CN110864802A - 基于虚拟声源波叠加的舰壳声纳平台区自噪声预报方法 - Google Patents

基于虚拟声源波叠加的舰壳声纳平台区自噪声预报方法 Download PDF

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熊济时
吴崇建
陈志刚
付爱华
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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟声源波叠加的舰壳声纳平台区自噪声预报方法，属于舰船总体声学设计领域，本发明建立了虚拟声源构造方法，将虚拟声源波叠加技术引入到潜艇自噪声预报，可以在无需掌握真实激励源信息的情况下，以舰壳声纳平台附近结构上有限个振动传感器测量获取的振动响应为输入，构建若干个简单虚拟源匹配结构表面有限振动，这些简单虚拟源声波场的叠加恰好匹配上述测量得到的结构振动，通过构建的简单虚拟源即可以求解结构振动产生的自噪声。可以在宽频段范围内，以少量的监测传感器，匹配上结构表面法向振动，解决了对传感器数量需求大的问题。

Description

基于虚拟声源波叠加的舰壳声纳平台区自噪声预报方法
技术领域
本发明属于舰船总体声学设计领域，更具体地，涉及一种基于虚拟声源波叠加的舰壳声纳平台区自噪声预报方法。
背景技术
现代舰船水下探测、识别目标的主要手段就是使用声纳。声纳的探测距离和定位识别精度受到设备自身性能和其声基阵所处声学环境的影响。目前各国舰船都非常重视声隐身设计，尤其是西方国家的舰船声隐身水平已经非常之高，甚至达到了海洋环境噪声级的量级，难以被探测到，因此提高声纳的探测能力显得十分重要。
提高声纳探测能力可以通过改进声纳系统设计以及改善声纳工作环境两条途径来实现。就声纳系统本身而言，只有改进信号处理方式，增大声基阵的孔径才能带来探测距离的增加，而舰船的空间有限，因此依靠增大声纳基阵孔径提升声纳探测能力的方式受到很大制约；通过降低声纳平台区自噪声则可以显著提高声纳的作用距离，降低平台区噪声对于最大程度发挥声纳系统的自身性能非常有效。
声纳平台区自噪声预报方法研究是开展舰船自噪声控制的基础。前期有传递函数法，数值模型法等，这些方法在评价型号研制中得到了应用。但是从应用的实际情况来看，这些方法存在诸多问题有待解决。比如：求解积分方程模型复杂，计算量大，计算效率不高，对监测传感器数量需求大等问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于虚拟声源波叠加的舰壳声纳平台区自噪声预报方法，由此解决传统方法求解积分方程模型复杂，计算量大，计算效率不高，对监测传感器数量需求大等问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于虚拟声源波叠加的舰壳声纳平台区自噪声预报方法，包括：
(1)利用波叠加方法理论，根据舰壳声纳平台目标区域内的结构表面特点，在所述结构内部构建若干个虚拟声源；
(2)根据目标频段，获取所述舰壳声纳平台目标区域内的结构中的若干振动监测点的振动数据；
(3)使各所述虚拟声源匹配各所述振动数据，以建立所述虚拟声源与所述若干振动监测点的振速法向分量之间的联系，进而根据所述联系进行舷侧平台自噪声预报。
优选地，步骤(1)包括：
(1.1)根据舰壳声纳平台目标区域内的结构表面特点，假设在辐射体内部布满连续分布的简单虚拟源；
(1.2)假定所述简单虚拟源以目标厚度分布于圆球表面，以构造虚拟声源，其中，球壳被称为源球；
(1.3)根据所述结构表面的若干振动监测点的振动数据，得到所述源球表面上的点源源强。
优选地，步骤(1.3)包括：
(1.3.1)由所述目标厚度、所述源球的位置矢量及所述辐射体表面任一目标点的位置矢量得到所述目标点的法向速度；
(1.3.2)将所述源球的表面分成N小段，基于每一段的面积对所述目标点的法向速度进行优化处理；
(1.3.3)基于优化处理后的所述目标点的法向速度得到所述源球表面上的点源源强。
优选地，由
Figure BDA0002294454800000031
得到所述辐射体表面任一场点rs处的法向速度，其中，rs是所述辐射体表面点的位置矢量，δT表示所述目标厚度，σ是所述源球的表面，rσ是所述源球的位置矢量，q(rσ)表示源球rσ的源强，g(rs,rσ)为自由场的格林函数，|rs-rσ|是rs与rσ之间的距离，σ(rσ)表示rσ处的源球面积。
优选地，由
Figure BDA0002294454800000032
得到优化处理后的所述目标点的法向速度，其中，σi表示每一段的面积，Qi是小段σi的源强，
Figure BDA0002294454800000033
是小段σi的位置矢量，
Figure BDA0002294454800000034
表示rs与
Figure BDA0002294454800000035
之间的距离。
优选地，由Q＝D-1U得到所述源球表面上的点源源强，其中，U表示所述辐射体表面N个点上的法向速度构成的N维列向量，Q表示所述源球上的N个点源的源强Qi构成的N维列向量，D是N×N的传递矩阵。
优选地，步骤(3)包括：
(3.1)将所述辐射体表面任一点上的声压进行离散处理；
(3.2)基于所述源球表面上的点源源强及离散处理后的声压，得到所述虚拟声源与所述若干振动监测点的振速法向分量之间的联系。
优选地，由P＝MD-1U得到所述虚拟声源与所述若干振动监测点的振速法向分量之间的联系，其中，P表示所述辐射体表面任一点r上的声压，M＝jρωg(|r-r0|)，ρ是介质的平均密度，ω是所述辐射体内谐波振动声源的角频率，r0是简单虚拟源点，|r-r0|表示r与r0之间的距离。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明将虚拟声源波叠加技术引入到舰船自噪声预报中，解决了传统方法求解积分方程模型复杂，计算量大，计算效率不高，对监测传感器数量需求大等问题，提高了舰壳声纳平台区自噪声快速预报能力，为研制舰船舷侧声纳平台区自噪声控制提供了重要的方法支撑。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于虚拟声源波叠加的舰壳声纳平台区自噪声预报方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种波叠加方法示意图；
图3是本发明实施例提供的一种虚拟源示意图；
图4是本发明实施例提供的一种计算结果与试验结果对比图。
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，并不用于限定本发明。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。
本发明主要用于舰船自噪声预报，适用于在造舰船声学质量评估，舰船声学信号监测与控制系统研制等领域。本发明建立了虚拟声源构造方法，将虚拟声源波叠加技术引入到潜艇自噪声预报，可以在无需掌握真实激励源信息的情况下，以舰壳声纳平台附近结构上有限个振动传感器测量获取的振动响应为输入，构建若干个简单虚拟源匹配结构表面有限振动，这些简单虚拟源声波场的叠加恰好匹配上述测量得到的结构振动，通过构建的简单虚拟源即可以求解结构振动产生的自噪声。可以在宽频段范围内，以少量的监测传感器，匹配上结构表面法向振动，解决了对传感器数量需求大的问题。这种方法是寻求近似解来满足这样的边值问题，等效于Helmholtz积分方程，也就是说和边界元方法在理论上是一致的，但该方法无需求解边界积分方程，从而避免了繁琐的各阶奇异积分处理，大大降低了数值实现的难度，更易于理解和在工程上进行推广。
如图1所示是本发明实施例提供的一种基于虚拟声源波叠加的舰壳声纳平台区自噪声预报方法的流程示意图，包括：
S1：利用波叠加方法理论，根据拟建立联系的结构表面特点，在结构内部构建若干个简单虚拟源，建立结构表面少量监测点振动到虚拟声源的映射模型；
首先，假设在辐射体内部V布满连续分布的声源如图2所示；其次，构造虚拟声源，通常假定简单虚拟源以厚度δT分布于圆球表面如图3所示；然后，建立结构表面少量监测点振动到虚拟声源的映射模型，即根据结构表面少量监测点振动数据，计算虚构球表面上的点源源强。
具体地，步骤S1可以通过以下方式实现：
假设在辐射体内部V布满连续分布的声源，在场点r上的声压是所有声源共同积分的结果，即：
p(r)＝jρ0ω∫Vq(r0)g(|r-r0|)dV(r0) (1)
其中，ρ0是介质的平均密度，ω是V内谐波振动声源的角频率，q(r0)是V内简单虚拟源分布在简单虚拟源点r0处的源强值，g(r,r0)为自由场的格林函数，V(r0)表示r0处简单虚拟源的体积，其表达式为：
Figure BDA0002294454800000051
其中，|r-r0|是场点r与简单虚拟源点r0之间的距离，且满足：
(▽2+k2)g(|r-r0|)＝δ(r-r0) (3)
k是波数，δ是Dirac delta函数。
式(1)是声辐射的波叠加法理论计算公式，是一个积分式不利于数值求解，因此需要将其转化为数值形式。因此引入线性Euler公式：
jωρ0u(r0)＝▽p(r0) (4)
u(r0)表示r0处的源速度，ρ(r0)表示r0处的声压；
由式(1)和式(4)，场点r处的声速为u(r)＝∫Vq(r0)▽g(|r-r0|)dV(r0) (5)
辐射体表面的法向速度为un(rs)＝∫Vq(r0)▽ng(|rs-r0|)dV(r0) (6)
其中，rs是S表面点的位置矢量。因为q(r0)的位置没有限制，因此q(r0)可以置于S内的任何位置，通常假定简单虚拟源以厚度δT分布于圆球表面，球壳被称为源球，因此式(6)变为：
Figure BDA0002294454800000061
其中，σ是源球的表面，rσ是σ上简单虚拟源球的位置矢量，q(rσ)表示源球rσ的源强，|rs-rσ|是rs与rσ之间的距离，σ(rσ)表示rσ处的源球面积，因为rσ可以取得永远比rs小，因此式(7)就不存在奇异性积分问题，也就避免了边界元方法当中的奇异性积分问题。
然后，表面σ被分成N小段，每一段的面积由σi表示，那么式(7)又可以写为：
Figure BDA0002294454800000062
到目前为止，公式未经任何近似处理。如果σi取得足够小，那么式(8)当中的积分取为常数，那么辐射体表面的法向速度的近似表达式为：
Figure BDA0002294454800000063
式中Qi是小段σi的源强。从式(9)可知，由N个简单声源可以构建复杂振源的表面法向速度，而表面法向速度un(rs)是已知的，因此式(9)可用于计算每个简单虚拟源的源强Qi，假设一共获知N个点上的法向振速，那么将其构成一个N维列向量U，并将虚球源上的N个点源的源强构成一个N维列向量Q，将它们之间的关系写成矩阵形式：
U＝DQ (10)
D是N×N的传递矩阵，其表达式如下：
Figure BDA0002294454800000071
rj表示j点对应的矢量，ri表示i点对应的矢量，θij表示rj和ri之间的夹角。
由式(12)可以求得虚构源球表面σ上N个点的源强。
Q＝D-1U (12)
S2：根据计算频段需求，获取舰壳声纳平台附近结构振动数据，利用多输入输出互谱矩阵公式构建互功率谱响应矩阵；
具体地，步骤S2可以通过以下方式实现：
以多输入多输出模型为例，描述m个激励n个响应之间关系的频响函数FRF可以表示成：
X(ω)＝A(ω)F(ω) (13)
式中，X(ω)为n个响应信号的Fourier变换，F(ω)为m个激励力的Fourier变换，A(ω)则是描述m个激励和n个响应之间关系的频响函数。
Y(ω)＝B(ω)F(ω) (14)
式中，Y(ω)为r个参考响应信号的Fourier变换，B(ω)则是描述m个激励和r个参考响应之间关系的频响函数。
则响应信号和参考响应信号之间的互功率谱矩阵为：
Gx,y(ω)＝A(ω)Gf,f(ω)B(ω)T (15)
式中，Gx,y(ω)为互功率谱矩阵，Gf,f(ω)为力的功率谱矩阵Gf,f(ω)＝F(ω)F(ω)T，τT表示τ的复数转置。
现以第t个参考信号为例，式(15)可以表述成：
Figure BDA0002294454800000081
式(16)给出了互功率谱矩阵的第t列元素，式中uj,i(ω)为力功率谱矩阵Gf,f(ω)的第j行第i列元素，τ*表示矩阵τ的复数。
如果激励力为稳定宽带激励力，那么力功率谱可用常数来表示，那么式(16)就可以写成：
Figure BDA0002294454800000082
式中cj为第j点处的激励力常数。
S3：使步骤S1构造的虚拟声源恰好匹配步骤S2获取的舰壳声纳平台附近结构有限振动数据，建立虚拟声源与结构表面有限测点振速法向分量之间的联系，利用虚拟的简单声源进行舷侧平台自噪声预报。
具体地，步骤S3可以通过以下方式实现：
将式(1)按式(9)进行离散：
Figure BDA0002294454800000083
将(12)式代入式(18)并且写成矩阵形式为：
P＝MD-1U (19)
式(19)给出了直接由振动体表面的法向振速计算空间中任意一点声压的办法，其中M为：
M＝jρωg(|r-r0|) (20)
按照上述具体实施方式，进行了模型试验验证。在模型上作用了一激励力(不作为方法输入)，在其上布置了16个振动加速度监测点，首先构建了该模型的虚拟声源，根据16个振动速度监测点数据，建立虚拟声源和振动速度之间的向量矩阵，匹配模型表面振动场，构造虚拟源声辐射向量，计算自噪声。结果如图4所示，利用本发明可以较为准确的对结构自辐射噪声进行评估，不需激励源的详细信息，并且仅需少量的监测点信息作为输入。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
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 (8)

1.一种基于虚拟声源波叠加的舰壳声纳平台区自噪声预报方法，其特征在于，包括：
(1)利用波叠加方法理论，根据舰壳声纳平台目标区域内的结构表面特点，在所述结构内部构建若干个虚拟声源；
(2)根据目标频段，获取所述舰壳声纳平台目标区域内的结构中的若干振动监测点的振动数据；
(3)使各所述虚拟声源匹配各所述振动数据，以建立所述虚拟声源与所述若干振动监测点的振速法向分量之间的联系，进而根据所述联系进行舷侧平台自噪声预报。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)包括：
(1.1)根据舰壳声纳平台目标区域内的结构表面特点，假设在辐射体内部布满连续分布的简单虚拟源；
(1.2)假定所述简单虚拟源以目标厚度分布于圆球表面，其中，球壳被称为源球；
(1.3)根据所述结构表面的若干振动监测点的振动数据，得到所述源球表面上的点源源强。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1.3)包括：
(1.3.1)由所述目标厚度、所述源球的位置矢量及所述辐射体表面任一目标点的位置矢量得到所述目标点的法向速度；
(1.3.2)将所述源球的表面分成N小段，基于每一段的面积对所述目标点的法向速度进行优化处理；
(1.3.3)基于优化处理后的所述目标点的法向速度得到所述源球表面上的点源源强。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，由
Figure FDA0002294454790000021
得到所述辐射体表面任一场点rs处的法向速度，其中，rs是所述辐射体表面点的位置矢量，δT表示所述目标厚度，σ是所述源球的表面，rσ是所述源球的位置矢量，q(rσ)表示源球rσ的源强，g(rs,rσ)为自由场的格林函数，|rs-rσ|是rs与rσ之间的距离，σ(rσ)表示rσ处的源球面积。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，由
Figure FDA0002294454790000022
得到优化处理后的所述目标点的法向速度，其中，σi表示每一段的面积，Qi是小段σi的源强，
Figure FDA0002294454790000023
是小段σi的位置矢量，
Figure FDA0002294454790000024
表示rs与
Figure FDA0002294454790000025
之间的距离。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，由Q＝D-1U得到所述源球表面上的点源源强，其中，U表示所述辐射体表面N个点上的法向速度构成的N维列向量，Q表示所述源球上的N个点源的源强Qi构成的N维列向量，D是N×N的传递矩阵。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(3)包括：
(3.1)将所述辐射体表面任一点上的声压进行离散处理；
(3.2)基于所述源球表面上的点源源强及离散处理后的声压，得到所述虚拟声源与所述若干振动监测点的振速法向分量之间的联系。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，由P＝MD-1U得到所述虚拟声源与所述若干振动监测点的振速法向分量之间的联系，其中，P表示所述辐射体表面任一点r上的声压，M＝jρωg(|r-r0|)，ρ是介质的平均密度，ω是所述辐射体内谐波振动声源的角频率，r0是简单虚拟源点，|r-r0|表示r与r0之间的距离。
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