CN109489794A - 一种船舶水下辐射噪声的少量测点实时评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶水下辐射噪声的少量测点实时评估方法，属于辐射噪声实时评估领域，包括如下步骤：为待评估船舶布置自噪声和振动传感器，同时在船舶之外布置辐射噪声水听器；运行常用最高航速、最低航速、启动所有常用设备、启动尽可能少的设备等常用工况，记录各类工况下船舶自噪声、振动及辐射噪声传感器所获得的声压测量值和振动响应；选择若干组合工况，计算不同组合下的传递矩阵并存储；测量船舶实际航行过程中的自噪声和振动信号，根据航行工况选择对应的传递矩阵，据此评估船舶当前航行状态下的远场辐射噪声。通过本发明方法能够更为准确地评估远场辐射噪声，同时具备便于操控、数值计算量较小、测点少的优点。

Description

一种船舶水下辐射噪声的少量测点实时评估方法

技术领域

本发明属于辐射噪声实时评估技术领域，更具体地，涉及一种船舶水下辐射噪声的少量测点实时评估方法。

背景技术

声隐身性能的优劣是评价船舶整体性能的关键技术指标。由于声波是水中信息远距离传播的最有效载体，敌方声呐探测的声特征是暴露船舶航行的最主要特征信号，因此，实时评估船舶远场辐射噪声，实现船舶声隐身性能的动态维护，对提高船舶隐蔽性、作战的安全性具有重要意义。

传统船舶水下辐射噪声的评估方法主要可以分为三类：理论解析、数值仿真和试验测量。能够满足工程应用要求的只有试验测量方法，其主要过程包括远场传递矩阵的获取，然后基于该传递矩阵即可实时评估船舶的辐射噪声，也就是说，在整个测试过程中最为核心和困难的步骤在于传递矩阵的获取。但由于船舶机械设备数以千计，传感器测点往往小于设备数量，这导致船舶自噪声、振动传感器往往不能反映全部噪声信息，对工况不加以区分，仅利用获得的传递矩阵评估船舶远场辐射噪声与实际相差较大。因此，现有技术受制于测量条件的约束，往往难于准确反映船舶在实战环境下的水下辐射噪声。

针对此技术问题，国内外许多学者进行了大量的研究，并提出了几种针对少量测点下的传递矩阵测量方法，如截断奇异值法、正则化法等，以降低少量测点带来的病态矩阵对传递矩阵的影响，但是，以上方法忽略了工况样本对传递矩阵的影响。

因此，亟需研究出更为完善的船舶水下辐射噪声实时评估方法，以便更好地适用于实际中少量测点下的评估环境。

发明内容

针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明之目的在于提供了一种船舶水下辐射噪声的少量测点实时评估方法，其中通过测量船舶自噪声、振动及远场辐射噪声，选取若干组合训练样本工况，建立传递矩阵，并比对待评估工况与训练样本工况，选取传递矩阵实时评估船舶水下辐射噪声，可有效解决传感器测点少带来的评估误差问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种船舶水下辐射噪声的少量测点实时评估方法，在整个评估过程中依次执行下列步骤：

(a)在待评估船舶上布置多个传感器以实时记录船舶自噪声和振动信号，在船舶外部设定位置布置多个传感器以记录船舶辐射噪声信号，其中，待评估船舶上布置的自噪声传感器为l个，布置的振动传感器为m个，在船舶外部布置的辐射噪声传感器n个；

(b)测量船舶各类工况下自噪声、振动信号和辐射噪声信号，其中，工况总数为I，第i个工况的自噪声测量值为振动测量值为辐射噪声测量值为

(c)选择不同的训练样本工况进行组合，其中，根据第j种组合的工况的测量数据，计算得到的传递矩阵T^j，建立传递矩阵库；

(d)在船舶实际航行过程中，仅利用船舶上传感器信号q₁,q₂,...,q_l,v₁,v₂,...,v_m，按照下式实时计算当前辐射噪声p₁,p₂,...,p_n：

[p₁,p₂,...,p_n]＝[q₁,q₂,...,q_l,v₁,v₂,...,v_m]T^j

作为进一步优选地，在步骤(b)中，船舶工况应尽可能包括以下四种情况：常用最高航速、常用最低航速、启动所有常用设备、启动尽可能少的设备。

作为进一步优选地，在步骤(c)中，传递矩阵按照如下步骤计算：

(i)选择步骤(b)中w个工况作为训练样本工况，这些工况测量得到的数据组成矩阵P、Y

(ii)传递矩阵T可以表示为：

T＝Y⁺P (三)

其中，P表示训练样本工况辐射噪声声压响应矩阵，p₁，p₂，…，p_n分别表示各个辐射噪声传感器所获得的声压时域值；Y表示船舶自噪声和振动响应矩阵，q₁，q₂，…，q_l分别表示船舶各个自噪声传感器所获得的声压时域值，v₁，v₂，…，v_m分别表示船舶各个振动传感器所获得的振动时域值，n表示辐射噪声传感器数量，w表示所选训练样本工况数量，l表示船舶自噪声传感器数量，m表示船舶振动传感器数量，T表示辐射噪声传递矩阵，Y⁺表示船舶自噪声和振动响应矩阵的逆矩阵。

作为进一步优选地，在步骤(d)中，传递矩阵T^j按照如下方式选择：

首先，确定当前状态下船舶航速和设备开启情况，

接着，查看用于计算传递矩阵T的工况组合，

如果这些工况航速、设备启停均与当前状态相同，则优先选择与之对应的传递矩阵作为评估当前船舶辐射噪声所使用的传递矩阵；

如果用于计算传递矩阵T的所有工况组合中，没有航速、设备启停与当前状态相同的工况，则查找航速最接近当前状态的工况和开启设备最接近当前状态的工况，选择由上述工况数据所计算得到的传递矩阵，作为评估当前船舶辐射噪声所使用的传递矩阵。

总体而言，按照本发明所构建的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、本发明解决了少量测点下船舶水下辐射噪声实时评估问题，有效避免了现有技术数据计算量及评估误差大等缺陷，具备评估精度和可靠性高等优点；

2、评估过程中，通过选取若干工况组合，建立传递矩阵库，进行待评估样本与训练样本工况匹配性分析，降低了评估方法对工况样本及测点数量的限制，大大减小了实船测试难度，尤其对于各类潜艇上测点资源紧张的应用场合，工程可应用性强；

3、按照本发明的评估方法，能够在任意航行环境下评估船舶水下辐射噪声，不易受测量环境的影响，避免了条件苛刻的自由场测试，因而尤其适用于各类潜艇水下辐射噪声评估应用场合；

附图说明

图1是按照本发明实施例所构建的船舶水下辐射噪声实时评估方法的工艺流程图；

图2a为本发明一实施例工况下辐射噪声评估值与实测值的曲线对比图；

图2b为本发明一实施例工况下辐射噪声评估值与实测值的评估误差曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明方法，并不用于限定本发明的方法。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明实施例所构建的船舶水下辐射噪声实时评估方法的工艺流程图，由图可知，本发明提供了一种船舶水下辐射噪声的少量测点实时评估方法，在整个评估过程中依次执行下列步骤：

(a)在待评估船舶上布置多个传感器以实时记录船舶自噪声和振动信号，在船舶外部设定位置布置多个传感器以记录船舶辐射噪声信号，其中，待评估船舶上布置的自噪声传感器为l个，布置的振动传感器为m个，在船舶外部布置的辐射噪声传感器n个；

具体的，船舶上布置的传感器数量l、m或l+m可多于、等于或少于船舶内噪声源设备数量。船舶上布置的自噪声传感器位于船体外壳或舷侧，水面船舶要求布置在水线以下，振动传感器布置于船体内侧，辐射噪声传感器布置于船体外部。

(b)测量船舶各类工况下自噪声、振动信号和辐射噪声信号，其中，工况总数为I，第i个工况的自噪声测量值为振动测量值为辐射噪声测量值为

具体的，在步骤(b)中，船舶工况应尽可能包括以下四种情况：常用最高航速、常用最低航速、启动所有常用设备、启动尽可能少的设备。各工况下船舶自噪声、振动和辐射噪声信号的测量方式保持不变。

(c)选择不同的训练样本工况进行组合，其中，根据第j种组合的工况的测量数据，计算得到的传递矩阵T^j，建立传递矩阵库；

具体的，在步骤(c)中，传递矩阵按照如下步骤计算：

(i)选择步骤(b)中w个工况作为训练样本工况，这些工况测量得到的数据组成矩阵P、Y

(ii)传递矩阵T可以表示为：

T＝Y⁺P (三)

其中，P表示训练样本工况辐射噪声声压响应矩阵，p₁，p₂，…，p_n分别表示各个辐射噪声传感器所获得的声压时域值；Y表示船舶自噪声和振动响应矩阵，q₁，q₂，…，q_l分别表示船舶各个自噪声传感器所获得的声压时域值，v₁，v₂，…，v_m分别表示船舶各个振动传感器所获得的振动时域值，n表示辐射噪声传感器数量，w表示所选训练样本工况数量，l表示船舶自噪声传感器数量，m表示船舶振动传感器数量，T表示辐射噪声传递矩阵，Y⁺表示船舶自噪声和振动响应矩阵的逆矩阵。

此外，在步骤(c)中，传递矩阵计算包括但不限于正则化等各类矩阵求逆的优化处理。

(d)在船舶实际航行过程中，仅利用船舶上传感器信号q₁,q₂,...,q_l,v₁,v₂,...,v_m，按照下式实时计算当前辐射噪声p₁,p₂,...,p_n：

[p₁,p₂,...,p_n]＝[q₁,q₂,...,q_l,v₁,v₂,...,v_m]T^j

具体的，在步骤(d)中，传递矩阵T^j按照如下方式选择：

首先，确定当前状态下船舶航速和设备开启情况，

接着，查看用于计算传递矩阵T的工况组合，

如果这些工况航速、设备启停均与当前状态相同，则优先选择与之对应的传递矩阵作为评估当前船舶辐射噪声所使用的传递矩阵；

如果用于计算传递矩阵T的所有工况组合中，没有航速、设备启停与当前状态相同的工况，则查找航速最接近当前状态的工况和开启设备最接近当前状态的工况，选择由上述工况数据所计算得到的传递矩阵，作为评估当前船舶辐射噪声所使用的传递矩阵。

下面结合具体的实施例进一步说明本发明方法。

例如，评估对象为航行测噪的一艘实船，现在按照本发明所构建的流程方法进行水下辐射噪声评估。为讨论方便，现仅选定1个辐射噪声测量点，应当指出的是，在本发明中选择单个辐射噪声测量点或者多个自噪声或振动测点，在方法和流程上没有实质区别。

首先，在船舶外侧或舷间布置l个自噪声传感器，船舶内侧布置m个振动传感器，船舶外部布置1个辐射噪声传感器。测试过程中，训练样本工况包括常用最高航速、常用最低航速、启动所有常用设备、启动尽可能少的设备等四种情况，并记录船舶各测点噪声数据。

接着，针对待评估船舶，共选取选取10个自噪声测点以及11个振动测点，将所有训练样本工况划分三大类，分别计算传递矩阵并保存。

然后，将待评估样本与训练样本进行工况匹配，选取传递特性矩阵，利用船舶自噪声及振动响应评估远场辐射噪声。具体如图2a和2b所示，图2a为本发明实施例工况下辐射噪声评估值与实测值的曲线对比图，图2b为本发明实施例工况下辐射噪声评估值与实测值的评估误差曲线图，可见，辐射噪声评估值与实测值在全频带内吻合较好，各频带误差皆小于1dB，评估效果较好。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种船舶水下辐射噪声的少量测点实时评估方法，其特征在于，其包括依次执行下列步骤：

(a)在待评估船舶上布置多个传感器以实时记录船舶自噪声和振动信号，在船舶外部设定位置布置多个传感器以记录船舶辐射噪声信号，其中，待评估船舶上布置的自噪声传感器为l个，布置的振动传感器为m个，在船舶外部布置的辐射噪声传感器n个；

(b)测量船舶各类工况下自噪声、振动信号和辐射噪声信号，其中，工况总数为I，第i个工况的自噪声测量值为振动测量值为辐射噪声测量值为

(c)选择不同的训练样本工况进行组合，其中，根据第j种组合的工况的测量数据，计算得到的第j个传递矩阵T^j，建立传递矩阵库；

(d)在船舶实际航行过程中，从传递矩阵库中选择与实际工况最相符的传递矩阵，仅利用船舶上自噪声测量值和振动测量值q₁,q₂,...,q_l,v₁,v₂,...,v_m，按照下式实时计算当前辐射噪声p₁,p₂,...,p_n：

[p₁,p₂,...,p_n]＝[q₁,q₂,...,q_l,v₁,v₂,...,v_m]T^j。

2.如权利要求1所述的船舶水下辐射噪声的少量测点实时评估方法，其特征在于，在步骤(c)中，传递矩阵T按照如下步骤计算：

(i)选择步骤(b)中w个工况作为训练样本工况，这些工况测量得到的数据组成矩阵P、Y

(ii)传递矩阵T表示为：

T＝Y⁺P (三)

其中，P表示训练样本工况辐射噪声声压响应矩阵，p₁，p₂，…，p_n分别表示各个辐射噪声传感器所获得的声压时域值；Y表示船舶自噪声和振动响应矩阵，q₁，q₂，…，q_l分别表示船舶各个自噪声传感器所获得的声压时域值，v₁，v₂，…，v_m分别表示船舶各个振动传感器所获得的振动时域值，n表示辐射噪声传感器数量，w表示所选训练样本工况数量，l表示船舶自噪声传感器数量，m表示船舶振动传感器数量，T表示传递矩阵或者称为辐射噪声传递矩阵，Y⁺表示船舶自噪声和振动响应矩阵的逆矩阵。

3.如权利要求2所述的船舶水下辐射噪声的少量测点实时评估方法，其特征在于，步骤(d)中，按照如下方式从传递矩阵库中选择与实际工况最相符的传递矩阵：

首先，确定当前状态下船舶航速和设备开启情况，

接着，查看用于计算传递矩阵的工况组合，

如果这些工况航速、设备启停均与当前状态相同，则优先选择与之对应的传递矩阵作为评估当前船舶辐射噪声所使用的传递矩阵；

如果用于计算传递矩阵T的所有工况组合中，没有航速、设备启停与当前状态相同的工况，则查找航速最接近当前状态的工况和开启设备最接近当前状态的工况，选择由上述工况数据所计算得到的传递矩阵，作为评估当前船舶辐射噪声所使用的传递矩阵。

4.如权利要求3所述的船舶水下辐射噪声的少量测点实时评估方法，其特征在于，在步骤(a)中，船舶上布置的自噪声传感器位于船体外壳或舷侧，水面船舶布置在水线以下，振动传感器布置于船体内侧，辐射噪声传感器布置于船体外部。

5.如权利要求4所述的船舶水下辐射噪声的少量测点实时评估方法，其特征在于，在步骤(b)中，各工况下船舶自噪声、振动和辐射噪声信号的测量方式相同。