。针对水下辐射噪声中的宽带连续谱信号，研究了基于聚焦变换的相干信号子空间方法。在此基础上，本文针对码头环境下的噪声源近场定位问题，建立了码头环境下的噪声源近场测量模型。基于射线声学理论，推导了码头条件下声场的数学表达式。被动时间反转镜技术可以在多途条件下实现噪声源的空时聚焦。在对被动时反进行理论研究和公式推导的基础上，将被动时反与近场MVDR高分辨定位算法结合起来，研究了基于码头信道多途模型匹配的水平组合阵列近场噪声源被动时反MVDR高分辨定位方法。该方法充分利用了码头水声信道多途信息，可以实现码头环境下噪声源的有效定位;采用在声压阵中配置矢量水听器的组合阵列形式，将矢量信号处理技术引入到被动时反高分辨定位方法中，利用矢量水听器的单边指向性抑制左右舷模糊问题并提高阵处理增益，从而提高噪声源定位性能。被动时反MVDR高分辨定位方法的性能取决于水声信道建模的准确程度。在水声信道建模存在一定程度失配的情况下，将最差性能优化思想引入到组合水听器阵列被动时反高分辨定位中，提高基于组合阵处理的高分辨算法的稳健性。为了处理码头条件下宽带连续谱信号的定位问题，将基于聚焦变换的相干信号子空间方法与组合阵稳健被动时反MVDR高分辨定位方法结合起来，从而实现码头条件下宽带噪声源稳健定位。利用噪声源在空域上具有稀疏性的特点，在压缩感知框架下建立了码头条件下的噪声源定位体系，提出了基于压缩感知的被动时反聚焦定位方法。该方法要求声源空间分布需要满足稀疏性要求，由于舰艇机械声源在低频范围尺度较大，难以满足稀疏性要求。因此该算法仅在中高频范围内可以有效解决机械声源定位问题，可以利用其定位结果对被动时反MVDR高分辨定位方法结果进行验证。在混响水池开展相关的标准声源定位试验研究，仿真研究和试验数据处理结果基本一致，为将本文所研究的噪声源定位算法应用于舱段模型机械声源空间定位打下基础。
　　2.根据机械声源定位结果和壳体表面振动能量分布结果，确定壳体结构强辐射部位，为后续的噪声源分离量化提供先验信息。本文在对层次分析法和偏相干分析方法进行研究的基础上，提出了解决水下复杂结构耦合机械声源分离量化的网络化层次诊断方法。根据舰艇结构振动噪声传递特性，所建立的网络化层次诊断系统包括内部结构振动子系统和外部声辐射子系统，选择壳体结构强辐射部位临近的若干壳体振动测点（层次诊断系统中间传递节点）作为网络化层次诊断的内部结构振动子系统的输出，同时也是网络化层次诊断的外部声辐射子系统的输入。设备机脚振动测点（层次诊断系统的输入）、壳体振动测点、远场单点声压水听器（层次诊断系统输出）构成一个完整的网络化层次诊断系统。对这两个子系统进行计算，并将两个子系统结果进行融合得到各机械设备对水声场评价点的贡献大小。层次诊断方法采用偏相干分析方法解决耦合机械声源定量识别问题，并根据声场能量叠加原理对层次分析法中原有的标度进行改进，实现对判断矩阵元素的量化计算。仿真研究表明该方法可以实现耦合声源的准确分离，并将通过舱段模型试验进一步对其工程实用性进行验证。
　　3.为了验证码头条件下机械噪声源空间定位及其分离量化方法对于舱段模型机械声源测试分析问题的有效性，在混响水池中开展舱段模型机械声源定位与分离量化水池试验研究。采用偏心电机和激振器激励壳体振动引起水下辐射噪声，并利用组合式水听器阵列和标准水听器分别在近场和远场测量水下辐射噪声数据，舱段试验研究对本文所提出的码头系泊舰艇机械声源测试分析方法的工程实用性提供了支撑，对舰艇码头测试具有一定的指导意义和工程应用价值。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．2舰艇机械结构振动传递及声辐射特性

1．3噪声源定位方法

1．3．1常规噪声源定位方法对比

1．3．2声聚焦阵列信号处理方法

1．3．3声矢量信号处理

1．4噪声源分离量化方法

1．5论文主要研究内容

第2章噪声源聚焦定位基本原理与方法

2．1引言

2．2噪声源近场阵列接收信号模型

2．2．1基阵单频接收信号模型

2．2．2基阵宽带接收信号模型

2．3单频声聚焦定位方法

2．3．1常规声聚焦定位方法

2．3．2稳健声聚焦定位方法

2．3．3基于压缩感知的噪声源聚焦定位方法

2．4宽带声聚焦定位方法

2．5本章小结

第3章码头环境下噪声源高分辨聚焦定位方法

3．1引言

3．2码头环境下噪声源近场测量模型

3．2．1码头条件下声场模型

3．2．2接收信号模型

3．3被动时反声聚焦定位方法

3．3．1被动时间反转镜

3．3．2基于压缩感知的被动时反聚焦定位方法

3．3．3被动时反MVDR高分辨定位方法

3．3．4稳健被动时反MVDR高分辨定位方法

3．4水池试验结果与分析

3．4．1试验概况

3．4．2试验结果分析

3．5本章小结

第4章水下复杂结构耦合机械声源分离量化方法

4．1引言

4．2基于偏相干分析的层次诊断方法

4．2．1层次分析法

4．2．2偏相干分析方法

4．2．3改进的噪声源分离量化方法

4．2．4仿真实验及分析

4．3水下复杂结构机械噪声源网络化层次诊断方法

4．3．1结构振动噪声传递特性

4．3．2网络化层次诊断流程

4．4本章小结

第5章舱段模型机械噪声源定位和分离量化试验研究

5．1引言

5．2试验概况

5．3舱段模型定位试验研究

5．3．1舱段模型壳体表面振动能量分布及其相干性分析

5．3．2舱段模型机械声源定位结果分析

5．4舱段模型机械声源贡献分离试验研究

5．4．1舱段模型机械声源定量识别计算

5．4．2舱段模型机械声源定量识别计算结果分析

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录