CN116952355A - 一种浅海环境近场辐射噪声测量系统及终端 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水声测量领域，涉及一种浅海环境近场辐射噪声测量系统及终端，包括水听器阵列、参考水听器、扫描系统、多通道信号调理器、多通道动态信号采集设备、工控机；水听器阵列对其附近的一个平面进行扫描，获得扫描平面的声场数据，这些数据经由多通道信号调理器放大、滤波，发送到数据采集设备的各个通道，工控机获取数据采集设备搜集的数据，并进行处理。本发明实现了某型船在码头系泊状态下船内机械设备辐射噪声的测量与分析，为评估某型船修理辐射噪声的相对变化，以及制定某型船修理振动噪声控制方案提供了科学依据。
Description
技术领域
本发明属于水声测量领域，尤其涉及一种浅海环境近场辐射噪声测量系统。
背景技术
某型船在修理前后必须对其声学性能的变化进行测量和评估，并分析研究引起这种变化的原因，从而为整个某型船修理的振动噪声控制工作提供指导。
目前我国现行的某型船辐射噪声测量方法包括：
(1)基于声压测量技术，对某型船进行远场辐射噪声测量。该方法耗资巨大(单船每次测量经费约500万)，测量所需周期长(单船每次测量周期约2个月)，动用人力、物力资源多(需要协调人力及相应保障船只)，而且对环境要求很高(国内满足条件的试验场不多)。此外，传统的远场辐射噪声测量也具有以下一些不足之处：
①各次测量结果的起伏较大，可重复性不好，难以通过一两次测量就准确评估某型船修理前后辐射噪声的相对变化。
②在单台设备启动时，由于某型船的辐射噪声较小，远场测量可能无法获得满足国军标要求的信噪比。
(2)从机械振源着手，测量某型船主要振动机械设备的振动水平以及减振降噪装置的隔振性能。这种测量方法相对简单易行，对于评估某型船的振动与声学状态具有重要的作用，但其缺陷也是显而易见的。这种测量方法回避了某型船辐射噪声的测量，得到的结果并不能真实地反映某型船的水声隐蔽性能。由于某型船的结构十分复杂，从振源到声辐射是一个复杂的传递过程，因此简单的以振动特征类推辐射声场往往不够准确。可能某个设备的振动烈度急剧增大对某型船辐射噪声影响甚微，而同时另一个设备的振动稍有变动就造成某型船辐射噪声的重大改变，这些不通过水声测量是很难预料的。
综上所述，现有技术存在的问题和缺陷为：
(1)现有的基于声压测量技术的远场辐射噪声测量方法在经济和时间上的投入大，人力物力需求高，对环境要求严格，且其结果的可重复性和信噪比难以满足标准。
(2)现有的从振源测量振动水平和隔振性能的方法，虽然实施相对简单，但其避开了对船辐射噪声的直接测量，因此不能真实反映船的水声隐蔽性能。
(3)现有技术并不能全面准确地评估船修理前后的声学性能变化，也无法准确预测某个设备的振动变化如何影响船的辐射噪声。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种浅海环境近场辐射噪声测量系统。
本发明是这样实现的，一种浅海环境近场辐射噪声测量系统，该系统包括：水听器阵列、参考水听器、智能扫描装置、多通道信号调理器、多通道动态信号采集设备、工控机；
所述水听器阵列对其附近的一个平面进行扫描，获得扫描平面的声场数据；
所述智能扫描装置为某型船水下辐射噪声场的测量提供支撑及动态扫描，装载水听器阵列，实现步距式和连续式平移，完成对某型船水下辐射声场的测量；
所述参考水听器固定在某型船表面附近，在声全息测量过程中为扫描到的信号提供参考相位信息；
这些数据经由多通道信号调理器放大、滤波，发送到多通道动态信号采集设备的各个通道，工控机获取多通道动态信号采集设备搜集的数据，并进行处理。
进一步，所述水听器阵列采用固态阵，安装支架为框架型的稳定结构，以保证垂直方向的结构刚性，通过扫描的方式获得整个全息面的声压信息。
进一步，所述水听器阵列包括声学模块、传输电缆、阵列外壳、连接器、尾连接器、水听器支架；声学模块与传输电缆采用多芯水密电连接器连接，在电缆输出端分别对应BNC连接头；声学模块的基元采用水听器与前置放大器一体化封装，基元间距应取六分之一波长以内，基元间距可根据测量频段不同调整；阵列承力采用Φ6.5mm的kevlar绳，阵列内填充轻蜡油，阻抗与水匹配，以保证成阵前后灵敏度一致，阵列的尾连接器处有一个圆环可以连接配重，以保证水听器的垂直度；水听器采用圆管型压电陶瓷换能器，将两个极化相反的压电圆管串联构成水听器，接入前置放大器后，通过灌注聚氨酯橡胶进行密封。
进一步，所述水听器支架为分段拼装结构，每一段以碳纤维管为主体，几段碳纤维管顺次连接构成水听器支架的主体，相邻两段碳纤维管间通过挂钩相连接，碳纤维管首端法兰与扫描桁架相连接，尾端法兰用于锁紧组合好的水听器支架，阵列固定架以等间距安装在碳纤维管同侧，固定架前端有通孔，水听器阵列从通孔中穿入。
进一步，所述智能扫描装置由支撑支架、平移机构和水听器支架构成；支撑支架用于支撑平移导轨，支撑支架为变截面分段式桁架结构，各段之间为孔轴式快速插接结构，支撑支架通过高度可调万向减振地脚与船体相连；平移机构由扫描桁架、平移小车和伺服系统组成，扫描桁架一端安装水听器支架，另一端装有配重块，中间部分通过滑块安装于平移小车之上，伺服机构采用无极调速伺服电机，驱动平移小车连同扫描桁架在平移导轨上运行；水听器支架用来安装、固定水听器阵列。
进一步，所述多通道动态信号采集设备实现A/D变换、时钟、D/A测量、状态监视以及自检功能；
所述多通道动态信号采集设备主要指标如下：
数据采集器最高采样频率不低于20kHz；
数据采集器采样分辨率：不低于24位；
数据采集器连续通信速率不小于10MByteMByte/s；
数据采集器缓存不小于4GB；
在工作频带内通道之间的相位偏差小于3°，幅度偏差小于0.3dB。
进一步，所述工控机为搭载软件平台，用于试验控制、数据分析、展示；在采集过程中，对智能扫描装置进行程控，控制扫描装置沿船表进行连续式或步距式的扫描。工控机通过以太网口、串口对信号调理器、数据采集器进行程控，将经过调理、A/D变换后的数据保存到外存储器中。分析过程中，将保存的数据取出，可进行浅海环境近场声全息分析。
进一步，所述声全息分析过程，步骤如下：
设一封闭振动体位于密度为ρ、声速为c的无限域流体介质中，记表面为S，包围的区域为Di，外部区域为De(如图4所示)，则在De中声压场满足的波动方程为
其中，表示t时刻处的声压。将式(1)作Fourier变换，可得到如下形式的Helmholtz方程
式中：k＝ω/c为流体介质中自由场波数，ω为声波的角频率，方程(2)的解可表成积分形式，即声场中任一点P的声压可表示成Helmholtz积分方程形式
其中，三维空间自由场Green函数为
二维空间的Green函数为
这里是第二类零阶Hankle函数，对于光滑表面，式(3)中系数的取值为
利用表面声压与法向振速un的关系式，则有
将式(6)代入方程(3)有
上式是研究结构表面声场与外部声场相互变换的基本关系式；
利用式(7)，建立外部声压与表面声压或振速的变换关系，不仅可以实现由浅海环境近场测量重建源表面声场分布，而且还能重构整个辐射声场，为此，可以通过选取适当形式的Green函数来达到这一目的，考虑平面型声源，取Green函数具有如下形式
其中
并且(x',y',z')为源面上的坐标点，(xH,yH,zH)为源面外部的场点；
选取Green函数在S上满足Dirichlet边界条件，即取式(8)的形式之一
则式(7)的外部方程可简化为
其中“**”表示卷积，当z'＝zS时，并且,R1＝R2，则有
对方程(11)两边进行两维空间FFT变换后，式(11)在波数域内的形式为
P(kx,ky,zH)＝P(kx,ky,zS)·GD(kx,ky,d)(13)
其中，变换域的坐标对应关系为且变换对为
经推导得
由式(13)，源面S上的声压可由测量面H上声压反演获得
P(kx,ky,zs)＝P(kx,ky,zH)/GD(kx,ky,d) (16)
或者
由式(16)或式(17)通过两维FFT反变换即可求得源面声场；令
由式(15)得
上面推导表明由外部声压场可以重建源面声压场，同理也可重建浅海环境近场和远场的声压；
由全息面上测量的复声压数据可以反演得到源面上复声压和法向振速；同时，还可以进一步重建其它声学量，如位移向量、振速向量、加速度向量和声强向量等；由Euler方程
由于所以
即
当z＝zS时，将式(16)代入式(21)即可获得由测量面H上的声压重建源面S上的振速向量，位移向量、加速度向量和声强向量由下面的式子确定
除声强外，其它物理量均为复数，“*”表示取共轭，“Re”表示取实部；
利用全息分析获得的声场信息，可以进行其他专业分析，例如利用声场得到各工况条件下某型船的总辐射声功率级；
基于声强测量的声功率计算是将测量面分为N个小曲面，N为测量点数，每个曲面包含一个测量点且一一对应，则测量面的总声功率可表示为：
式中，是第k个测量点处测得的声强，Sk为第k个曲面的面积；
由声功率得到声功率级为：
式中，W0取0.67e-18。
进一步，所述多通道信号调理器主要指标如下：
系统测量通道数：64通道；
信号调理器增益范围：-25—65dB；
信号调理器滤波方式：可编程带通滤波，100Hz以下频段内可调节步长不大于20Hz；
信号调理器滤波频带：10～2kHz。
本发明目的是提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述浅海环境近场辐射噪声测量系统。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
与传统水声测量设备相比，该系统在某型船辐射噪声的测量与评估中具有很大的技术优势：
(1)可以根据浅海环境近场声压分布准确预报其他区域的各个声学量，因此一套系统一次测量可以兼顾声压、声强等测量需求；
(2)系统采用浅海环境近场测量，因此可以在满足自由场或半自由场条件的近海、港口和码头中实施，降低了实施难度，提高了可靠性，同时也降低了实施成本；
(3)声全息技术的实施条件稳定，受环境变化影响小，因此其测量的可重复性高，不同测量的数据参照性好。
(4)系统集成度高，各硬件设备通过软件平台统一程控，实现自动化测试与分析功能。
(5)系统适应性较强，灵活拆装，适用于不同船型的测量。
第二，本产品以浅海测量为应用背景，充分考虑反射的干扰，并通过算法加以规避，提高了产品在复杂环境的实用性，同时提高了可靠性和适用性。
某型船修理辐射水声测量中的常用方法有基于声压测量的远场测量技术和单水听器近场测量技术，该两种技术方案存在测量可重复性差，测量结果难以反应某型船修理前后的辐射水声相对变化，本发明可以克服传统测量方法的局限性，提供一种在常用码头环境下对某型船的辐射噪声进行测量的声全息方法，可以实现对等级修理前后某型船声隐身性能的变化进行测量和评估。
第三，浅海环境近场辐射噪声测量系统，具有以下显著的技术进步：
1)智能扫描装置：该系统具有智能扫描装置，可实现步距式和连续式平移，以完成对某型船水下辐射声场的测量。这种智能扫描装置可以根据实际需求进行动态扫描，提高声场数据的测量精度和准确性。
2)可移动的噪声检测水听器：在水听器阵列上配置部分水听器作为可移动的噪声检测水听器，可以检测海浪环境噪声，并通过自适应滤波方法消除噪声，提高声场数据的准确性和可靠性。
3)惯性测量单元与声学跟踪发射器：系统在阵列上安装惯性测量单元与声学跟踪发射器，可以通过声学跟踪系统获取空间位置信息，精确跟踪水听器阵列的位置和姿态，控制其运动和实现高质量的扫描与定位。
4)采用先进的设备：系统采用防水性好、抗干扰能力强的水听器、前置放大器和信号采集卡设备，选择防水等级达IP68的水听器，并选择电磁屏蔽性能好的电缆连接各个设备，提高系统的可靠性和稳定性。
5)光学摄像头或声学摄像头：在船只展开的电缆上安装光学摄像头或声学摄像头观察水下目标和声源，获取其空间位置信息，提高声场数据的准确性和可靠性。
6)扫描范围广泛：将水听器阵列安装在一定高度的稳定架或桅杆上，下放至不同的水深进行测量，通过船只移动或电缆展放，实现对较大范围的声场扫描，提高声场数据的测量精度和准确性。
这些显著的技术进步有助于提高该浅海环境近场辐射噪声测量系统的测量精度和准确性，以满足实际应用需求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的浅海环境近场辐射噪声测量系统的测量系统原理图；
图2是本发明实施例提供的浅海环境近场辐射噪声测量系统的测量系统示意图；
图3是本发明实施例提供的浅海环境近场辐射噪声测量系统的水听器阵列结构图；
图4是本发明实施例提供的浅海环境近场辐射噪声测量系统的扫描装置局部图；
图5是本发明实施例提供的浅海环境近场辐射噪声测量系统的声全息分析过程示意图。
图中：1、BNC连接头；2、传输电缆；3、连接器；4、轻蜡油；5、基元；6、kevlar绳；7、尾连接器；8、工控机；9、扫描轨迹；10、阵列配重；11、水听器阵列；12、参考水听器。
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。
图1是测量系统原理图，图2是测量系统示意图，如图1、2所示，某型船中机械设备开启时，产生的机械振动传递到船表面，引起船表面的振动，向周围的水介质中辐射声波，形成水下声场。
水听器阵列11对某型船附近一个平面进行扫描，获得扫描平面上的声场数据，这些数据经由信号调理器进行放大、滤波，发送到数据采集器的各个通道，软件系统获取数据采集器搜集的数据，并保存到工控机8的外部存储器中。
作为本发明实施例的一个优化方案，是本发明实施例提供的浅海环境近场辐射噪声测量系统包括：
1)在水听器阵列上配置部分水听器作为可移动的噪声检测水听器，通过它们检测海浪等环境噪声，然后通过自适应滤波等方法消除这些噪声，提高系统的SNR。
2)在水听器阵列中设置较高密度的水听器，例如在1米内设置4-6个水听器，以获取高分辨率的声场数据。同时，在系统中集成声速剖面测量装置，获取精确的声速垂直剖面数据，用于修正和校准。
3)采用惯性与声学相结合的定位方法对水听器阵列的位置和姿态进行精确跟踪，控制其运动和实现高质量的扫描与定位。例如在阵列上安装惯性测量单元与声学跟踪发射器，通过声学跟踪系统获取其空间位置信息。
4)选用防水性好、抗干扰能力强的水听器、前置放大器和信号采集卡等设备。例如选择防水等级达IP68的水听器，并选择电磁屏蔽性能好的电缆连接各个设备。
5)在船只展开的电缆上安装光学摄像头或声学摄像头(SONAR)，观察水下目标和声源，获取其空间位置信息。这些信息与声场测量结果相结合，可以提高定位的精度。
6)将水听器阵列安装在一定高度的稳定架或桅杆上，使其不直接受海浪影响，但也方便下放至不同的水深进行测量。通过船只移动或电缆展放，实现对较大范围的声场扫描。
本发明所述的用于某型船浅海环境近场声全息测量的辐射噪声测量系统，具体组成及功能如下：
图3为水听器阵列结构示意图。附图标记与技术名称：BNC连接头1，传输电缆2，连接器3，轻蜡油4，基元5，kevlar绳6，尾连接器7。水听器阵列11通过支架固定在扫描桁架上，水听器阵列11主要包括声学模块和传输电缆2两大部分。其中传输电缆2满足耐水压要求、承重要求及信号传输要求，输出端对应BNC连接头1。每个基元5采用水听器与前置放大器一体化封装。声学模块通过多芯水密电连接器3与传输电缆2相连，信号为单端输入、单端输出。
参考水听器12固定在某型船附近，在声全息扫描过程中，扫描架到位时，在记录全息阵列中水听器信号的同时记录参考水听器12信号。使用每个扫描位置的测试数据与参考水听器12数据计算互谱，获得各扫描点信号与参考信号之间的相位差作为扫描点的复声压相位，最终获得全息面上的复声压分布。
扫描装置为某型船水下辐射噪声场的测量提供支撑及动态扫描功能。该装置可装载水听器阵列11，实现步距式和连续式平移，完成对某型船水下辐射声场的测量。
图4是扫描装置局部图。扫描装置由支撑支架、导轨、扫描桁架、平移小车、伺服传动机构、导向机构、限位保护装置、水听器支架及配重块等部分构成。支撑支架直接坐落于某型船上；导轨通过过渡板与支撑支架可靠联接；扫描桁架一端安装水听器支架和水听器，另一端装有配重块，中间部分通过滑块安装于平移小车之上。扫描桁架通过伺服传动机构驱动，在保证扫描位置精度的同时，确保扫描桁架位置不会在阻力干扰下发生不正常变化。
信号调理器用于信号的放大、滤波，输入端直接与水听器连接，接收水听器获得的水声信号，输出端连接数据采集器，将调理后的信号送入数据采集器。信号调理器主要指标如下：
系统测量通道数：64通道；
信号调理器增益范围：-25—65dB；
信号调理器滤波方式：可编程带通滤波，100Hz以下频段内可调节步长不大于20Hz；
信号调理器滤波频带：10～2kHz；
数据采集器
提供高性能的多通道数据采集，包括A/D变换、时钟、D/A测量、状态监视以及自检功能。数据采集器输入端连接信号调理器，接收调理后的模拟信号，经过A/D变换，通过数据总线将数据传送至工控机8。数据采集器主要指标如下：
数据采集器最高采样频率不低于20kHz；
数据采集器采样分辨率：不低于24位；
数据采集器连续通信速率不小于10MByteMByte/s；
数据采集器缓存不小于4GB；
在工作频带内通道之间的相位偏差小于3°，幅度偏差小于0.3dB；
工控机8
工控机8用于搭载软件平台，用于试验控制、数据分析、展示等。在采集过程中，对智能扫描装置进行程控，控制扫描装置沿船表进行连续式或步距式的扫描。工控机8通过以太网口、串口对信号调理器、数据采集器进行程控，将经过调理、A/D变换后的数据保存到外存储器中。分析过程中，将保存的数据取出，可进行浅海环境近场声全息分析。
图5是声全息分析过程示意图，步骤如下：
设一封闭振动体位于密度为ρ、声速为c的无限域流体介质中，记表面为S，包围的区域为Di，外部区域为De(如图4所示)，则在De中声压场满足的波动方程为
将式(1)作Fourier变换，可得到如下形式的Helmholtz方程
式中：k＝ω/c为流体介质中自由场波数，ω为声波的角频率。方程(2)的解可表成积分形式，即声场中任一点P的声压可表示成Helmholtz积分方程形式
其中，三维空间自由场Green函数为
二维空间的Green函数为
这里是第二类零阶Hankle函数，对于光滑表面，式(3)中系数的取值为
利用表面声压与法向振速的关系式，则有
将式(6)代入方程(3)有
上式是研究结构表面声场与外部声场相互变换的基本关系式。
利用式(7)，建立外部声压与表面声压或振速的变换关系，不仅可以实现由浅海环境近场测量重建源表面声场分布，而且还能重构整个辐射声场。为此，可以通过选取适当形式的Green函数来达到这一目的。考虑平面型声源，取Green函数具有如下形式
其中
并且(x',y',z')为源面上的坐标点，(xH,yH,zH)为源面外部的场点。
选取Green函数在S上满足Dirichlet边界条件，即取式(8)的形式之一
则式(7)的外部方程可简化为
其中“**”表示卷积，当z'＝zS时，并且,R1＝R2，则有
对方程(11)两边进行两维空间FFT变换后，式(11)在波数域内的形式为
P(kx,ky,zH)＝P(kx,ky,zS)·GD(kx,ky,d) (13)
其中，变换域的坐标对应关系为且变换对为
经推导得
由式(13)，源面S上的声压可由测量面H上声压反演获得
P(kx,ky,zs)＝P(kx,ky,zH)/GD(kx,ky,d) (16)
由式(16)或式(17)通过两维FFT反变换即可求得源面声场。令
由式(15)得
上面推导表明由外部声压场可以重建源面声压场，同理也可重建浅海环境近场和远场的声压。
由全息面上测量的复声压数据可以反演得到源面上复声压和法向振速。同时，还可以进一步重建其它声学量，如位移向量、振速向量、加速度向量和声强向量等。由Euler方程
由于所以
即
当z＝zS时，将式(16)代入式(21)即可获得由测量面H上的声压重建源面S上的振速向量，位移向量、加速度向量和声强向量由下面的式子确定
除声强外，其它物理量均为复数，“*”表示取共轭，“Re”表示取实部。
利用全息分析获得的声场信息，可以进行其他专业分析，例如利用声场得到各工况条件下某型船的总辐射声功率级。
基于声强测量的声功率计算是将测量面分为N个小曲面，N为测量点数，每个曲面包含一个测量点且一一对应，则测量面的总声功率可表示为：
式中，是第k个测量点处测得的声强，Sk为第k个曲面的面积。
由声功率得到声功率级为：
式中，W0取0.67e-18。
本发明实施例的两个具体实施例为：
实施例1：
本实施例涉及的是一种浅海环境近场辐射噪声测量系统。系统的核心组件包括水听器阵列11、参考水听器12、智能扫描装置、多通道信号调理器、多通道动态信号采集设备以及工控机8。
水听器阵列11被安装在智能扫描装置上，通过该装置对附近的一个平面进行扫描，以获取扫描平面的声场数据。参考水听器12被固定在某型船表面附近，在声全息测量过程中，为扫描到的信号提供参考相位信息。
扫描得到的声场数据经过多通道信号调理器进行放大和滤波处理后，被发送到多通道动态信号采集设备的各个通道中。工控机8获取多通道动态信号采集设备搜集的数据，并进行处理，从而获取到某型船的水下辐射噪声信息。
通过这个系统，对某型船的水下辐射噪声进行精确测量和分析，从而评估其声学性能，为修理前后的声学性能对比提供数据支持。
实施例2：
本实施例是在实施例1的基础上，对水听器阵列11进行了改进。水听器阵列11采用固态阵，安装支架为框架型的稳定结构，以保证垂直方向的结构刚性。
固态阵列水听器在智能扫描装置的帮助下进行扫描，通过扫描的方式获得整个全息面的声压信息。参考水听器12继续为扫描到的信号提供参考相位信息。
扫描得到的声场数据经过多通道信号调理器进行放大和滤波处理后，被发送到多通道动态信号采集设备的各个通道中。工控机8获取并处理这些数据，得出某型船的水下辐射噪声信息。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
本发明充分考虑了实际工作情况，硬件方面具备方便运输、安装、测试、拆卸等优点，软件方面采用成熟可靠的算法，且充分考虑了浅海反射的影响，选用合适的格林函数，进行求解。比起传统采用线阵进行测量的方法，更加高效、准确。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种浅海环境近场辐射噪声测量系统，其特征在于，包括：
水听器阵列、参考水听器、智能扫描装置、多通道信号调理器、多通道动态信号采集设备、工控机；
所述水听器阵列对其附近的一个平面进行扫描，获得扫描平面的声场数据；
所述智能扫描装置为某型船水下辐射噪声场的测量提供支撑及动态扫描，装载水听器阵列，实现步距式和连续式平移，完成对某型船水下辐射声场的测量；
所述参考水听器固定在某型船表面附近，在声全息测量过程中为扫描到的信号提供参考相位信息；
这些数据经由多通道信号调理器放大、滤波，发送到多通道动态信号采集设备的各个通道，工控机获取多通道动态信号采集设备搜集的数据，并进行处理。
2.根据权利要求1所述的浅海环境近场辐射噪声测量系统，其特征在于，在水听器阵列上配置部分水听器作为可移动的噪声检测水听器,通过它们检测海浪环境噪声,然后通过自适应滤波方法消除噪声；
在水听器阵列中设置较高密度的水听器,；同时,在系统中集成声速剖面测量装置,获取精确的声速垂直剖面数据,用于修正和校准；
采用惯性与声学相结合的定位方法对水听器阵列的位置和姿态进行精确跟踪,控制其运动和实现高质量的扫描与定位；在阵列上安装惯性测量单元与声学跟踪发射器,通过声学跟踪系统获取其空间位置信息；
选用防水性好、抗干扰能力强的水听器、前置放大器和信号采集卡设备；选择防水等级达IP68的水听器,并选择电磁屏蔽性能好的电缆连接各个设备；
在船只展开的电缆上安装光学摄像头或声学摄像头观察水下目标和声源,获取其空间位置信息；
将水听器阵列安装在一定高度的稳定架或桅杆上，下放至不同的水深进行测量；通过船只移动或电缆展放,实现对较大范围的声场扫描。
3.根据权利要求1所述的浅海环境近场辐射噪声测量系统，其特征在于，所述水听器阵列采用固态阵，安装支架为框架型的稳定结构，以保证垂直方向的结构刚性，通过扫描的方式获得整个全息面的声压信息；
所述水听器阵列包括声学模块、传输电缆、阵列外壳、连接器、尾连接器、水听器支架；声学模块与传输电缆采用多芯水密电连接器连接，在电缆输出端分别对应BNC连接头；声学模块的基元采用水听器与前置放大器一体化封装，基元间距应取六分之一波长以内，基元间距可根据测量频段不同调整；阵列承力采用Φ6.5mm的kevlar绳，阵列内填充轻蜡油，阻抗与水匹配，以保证成阵前后灵敏度一致，阵列的尾连接器处有一个圆环可以连接配重，以保证水听器的垂直度；水听器采用圆管型压电陶瓷换能器，将两个极化相反的压电圆管串联构成水听器，接入前置放大器后，通过灌注聚氨酯橡胶进行密封。
4.根据权利要求3所述的浅海环境近场辐射噪声测量系统，其特征在于，所述水听器支架为分段拼装结构，每一段以碳纤维管为主体，几段碳纤维管顺次连接构成水听器支架的主体，相邻两段碳纤维管间通过挂钩相连接，碳纤维管首端法兰与扫描桁架相连接，尾端法兰用于锁紧组合好的水听器支架，阵列固定架以等间距安装在碳纤维管同侧，固定架前端有通孔，水听器阵列从通孔中穿入。
5.根据权利要求1所述的浅海环境近场辐射噪声测量系统，其特征在于，所述智能扫描装置由支撑支架、平移机构和水听器支架构成；支撑支架用于支撑平移导轨，支撑支架为变截面分段式桁架结构，各段之间为孔轴式快速插接结构，支撑支架通过高度可调万向减振地脚与船体相连；平移机构由扫描桁架、平移小车和伺服系统组成，扫描桁架一端安装水听器支架，另一端装有配重块，中间部分通过滑块安装于平移小车之上，伺服机构采用无极调速伺服电机，驱动平移小车连同扫描桁架在平移导轨上运行；水听器支架用来安装、固定水听器阵列。
6.根据权利要求1所述的浅海环境近场辐射噪声测量系统，其特征在于，所述多通道动态信号采集设备实现A/D变换、时钟、D/A测量、状态监视以及自检功能；
所述多通道动态信号采集设备主要指标如下：
数据采集器最高采样频率不低于20kHz；
数据采集器采样分辨率：不低于24位；
数据采集器连续通信速率不小于10MByteMByte/s；
数据采集器缓存不小于4GB；
在工作频带内通道之间的相位偏差小于3°，幅度偏差小于0.3dB。
7.根据权利要求1所述的浅海环境近场辐射噪声测量系统，其特征在于，所述工控机为搭载软件平台，用于试验控制、数据分析、展示；在采集过程中，对智能扫描装置进行程控，控制扫描装置沿船表进行连续式或步距式的扫描；工控机通过以太网口、串口对信号调理器、数据采集器进行程控，将经过调理、A/D变换后的数据保存到外存储器中，分析过程中，将保存的数据取出，可进行浅海环境近场声全息分析。
8.根据权利要求1所述的浅海环境近场辐射噪声测量系统，其特征在于，所述声全息分析过程，步骤如下：
设一封闭振动体位于密度为ρ、声速为c的无限域流体介质中，记表面为S，包围的区域为Di，外部区域为De(如图4所示)，则在De中声压场满足的波动方程为
将式(1)作Fourier变换，可得到如下形式的Helmholtz方程
式中：k＝ω/c为流体介质中自由场波数，ω为声波的角频率，方程(2)的解可表成积分形式，即声场中任一点P的声压可表示成Helmholtz积分方程形式
其中，三维空间自由场Green函数为
二维空间的Green函数为
这里是第二类零阶Hankle函数，对于光滑表面，式(3)中系数的取值为
利用表面声压与法向振速的关系式，则有
将式(6)代入方程(3)有
上式是研究结构表面声场与外部声场相互变换的基本关系式；
利用式(7)，建立外部声压与表面声压或振速的变换关系，不仅可以实现由浅海环境近场测量重建源表面声场分布，而且还能重构整个辐射声场，为此，可以通过选取适当形式的Green函数来达到这一目的，考虑平面型声源，取Green函数具有如下形式
其中
并且(x',y',z')为源面上的坐标点，(xH,yH,zH)为源面外部的场点；
选取Green函数在S上满足Dirichlet边界条件，即取式(8)的形式之一
则式(7)的外部方程可简化为
其中“**”表示卷积，当z'＝zS时，并且,R1＝R2，则有
对方程(11)两边进行两维空间FFT变换后，式(11)在波数域内的形式为
P(kx,ky,zH)＝P(kx,ky,zS)·GD(kx,ky,d) (13)
其中，变换域的坐标对应关系为且变换对为
经推导得
由式(13)，源面S上的声压可由测量面H上声压反演获得
P(kx,ky,zs)＝P(kx,ky,zH)/GD(kx,ky,d) (16)
或者
由式(16)或式(17)通过两维FFT反变换即可求得源面声场；令
由式(15)得
上面推导表明由外部声压场可以重建源面声压场，同理也可重建浅海环境近场和远场的声压；
由全息面上测量的复声压数据可以反演得到源面上复声压和法向振速；同时，还可以进一步重建其它声学量，如位移向量、振速向量、加速度向量和声强向量；由Euler方程
由于所以
即
当z＝zS时，将式(16)代入式(21)即可获得由测量面H上的声压重建源面S上的振速向量，位移向量、加速度向量和声强向量由下面的式子确定
除声强外，其它物理量均为复数，“*”表示取共轭，“Re”表示取实部；
利用全息分析获得的声场信息，可以进行其他专业分析，例如利用声场得到各工况条件下某型船的总辐射声功率级；
基于声强测量的声功率计算是将测量面分为N个小曲面，N为测量点数，每个曲面包含一个测量点且一一对应，则测量面的总声功率可表示为：
式中，是第k个测量点处测得的声强，Sk为第k个曲面的面积；
由声功率得到声功率级为：
式中，W0取0.67e-18。
9.根据权利要求1所述的浅海环境近场辐射噪声测量系统，其特征在于，所述多通道信号调理器主要指标如下：
系统测量通道数：64通道；
信号调理器增益范围：-25—65dB；
信号调理器滤波方式：可编程带通滤波，100Hz以下频段内可调节步长不大于20Hz；
信号调理器滤波频带：10～2kHz。
10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求1-9所述浅海环境近场辐射噪声测量系统。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310909059.1A CN116952355B (zh) | 2023-07-24 | 2023-07-24 | 一种浅海环境近场辐射噪声测量系统及终端 |
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| CN202310909059.1A CN116952355B (zh) | 2023-07-24 | 2023-07-24 | 一种浅海环境近场辐射噪声测量系统及终端 |
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| CN116952355A true CN116952355A (zh) | 2023-10-27 |
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| CN202310909059.1A Active CN116952355B (zh) | 2023-07-24 | 2023-07-24 | 一种浅海环境近场辐射噪声测量系统及终端 |
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|---|---|---|---|---|
| CN116956374A (zh) * | 2023-07-24 | 2023-10-27 | 中国人民解放军海军工程大学 | 一种用于浅海环境近场辐射噪声测量的集成水听器阵列 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116952355B (zh) | 2024-05-14 |
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