CN116564265A - 基于参量次级声源的水下结构噪声控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于参量次级声源的水下结构噪声控制方法，它包括：首先，利用结构表面的声压和法向振速信息，采用远场噪声预测方法，获得远场虚拟参考点处的辐射噪声，为参量次级声源控制提供输入依据。其次，建立了多通道参量声场模型，验证参量次级声场的可控性，采用正则化最小二乘算法，以远场多个虚拟参考点处声压平方和最小为目标，获得了多通道信号发射参数。最后，在水下结构监测信息缺失时，采用局部控制策略，获得了水下结构噪声控制效果。本发明针对远场噪声预测准确区域进行定向控制，解决了监测信息缺失带来的传统有源降噪效果变差的问题，同时提高了系统的可靠性与稳定性，为水下结构有源噪声控制技术应用奠定了理论基础。
Description
技术领域
本发明属于噪声控制技术领域，具体涉及一种基于参量次级声源的水下结构噪声控制方法。
背景技术
水下潜器结构的振动噪声有源控制对于我国的海洋国土安全和经济建设具有重要意义，随着声纳系统对低频线谱噪声探测能力的不断提高，水下潜器结构噪声控制技术面临更高的要求和挑战。噪声有源控制技术在声传播路径上对水下结构辐射噪声进行抵消，具有较好的低频控制效果，因而受到极大的关注。但是在水下结构表面监测信息缺失的情况下，传统的有源降噪方法由于误差传感器对声场预测不准确使次级声源的控制效果变差，甚至可能导致噪声增加。
在有源噪声控制系统中，传统声源作为次级声源可能使近场参考传感器接收到的声波能量变大，会降低主动控制系统的控制效果并影响系统的稳定(武帅兵,吴鸣,杨军.参量阵扬声器在管道噪声控制中的研究[J].应用声学,2013(6):439-445.)。多通道控制系统无法解决控制效果和系统稳定性之间的矛盾问题。多通道有源控制为了获得更好的控制效果，不可避免的增大系统的复杂程度和计算量，降低系统稳定性，系统复杂度低就会导致有源控制效果有限(庞彦宾,陈克安.自由场分散式有源声控制系统稳定性分析[J].电声技术,2010(2):4.)。远场噪声预测方法主要包括解析法、数值法和数值解析混合法。传统的预测方法可能会涉及奇异积分、高维矩阵求逆和存在非唯一性解等问题(戈尔季延科,贾志富.声矢量-相位技术[M].国防工业出版社,2014.)导致无法获得准确的预测结果。在水下结构表面附近存在近场监测传感器无法布放的位置。当监测信息缺失时，会导致远场辐射噪声预测结果不准确，降低控制效果。
本发明针对水下目标结构远场辐射噪声有源控制问题，采用多通道参量次级声源发射方法，针对远场噪声预测准确区域进行噪声定向控制，解决了监测信息缺失条件下传统声源进行局部控制产生的风险系数过大的问题，同时通过参量次级声源形成的强指向性波束降低多通道间的声耦合，提高了多通道有源控制系统的稳定性，为水下结构有源噪声控制技术应用奠定理论基础。
发明内容
本发明针对采用参量声源作为次级声源的水下目标结构声源降噪问题，提出基于参量次级声源的水下结构噪声控制方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
(1.1)在水下结构表面布放多个矢量水听器，获取水下结构辐射噪声的声压和法向振速信息，相邻矢量水听器间距不大于声波水中波长的五分之一。
水下结构表面上监测点的位置、数量以及间距的选取决定着能否通过所选取的监测点准确预测出远场观测点位置处的声压幅度与相位。采用均匀布放方式在水下结构表面选取的监测点上布放矢量水听器，相邻矢量水听器的间距均不超过声波水中波长的五分之一，这些监测点能够形成包络面，将噪声源包含在内。在结构表面布放的矢量水听器需满足上述布放原则，才能准确地预测出远场观测点处辐射噪声。
(1.2)采用亥姆霍兹积分预测方法，根据水下结构表面上各矢量水听器获取的声压和法向振速信息，计算远场各虚拟参考点空间位置处声压幅度和相位，获得远场虚拟参考点处辐射噪声的复声压值构成的辐射声压矩阵B。
通过在各监测点位置处布放的矢量水听器，获取水下结构表面各监测点处的声压和法向振速信息，采用声压外场点亥姆霍兹积分定理的远场辐射噪声预测方法计算出远场虚拟参考点处声压的幅度与相位，具体如下式所示：
其中，为远场虚拟参考点P处复声压值，/>为水下结构表面上监测点Q处复声压值，/>为自由场格林函数，/>为监测点Q处的法向声压梯度，n为监测点Q处的外法线，/>为/>位置处的微元，/>分别为远场虚拟参考点的位置和结构表面监测点的位置，rPQ为水下结构表面监测点Q处到远场虚拟参考点P处的距离，化简可得：
其中，η'为n与夹角，v为监测点Q处的法向复振速，k、ω分别为线谱噪声频率和波数，ρ为介质密度。
将矢量水听器接收的声压和法向振速代入声压外场点亥姆霍兹积分公式中，计算得到各远场虚拟参考点位置处的声压，获得的所有远场虚拟参考点位置处的复声压值作为远场虚拟参考点位置处辐射噪声声压矩阵的元素，即获得如下所示的辐射噪声的声压矩阵B：
其中，为水下目标结构在远场第i个虚拟参考点处辐射声压，/>代表第i个虚拟参考点的位置，i＝1,2,…,M，M为远场虚拟参考点的数量。
(1.3)将各参量次级声源等间距均匀离散布放至水下结构表面，保证其准直方向在全立体角范围内均匀分布。根据波动方程对参量阵声源辐射声场进行推导，获得单个参量次级声源的辐射声场，通过坐标变换计算其他参量次级声源产生的辐射声场，获得各参量次级声源在远场各虚拟参考点空间位置处的复声压值。将上述获得的复声压值分别作为多通道声传递矩阵中的一个元素，以此获得多通道声传递矩阵C。
在水下结构表面以等间距的形式布放参量次级声源，使其均匀覆盖在水下结构表面上。对于参量次级声源的准直方向应使其沿着与水下结构表面切线垂直的法线方向布放，尽量使其在空间立体角内分布均匀。通过波动方程推导出单个参量次级声源的辐射声场解析表达式，其具体如下所示：
其中，pd(r,ξ)为差频声场中任意一点处的复声压值，r为任意一点距参量次级声源等效声中心的距离，ξ为任意一点偏离准直方向角度，βf为水介质非线性系数，ωd与kd分别为差频频率和波数，P1、P2分别为两束泵波的幅度，S0为参量次级声源辐射截面面积，ρ为水介质密度，c0为水介质中声速，D(ξ)与φ(ξ)分别为参量次级声源差频波束的幅度指向性和相位指向性函数，其具体如下所示：
其中，αs＝α1+α2，α1、α2分别为两束泵波在水介质中的衰减系数。
参量次级声源在坐标系下的位置为/>远场虚拟参考点在该球坐标系下的位置为/>先将其在俯仰角和方位角方向上分别偏转ψθ、/>再将其沿方向进行坐标平移，T点为参量次级声源位置，以结构表面参量次级声源的等效声中心建立球坐标系/>远场虚拟参考点在该球坐标系下的位置为/>ψθ、/>分别参量次级声源的准直方向的俯仰角和方位角，将RP'、θP'、/>用/>坐标系下参数进行表示，具体如下式所示：
其中，均为中间变量，具体如下所示：
通过上述方式将坐标系下各虚拟参考点的位置坐标均转换至/>坐标系下，采用pd(r,ξ)表达式计算对应的复声压值，由于pd(r,ξ)表达式对应的声场为二维轴对称声场，其输入参数为r和ξ，故将/>坐标系下的坐标转换为(r,ξ)的形式，其转换关系具体如下所示：
rij＝RP'
其中，rij为第j个参量次级声源点T位置处到第i个远场虚拟参考点P处的距离，ξij为第i个远场虚拟参考点P偏离第j个参量次级声源准直方向角度，将各参量次级声源在各虚拟参考点位置处形成的复声压值作为多通道声传递矩阵的元素，即可获得多通道声传递矩阵C：
其中，pd(rij,ξij)为第j个参量次级声源在第i个远场虚拟参考点位置处形成的复声压值，i＝1,2,…,M，j＝1,2,…,N，M、N分别为虚拟参考点的总数量和参量次级声源的总数量。
(1.4)远场虚拟参考点的选取数量不能少于参量次级声源的选取数量。当远场虚拟参考点的选取数量等于参量次级声源选取数量时，根据初等矩阵运算，采用最小二乘法以代价函数J(X)最小可求解出参量次级声源发射权系数X。当远场虚拟参考点的选取数量大于参量次级声源选取数量时，可能造成噪声控制系统稳定性差和矩阵求解过程出现不适定问题。此时，需通过Tikhonov正则化的最小二乘方法获取参量次级声源发射信号权系数X。
当远场虚拟参考点数量少于参量次级声源数量时，通过初等矩阵化简得到未知数为N个的M元的方程组，将产生无穷组解，无法在无穷组解中找到最优的参量次级声源的发射权系数。
当远场虚拟参考点数量等于参量次级声源数量时，多通道声传递矩阵C为方阵。设参量次级声源发射权系数为X，其为N×1的列向量，获得如下所示的噪声控制后的声压矩阵CX+B：
其中，为噪声控制后在各远场虚拟参考点/>处的复声压值，/>代表第i个虚拟参考点的位置，i＝1,2,…,M，M为远场虚拟参考点的数量。
以CX+B中各元素平方和为代价函数J(X)，其具体如下所示：
J(X)＝||CX+B||2＝(CX+B)H(CX+B)
＝XHCHCX+XHCHB+BHCX+BHB
其中，(·)H表示共轭转置运算，||·||表示矩阵向量的2范数，即向量中各元素的平方和后开根号。采用最小二乘法以代价函数J(X)最小，获得参量次级声源的最优发射权系数X。为使J(X)达到极小值，则令J(X)对X的导数为0，从而可以得到最佳权系数矩阵X：
X＝-C-1B
当远场虚拟参考点数量大于参量次级声源数量时，在使用最小二乘方法时进行Tikhonov正则化处理，将代价函数J(X)变化为：
J(X)＝||CX+B||2+ε2||X2
其中，ε为正则化参数，采用Bayesian准则进行迭代加权来获取最佳参数值ε，令J(X)对X的导数为0，从而可以得到最优权系数矩阵X：
X＝-(CHC+ε2·IN×N)-1·CH·B
其中，IN×N为N行N列的单位矩阵。
(1.5)当监测信息缺失时，需关闭监测信息不准确区域的参量次级声源。利用参量次级声源的高指向性特性，采用局部控制策略对监测信息准确的局部区域进行精准有效噪声控制，在不产生噪声泄露的前提下，获得全空间范围内的噪声控制效果。
当监测信息缺失时，关闭预测不准确区域内的参量次级声源，利用参量声源的高指向性特性依靠预测准区域内的参量次级声源对预测准区域进行噪声控制。通过只对噪声预测准确的区域进行局部精准噪声控制，获得良好局部噪声控制效果，并且避免了噪声预测不准确方向控制后能量溢出，导致暴露性增强的现象出现；
为了衡量全空间的噪声控制效果，以噪声控制前后的声场各远场虚拟参考点处的声能量和之比来设定全方向上噪声控制效果评价指标Jm，具体如下式所示：
其中，Jm表示噪声控制前后声场能量比，为第i个虚拟参考点位置，/>与分别表示噪声控制前后在/>处的复声压值，M为虚拟参考点数量，Jm与包络面内辐射噪声频率、参量次级声源数量和远场虚拟参考点数量有关。
对于噪声控制后某些方向上可能出现能量加强，从而导致该方向上水下潜器暴露风险增大。于是定义了风险系数Lm来衡量水下结构噪声控制后在全空间方向上的暴露风险。其中，Lm如下式所示：
其中，Lm表示暴露风险系数，MTop表示噪声控制后能量加强的所有虚拟参考点的集合。
现有技术相比本发明的有益效果是：
本发明提出一种基于参量次级声源的水下结构噪声控制方法，通过矢量水听器监测得到的声压和法向振速信息，采用基于声压外场点亥姆霍兹积分定理的远场辐射噪声预测方法对远场虚拟参考点处进行噪声预测，能够减少近似误差，避免求解积分方程及其逆矩阵，且不涉及奇异积分、高维矩阵求逆和存在非唯一性解等问题。采用参量声源作为次级声源相比于采用传统点声源作为次级声源可以降低通道间的声耦合和声反馈对近场监测传感器接收信号的影响，提高控制系统稳定性，降低系统复杂程度，改善控制效果。
通过最小二乘方法获得的参量次级声源发射权系数调控的次级声场能够更好的抵消初级声场，实现有效降噪。当监测信息缺失时，采用参量声源作为次级声源，可以针对远场辐射噪声预测准确区域进行局部控制，可以有效改善控制效果，并且各参量次级声源工作状态可根据相应区域是否能够准确预测远场辐射噪声来决定，使其灵活性和环境适应性有一定程度上的增强。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为水下目标结构图；
图3为水下目标结构表面声压分布；
图4为监测点矢量水听器布放位置；
图5为远场辐射噪声预测结果；
图6为参量次级声源布放方式及坐标系建立；
图7为监测信息完备时的控制效果；
图8为监测信息缺失时远场辐射噪声预测结果；
图9为监测信息缺失时的控制效果；
图10为监测信息缺失时，次级声源为参量源进行局部控制策略的控制效果；
图11为监测信息缺失时，次级声源为传统声源进行局部控制策略的控制效果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
第一步，以水下目标圆柱壳结构为例，水下目标结构为半径为1m、长14m、厚度为0.05m、材料为Steel AISI 4340的空心圆柱壳，具体如图2所示。在其表面母线中点沿z轴正方向施加频率为200Hz的径向Fr＝1N的简谐力，直角坐标系下激励位置坐标为(0,0,1)，点激励在圆柱壳表面产生声压分布，具体如图3所示。在圆柱壳表表面以相邻布放间距不大于五分之一波长布放矢量水听器，本案例中采用布阵相邻间距0.03λ，约为0.22m。通过形成的圆柱形包络离散点获取壳体表面声压和法向振速信息，圆柱壳结构表面布放矢量水听器的监测点位置选取具体如图4所示。
第二步，通过上述矢量水听器布放方法监测得到的声压和法向振速信息，采用声压外场点亥姆霍兹积分定理估计得到水平平面内的远场1500m位置辐射噪声幅度、相位与通过有限元法计算得到的远场辐射噪声幅度、相位在除90°与270°两个方向上的其余各个方向均一致，在90°与270°两个方向上的小范围内相位预测略有差异约为0.2rad，具体如图5所示。通过该预测方法获得各个远场虚拟参考点处的辐射噪声的声压矩阵B：
其中，为水下目标结构在远场第i个虚拟参考点处辐射声压，/>代表第i个虚拟参考点的位置，i＝1,2,…,M，M为远场虚拟参考点的数量。
第三步，由于次级声源布阵对降噪具有重要影响，本发明利用参量次级声源定向噪声控制特性，提出一种准直束空间立体角均匀布放方法。具体为参量次级声源在水下圆柱壳结构侧表面，沿其母线呈线形等间距布放，沿端面圆呈圆形等弧度布放，使得参量次级声源的准直方向尽量在空间全立体角内均匀分布，其布放方式分别如图6-(a)、6-(b)所示，两球坐标系建立如图6-(c)所示。
以水下圆柱壳结构中心为原点建立球坐标系参量次级声源在该球坐标系下的位置为/>远场虚拟参考点在该球坐标系下的位置为/>再以结构表面参量次级声源的等效声中心建立另一球坐标系/>远场虚拟参考点在该球坐标系下的位置为/>参量次级声源的准直方向的偏角为/>ψθ、/>分别参量次级声源的准直方向的俯仰角和方位角，先将远场虚拟参考点位置坐标在俯仰角方向偏转ψθ，再将其在方位角方向偏转/>再沿着/>进行坐标平移，T点为参量次级声源布放位置，即可将/>坐标系下远场虚拟参考点位置坐标转换至/>坐标系中，将各远场虚拟参考点位置的坐标均转换至/>坐标系下，具体如下所示：
其中，均为中间变量，具体如下所示：
将带入RP'、θP'、/>中，获得/>与/>坐标系的转换关系，通过该转换关系将/>坐标系下各虚拟参考点的位置坐标均转换至/>坐标系下，采用pd(r,ξ)表达式计算对应的复声压值，由于pd(r,ξ)表达式对应的声场为二维轴对称声场，其输入参数为r和ξ，故将/>坐标系下的坐标转换为(r,ξ)的形式，其转换关系具体如下所示：
rij＝RP'
其中，rij为第j个参量次级声源点T位置处到第i个远场虚拟参考点P处的距离，ξij为第i个远场虚拟参考点P偏离第j个参量次级声源准直方向的角度，将各参量次级声源在各虚拟参考点位置处的复声压值作为多通道声传递矩阵的元素，即可获得多通道声传递矩阵C：
将各参量次级声源在远场虚拟参考点的贡献进行加权累加，即可得到参量次级声源加权发射的总声压矩阵A:
其中，pd(rsumi,ξsumi)为各参量次级声源对第i个虚拟参考点的总声压贡献，ξsumi表示第i个参考点的方位角，rsumi表示第i个虚拟参考点到球坐标系原点的距离，pd(rsumi,ξsumi)为多通道声传递矩阵中第i行的加权累加和，i＝1,2,…,M，M为远场虚拟参考点的数量。
设参量次级声源最佳发射权系数为X，其为N×1的常数矩阵，具体如下所示：
则经发射权系数X调节后，获得参量次级声源加权发射的总声压矩阵A，即各远场虚拟参考点位置处形成的复声压值，具体如下式所示：
第四步，以代价函数J(X)最小，通过最小二乘法求解水下结构圆柱壳表面布放的参量次级声源的发射权系数X。代价函数J(X)具体如下式所示：
J(X)＝||A+B||2＝||CX+B||2＝(CX+B)H(CX+B)
＝XHCHCX+XHCHB+BHCX+BHB
其中，X为N×1维参量次级声源的权系数矩阵，A为参量次级声源加权发射的总声压矩阵，B为远场虚拟参考点处辐射噪声的声压构成的辐射声压矩阵，C为多通道声传递矩阵，(·)H表示共轭转置运算，||·||表示矩阵向量的2范数，即向量中各元素的平方和后开根号。为使J(X)达到极小值，就要令J(X)对X的导数为0，从而可以得到参量次级声源的发射权系数矩阵X：
X＝-C-1B
其中，(·)-1为对矩阵取逆。通过参量次级声源发射信号权系数X调节各参量次级声源发射强度，使所有参量次级声源在远场各虚拟参考点产生声压幅值贡献和与辐射噪声声压幅值相同，其相位贡献和与辐射噪声声压相位相反，从而可通过加权调节后的参量次级声源产生的期望声场抵消辐射噪声声场；
若远场虚拟参考点数量大于圆柱壳表面布放的参量次级声源数量，由于C为非方阵，其不存在逆矩阵，使得参量次级声源发射权系数矩阵求解过程出现不适定问题。在使用最小二乘方法时，需要进行Tikhonov正则化的处理将代价函数J(X)变化为：
J(X)＝||A+B||2+ε2||X||2
＝||CX+B||2+ε2||X||2
其中，ε为正则化参数，采用Bayesian准则进迭代加权来获取最佳参数值ε，令J(X)对X的导数为0，从而可以得到权系数矩阵X：
X＝-(CHC+ε2·IN×N)-1·CH·B
其中，IN×N为N行N列的单位矩阵。
如图7所示，通过权系数矩阵X调节圆柱壳表面的各参量次级声源，将得到的参量次级声场与水下目标结构辐射声场叠加获得控制后声场，其噪声控制效果评价指标Jm＝0.094％，风险系数Lm＝1.6，在水平面上各个方向噪声明显下降但在某些方向上存在能量少量增加。
第五步，当监测信息缺失时，通过关闭水下结构圆柱壳表面的部分预测不准确区域的参量次级声源，能够避免通过预测有误的信息进行控制时产生噪声溢出从而增大暴露性。利用参量次级声源的高指向性，采用局部控制策略对远场辐射噪声预测准确区域进行精准有效控制，不仅在全空间上获得了平均噪声水平降低的效果而且还可以增强水下潜器的灵活性与机动性。
当水下目标圆柱壳结构两端面上无法布放矢量水听器进行端面区域监测时，仅在圆柱壳侧表面上布放矢量水听器，远场辐射噪声的预测效果如图8所示。在90°和270°方向附近预测结果准确性明显下降，其声压级存在约10dB的误差，相位存在1.3rad误差。根据预测得到的结果采用全局控制策略进行控制，在90°和270°两个预测结果不准的方向上，全局控制策略会使噪声溢出，具体控制效果如图9所示。其噪声控制效果评价指标Jm＝1.6％，风险系数Lm＝3.25。采用局部控制策略对-60°到60°和120°到240°预测准确区域进行控制时，控制效果如图10所示。噪声控制效果评价指标Jm＝1.51％，风险系数Lm＝1.25。对比图9与图10可得，当监测信息缺失时，局部控制策略不仅在降噪效果上优于全局控制策略，而且在预测不准的方向上不会产生能量溢出，在预测准确区域范围内仅会产生少量能量溢出。
在监测信息缺失的条件下，对比图10与图11可得，将参量次级声源改为传统点声源并采取局部控制策略进行控制，其噪声控制效果评价指标Jm＝1.37％，风险系数Lm＝45.84。不难看出，虽然在噪声残余上相比于参量次级声源效果略高出0.14％，但在风险系数上却是采用参量次级声源进行局部噪声控制时风险系数的37倍左右，其风险系数约为45.84，使得水下潜器暴露性急剧增加，噪声控制变得毫无意义。
所以，采用具有强指向性特性的参量声源作为次级声源进行主动噪声控制，不仅能够削减通道间次级波束的交叠区域提升系统的稳定性，而且在监测信息缺失时也能取得良好的降噪效果并且能够保证噪声控制后水下潜器的暴露性不易过大。
Claims (4)
1.一种基于参量次级声源的水下结构噪声控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1.1)在水下结构表面布放多个矢量水听器，获取水下结构辐射噪声的声压和法向振速信息，相邻矢量水听器间距不大于声波水中波长的五分之一；
(1.2)采用亥姆霍兹积分预测方法，根据水下结构表面各矢量水听器获取的声压和法向振速信息，计算远场各虚拟参考点空间位置处的声压幅度和相位，获得远场虚拟参考点处辐射噪声的复声压值构成的辐射声压矩阵B；
(1.3)将各参量次级声源等间距均匀离散布放至水下结构表面，保证其准直方向在全立体角范围内均匀分布；根据波动方程对参量阵声源辐射声场进行推导，获得单个参量次级声源的辐射声场，通过坐标变换将各参量次级声源产生的辐射声场转换至同一坐标系下，获得各参量次级声源在远场各虚拟参考点空间位置处的复声压值；将获得的所有复声压值分别作为多通道声传递矩阵中的一个元素，以此获得多通道声传递矩阵C；
(1.4)远场虚拟参考点的选取数量不能少于参量次级声源的选取数量，当远场虚拟参考点的选取数量与参量次级声源选取数量相同时，采用最小二乘法以定义的代价函数最小可求解出参量次级声源发射权系数X；当远场虚拟参考点的选取数量大于参量次级声源选取数量时，可能造成噪声控制系统稳定性差和矩阵求解过程出现不适定问题，此时，需通过Tikhonov正则化的最小二乘方法获取参量次级声源发射信号权系数X；
(1.5)当监测信息缺失时，需关闭监测信息不准确区域的参量次级声源，利用参量次级声源的高指向性特性，采用局部控制策略对监测信息准确的局部区域进行精准有效噪声控制，在不产生噪声泄露的前提下，获得全空间范围内的噪声控制效果。
2.根据权利要求1所述的一种基于参量次级声源的水下结构噪声控制方法，其特征在于，噪声控制使用的次级声源均采用具有低频、宽带、高指向性特性的参量阵声源，参量次级声源在结构表面和其准直方向在全立体角范围内皆呈均匀分布，采用单个参量次级声源的辐射声场解析表达式计算结构表面各个位置处的参量次级声源在远场各虚拟参考点产生的差频声压，且各参量次级声源在远场虚拟参考点位置处的贡献值能够通过统一的坐标变换方式转换至同一坐标系下，从而获得参量次级声源在远场虚拟参考点位置处的多通道声传递矩阵；
通过波动方程推导的单个参量次级声源辐射差频声场解析表达式如下式所示：
其中，pd(r,ξ)为差频声场中任意一点处的复声压值，r为任意一点距参量次级声源等效声中心的距离，ξ为任意一点偏离准直方向角度，βf为水介质非线性系数，ωd与kd分别为差频频率和波数，P1、P2分别为两束泵波的幅度，S0为参量次级声源辐射截面面积，ρ为水介质密度，c0为水介质中声速，D(ξ)与φ(ξ)分别为参量次级声源差频波束的幅度指向性和相位指向性函数，其具体如下所示：
其中，αs＝α1+α2，α1、α2分别为两束泵波在水介质中的衰减系数。
先以结构内任意一点为原点建立球坐标系参量次级声源在该球坐标系下的位置为/>远场虚拟参考点在该球坐标系下的位置为/>再以结构表面参量次级声源的等效声中心建立球坐标系/>远场虚拟参考点在该球坐标系下的位置为/>参量次级声源的准直方向偏角为/>ψθ、/>分别参量次级声源的准直方向的俯仰角和方位角。
采用坐标变换法，将坐标系下远场虚拟参考点位置坐标经过偏转、平移操作转换至/>坐标系下，通过该方式将各虚拟参考点位置坐标均转换至/>坐标系下，再通过pd(r,ξ)计算出各位置处的复声压值，并将其作为多通道声传递矩阵的元素，获得远场虚拟参考点位置处的多通道声传递矩阵C：
其中，pd(rij,ξij)为第j个参量次级声源在第i个虚拟参考点位置处形成的复声压值，rij为第j个参量次级声源等效声中心到第i个远场虚拟参考点位置处的距离，ξij为第i个远场虚拟参考点位置偏离第j个参量次级声源准直方向的偏角，i＝1,2,…,M，j＝1,2,…,N，M、N分别为虚拟参考点的总数量和参量次级声源的总数量。
3.根据权利要求1所述的一种基于参量次级声源的水下结构噪声控制方法，其特征在于，当远场虚拟参考点数量选取少于参量次级声源数量，即M<N时，对多通道声传递矩阵C，采用矩阵初等变换化简出含有M个N元方程的方程组，求解该方程组会出现无穷多个解，无法获取参量次级声源发射权系数，故远场虚拟参考点数量选取不能少于参量次级声源数量；
当远场虚拟参考点数量选取等于参量次级声源数量，即M＝N时，构建出的多通道声传递矩阵C为M行N列的方阵，求解该方阵化简出的方程组，可得到方程组的唯一解，所以在M＝N时，能够确定出参量次级声源的发射权系数；
此时，通过定义的代价函数J(X)描述噪声控制效果，并且采用最小二乘方法获得使得代价函数J(X)最小的参量次级声源发射信号权系数X，代价函数J(X)如下式所示：
J(X)＝||CX+B||2＝(CX+B)H(CX+B)
＝XHCHCX+XHCHB+BHCX+BHB
其中，代价函数J(X)是X的函数，X为参量次级声源发射权系数矩阵，B为远场虚拟参考点处辐射噪声的复声压值构成的辐射声场矩阵，C为各参量次级声源在各虚拟参考点处的多通道声传递矩阵，(·)H表示共轭转置运算，||·||表示矩阵向量的2范数，即向量中各元素的平方和后开根号；使J(X)达到极小值，获得参量次级声源的最佳发射权系数矩阵X：
X＝-C-1B
其中，(·)-1为矩阵求逆运算，通过发射信号权系数对各参量次级声源发射强度进行调整，使得参量次级声源阵列辐射出期望的次级声场；
当远场虚拟参考点数量选取大于参量次级声源数量，即M>N时，对构建出的多通道声传递矩阵C，采用矩阵初等变换化简出的方程组为含有M个N元的超定方程组，所以该方程组无解，即不存在使远场各虚拟参考点处复声压值叠加和为零的参量次级声源发射权系数，所以，通过定义远场虚拟参考点处初次叠加声场的残差函数，并将残差函数的平方作为代价函数J(X)，计算出使得代价函数J(X)最小的一组参量次级声源的发射权系数X；
此时，使用最小二乘方法时需要进行Tikhonov正则化的处理，将代价函数J(X)变化为：
J(X)＝||CX+B||2+ε2||X||2
其中，ε为正则化参数，采用Bayesian准则进行迭代加权来获取最佳参数值，使J(X)达到极小值，从而可以得到最佳权系数矩阵X：
X＝-(CHC+ε2·IN×N)-1·CH·B
其中，IN×N为N行N列的单位矩阵，通过获得的参量次级声源发射信号权系数对各参量次级声源发射强度进行调整，使得参量次级声源阵列辐射出期望的次级声场。
4.根据权利要求1所述的一种基于参量次级声源的水下结构噪声控制方法，其特征在于，当水下结构监测信息缺失时，需要开启能够准确预测的区域上布放的参量次级声源，同时需关闭预测不准方向上的参量次级声源，仅对预测准确区域进行精准的局部噪声控制，以产生良好的局部空间噪声控制效果来降低全空间范围内的平均噪声水平。
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|---|---|---|---|
| CN202310575022.XA CN116564265A (zh) | 2023-05-22 | 2023-05-22 | 基于参量次级声源的水下结构噪声控制方法 |
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| CN202310575022.XA CN116564265A (zh) | 2023-05-22 | 2023-05-22 | 基于参量次级声源的水下结构噪声控制方法 |
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|---|---|
| CN (1) | CN116564265A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117935837A (zh) * | 2024-03-25 | 2024-04-26 | 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 | 一种时域多声源定位及噪声处理方法 |
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2023
- 2023-05-22 CN CN202310575022.XA patent/CN116564265A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117935837A (zh) * | 2024-03-25 | 2024-04-26 | 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 | 一种时域多声源定位及噪声处理方法 |
| CN117935837B (zh) * | 2024-03-25 | 2024-05-24 | 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 | 一种时域多声源定位及噪声处理方法 |
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