水下运动声源定位及复杂噪声源分离量化方法研究

摘要

噪声源定位和分离量化技术不仅是检验、评判水下大型机械结构噪声控制水平及其声学特性的主要手段，而且也是减振降噪工作的基础，可以有效的指导减振降噪工作的实施，为研制声学隐蔽性能较高的水下大型结构提供坚实的技术支撑。在含有多个噪声源的结构体中，如果某个噪声源的能量远大于其它声源，那么它的大小对总体噪声水平的影响是十分显著的。因此针对贡献较大的噪声源进行减振降噪处理会得到事半功倍的效果。为了有效的研究和降低水下大型结构的辐射噪声，首先要确定噪声源的位置、贡献量大小等因素，然后有针对性的采取降噪措施。因此，对水下大型机械结构噪声源定位、识别、分离和量化的研究具有十分重要的意义。
　　本文以水下低速航行的大型结构为背景，针对运动的相干和非相干声源定位方法、复杂系统中相干和非相干声源的分离和量化方法进行了系统的理论和试验研究。
　　首先，以通过特性测量系统为模型，针对利用单矢量水听器和双矢量水听器的运动声源定位方法展开研究。文中介绍了几种基于单矢量水听器的定位方法，并对其定位性能进行分析。为提高原有方法的定位精度并克服单矢量水听器无法定位相干声源的问题，文中提出了一种利用单矢量水听器虚拟阵列的运动声源定位方法，分析了虚拟阵元数、信噪比等因素对定位结果的影响。同时本文提出一种基于双矢量水听器相关函数的运动声源定位方法，分析其定位性能随频率、阵元间距等因素的变化规律，并结合虚拟阵元方法对双矢量水听器定位方法进行优化。
　　之后在分析声源识别方法的基础上，针对机械结构中振动噪声源间存在相互影响的复杂系统展开研究。分析了偏相干方法和特征值法的适用范围，并提出了一种利用互谱倒谱识别振动噪声源的方法。该方法以声源间的因果关系为依据，通过分析系统的传递时延确定声源间的关系，从而达到噪声源识别的目的。文中通过理论推导及仿真分析，说明了倒谱法对识别非相干声源和相干声源的有效性。
　　文中以振动噪声源间存在相互影响的混合系统为背景，分析了将盲源分离方法应用于噪声源分离工作中的可行性。针对盲源分离算法中的幅值不确定性和排序不确定性，结合混合系统的特点，提出一种具有约束条件的快速独立分量算法。该算法可完成混合系统中的噪声源分离。通过仿真分析，分别验证了对瞬时混合系统中非相干声源的分离、瞬时混合系统中相干声源的分离、卷积混合系统中非相干声源的分离和卷积混合系统中相干声源的分离。
　　本文结合噪声源分离结果的特点，提出一种基于偏相干输出谱的层次分析方法。文中将噪声源量化问题转变为具有三个梯度的层次结构，针对各层次分别量化，并最终实现将噪声源的重要程度转化为数学形式的量化结果。提出了在构建判断矩阵过程中以偏相干输出谱为依据的赋值规则，并通过仿真计算说明该方法量化相干噪声源的可行性。
　　最后对水下运动声源定位方法和复杂噪声源分离量化方法进行了试验研究。对单矢量水听器虚拟阵列方法定位运动声源和双矢量水听器定位运动声源进行了测试并分析其定位性能；利用舱段模型对带有约束条件的快速独立分量算法和基于偏相干输出谱的层次分析方法进行测试，分析其分离、量化噪声源的性能。测试结果与理论结果基本一致，验证了理论分析的正确性，为上述方法的工程应用提供了试验基础。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1引言

1.2水下大型结构辐射噪声的主要特征

1.3噪声源定位识别与分离量化技术的研究现状

1.4论文主要研究内容

第2章 水下运动声源定位方法研究

2.1引言

2.2水下航行结构体的通过特性分析

2.3单矢量水听器运动声源定位方法

2.4双矢量水听器运动声源定位方法

2.5本章小结

第3章 噪声源识别和分离方法研究

3.1引言

3.2噪声源识别方法

3.3噪声源分离方法

3.4本章小结

第4章 噪声源量化方法研究

4.1引言

4.2层次分析方法

4.3基于偏相干输出谱的层次分析方法

4.4本章小结

第5章 声源定位和分离量化方法试验研究

5.1引言

5.2水下运动声源定位试验

5.3噪声源分离和量化试验

5.4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 矢量水听器四阶矩表达形式