CN117309126B - 一种消除浅海环境水面反射的近场辐射噪声测量方法 - Google Patents
一种消除浅海环境水面反射的近场辐射噪声测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117309126B CN117309126B CN202310913931.XA CN202310913931A CN117309126B CN 117309126 B CN117309126 B CN 117309126B CN 202310913931 A CN202310913931 A CN 202310913931A CN 117309126 B CN117309126 B CN 117309126B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- field
- holographic
- sound
- sound pressure
- measurement
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 43
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 39
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 56
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 51
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 28
- 238000004613 tight binding model Methods 0.000 claims description 18
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 17
- 230000001629 suppression Effects 0.000 claims description 11
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 6
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 6
- 238000011426 transformation method Methods 0.000 claims description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 5
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 3
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 claims description 3
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 claims description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 2
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 claims 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000003491 array Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 description 2
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 2
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
- G06F17/10—Complex mathematical operations
- G06F17/14—Fourier, Walsh or analogous domain transformations, e.g. Laplace, Hilbert, Karhunen-Loeve, transforms
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
- B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING
- B63B71/00—Designing vessels; Predicting their performance
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H3/00—Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
- G01M99/005—Testing of complete machines, e.g. washing-machines or mobile phones
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
- G06F17/10—Complex mathematical operations
- G06F17/11—Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/30—Assessment of water resources
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Databases & Information Systems (AREA)
- Software Systems (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Algebra (AREA)
- Operations Research (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Ocean & Marine Engineering (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本发明属于水声测量技术领域，涉及一种消除浅海环境水面反射的某型船近场辐射噪声测量方法，该方法包括以下步骤：(1)在某型船处于浅海环境系泊状态时，取某型船附近的一个平面作为全息面，对全息面上每个测点的复声压进行全息采样、放大处理；(2)据镜像法原理，对测得的全息面复声压数据进行扩展，形成新的全息面；(3)基于于声全息方法进行声场重构；(4)对重建结果进行处理，将扩展部分数据直接去掉，获得水面以下的声场重构结果。本发明消除了水面反射对近场声全息分析结果的影响，从而拓宽了近场声全息测量分析的适用条件。
Description
技术领域
本发明属于水声测量技术领域，尤其涉及一种消除浅海环境水面反射的近场辐射噪声测量方法。
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，从而为某型船修理的振动噪声控制工作提供客观的指导。
目前用于某型船辐射噪声测量方式主要有以下几种：
(1)基于声压测量技术，对某型船进行远场辐射噪声测量。
(2)采用单水听器在近场测量某型船的辐射噪声。
(3)基于声全息技术的近场水声测量。
其中，基于声全息技术的近场测量方式与其他测量方式相比，具有实施条件稳定，受环境变化影响小、测量的可重复性高，不同测量的数据参照性好的特点。因此，更适用于某型船辐射噪声的测量。
在码头系泊条件下某型船辐射噪声测量中，基于近场声全息技术虽然可以克服传统测量方法对资金、时间、人力、物力要求高的缺点，但是，由于水深的限制，水面反射的影响较为明显。直接测量的声场中既包括直达波成分，也包括反射波成分，直接利用叠加后的声场做全息变换，会导致某型船表面噪声源的定位不够精确。从目前的条件来看，在系泊状态某型船辐射噪声测量过程中，水面反射是提高测量精度和可重复性的主要障碍。
综上所述，现有技术存在的问题和缺陷为：
(1)现有的基于声压的测量技术需要测量条件非常稳定，否则测量结果可能会受到环境变化的影响，如海流、风力和船只运动等。
(2)现有的使用单水听器近场测量的测量结果会受到许多因素的影响，比如距离噪声源的位置、水流、船体的移动等。这也可能导致测量结果的重复性不高。
(3)现有的基于声全息技术的近场测量方法在浅水或者船只系泊的情况下，水面反射的影响可能会导致测量结果的偏差。特别是在水深有限的码头，这种反射的影响更为明显，会导致声源定位的精度下降。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种消除浅海环境水面反射的近场辐射噪声测量方法。
本发明是这样实现的，一种消除浅海环境水面反射的近场辐射噪声测量方法，该方法包括以下步骤：
(1)在某型船处于系泊状态时，取某型船附近的一个平面作为全息面，对全息面上每个测点的复声压进行全息采样、放大处理；
(2)根据镜像法原理，对测得的全息面复声压数据进行扩展，形成新的全息面，扩展的全息面与原全息面关于介质分界面空间对称；
(3)采用声全息变换方法进行声场重构；
(4)对重建结果进行处理，将扩展部分数据直接去掉，获得水面以下的声场重构结果。
进一步，所述步骤(2)中镜像法，基本方法如下：
在自由场中，代表声势的函数ψ在介质中满足波动方程
表示拉普拉斯算子，k表示波数，ψ表示声势的函数，其中，/>
若介质存在分界面，即半自由声场，且分界面为全反射，则在界面上其势函数满足以下边界条件
进一步，所述步骤(2)具体包括：
S为位于介质分界面下方的声源，假设界面另一侧存在一个与实际声源关于界面对称的虚拟声源S’，P为介质下方空间任意测量点，其声场为实际声源和其对应虚声源所产生的声场的叠加，即用经过界面上的镜反射所得到的虚源的场来补充原有声源的场，则合成场为：
其中，Ri为实际声源S到测量点P的距离，Rr为虚声源S’到测量点P的距离；
由上述原理，由于半空间中测得的声压为入射声压与反射声压的合成，而声压是标量，一次重建时很难直接将全息面上的声源直达声压分离出来，不能简单地用常规的声全息公式来直接重建声源表面信息，在全息分析时，需考虑到半空间声场的特点；
在处理半空间中声全息问题的时候，可以将测得的界面一侧数据根据界面特性(绝对软界面、绝对硬界面或阻抗界面)扩展到界面另一侧，以形成新的扩展全息面，扩展的全息面与原全息面关于介质分界面空间对称。
进一步，所述声全息变换基本方法如下：
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，则在De中声压场满足的波动方程为
将式(3)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(4)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(5)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(8)代入方程(5)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；
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(10)的形式之一
则式(9)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(13)两边进行两维空间FFT变换后，式(13)在波数域内的形式为
P(kx,ky,zH)＝P(kx,ky,zS)·GD(kx,ky,d) (15)
其中，变换域的坐标对应关系为且变换对为
经推导得
由式(15)，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) (18)
或者
由式(18)或式(19)通过两维FFT反变换即可求得源面声场；
由式(17)得
上面推导表明由外部声压场可以重建源面声压场，同理也可重建近场和远场的声压。
进一步，所述步骤(3)包括以下步骤：
(1)设定分析频率、变换距离；对测得的全息面复声压数据进行频谱分析，取出分析频率对应的复声压结果，获得全息面空间复声压分布；
(2)对全息面空间复声压分布进行二维傅里叶变换，获得波数域结果；
(3)根据不同的边界条件选取适当的Green函数作为传递函数，获得反演面的波数域复声压分布；
(4)将以上结果进行傅里叶逆变换，最终获得反演面的空间复声压分布。
进一步，所述步骤(1)测量得到的信号经过噪声抑制处理，针对浅海环境中的噪声设计Wiener滤波器，通过优化输入信号的功率谱密度和噪声的功率谱密度之比，进行噪声抑制。具体包括：
在浅海环境中，利用水下声测量设备采集水下声全息信号。在采集过程中，要确保传感器阵列的准确布局和稳定性，以确保有效地捕捉到目标信号。采集到的信号首先经过预处理，模拟信号转换为数字信号、滤除非目标频段的噪声；
分析浅海环境中的信号和噪声特性，包括多径传播、海底反射等因素。针对这些特性，设计适用于浅海环境的Wiener滤波器；具体方法包括确定信号和噪声的功率谱密度函数、计算Wiener滤波器的传递函数、确定滤波器的阶数；
将采集到的信号输入到设计好的Wiener滤波器中，滤波器将根据输入信号的功率谱密度和噪声的功率谱密度之比进行噪声抑制处理，同时保留信号中的有用信息，输出的信号将具有较低的噪声水平，为后续的近场辐射噪声测量提供更准确的数据；
对经过噪声抑制处理的信号进行近场辐射噪声测量，根据信号在水下传播过程中的衰减规律、传感器阵列的几何布局因素，计算出信号在各个距离上的辐射噪声水平。通过对比不同距离上的噪声水平，可以评估近场辐射噪声的分布特性和影响范围；
对测量结果进行分析，总结近场辐射噪声的特征和规律。对Wiener滤波器和测量方法进行进一步优化，以提高测量精度和效果。同时，将测量结果与实际应用场景相结合，为水下声全息技术的研究和应用提供有价值的参考数据。
本发明另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述消除浅海环境水面反射的近场辐射噪声测量方法的步骤。
本发明另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述消除浅海环境水面反射的近场辐射噪声测量方法的步骤。
本发明另一目的在于提供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所述消除浅海环境水面反射的近场辐射噪声测量方法的步骤。
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、在浅海环境某型船近场声全息测量中，能够有效克服水面反射带来的干扰，提高测量的精度和可重复性。
本发明的目的是提出一种水声测量方法，可使某型船在浅海环境码头系泊条件下实现近场声全息测量，并且测量结果能够有效克服水面反射带来的干扰，从而放宽了近场声全息技术对声场边界条件的要求，提高了近场声全息技术在某型船水声测量工作中的适应性。
第二，本发明可使某型船在码头系泊条件下实现近场声全息测量，克服传统测量方法对资金、时间、人力、物力要求高的特点，且可有效克服水面反射带来的干扰，从而放宽了近场声全息技术对声场边界条件的要求，提高了近场声全息在某型船水声测量工作中的适应性。
第三，本发明提供的消除浅海环境水面反射的近场辐射噪声测量方法的每个步骤具有以下显著的技术进步：
1.全息采样、放大处理：该方法采用声全息技术，对某型船附近的一个平面进行全息采样、放大处理，获取水下声场的复声压数据。相比传统的声场测量方法，该方法不需要使用多个水听器阵列布设在不同位置，而是通过全息采样和放大处理，获得高质量的声场数据。
2.镜像法扩展全息面：根据镜像法原理，对测得的全息面复声压数据进行扩展，形成新的全息面，扩展的全息面与原全息面关于介质分界面空间对称。这种方法可以有效消除水面反射对声场测量的影响，提高声场数据的准确性和精度。
3.基于声全息变换的声场重构：采用声全息变换方法进行声场重构，可以还原水下声场的真实分布情况。相比传统的声场重构方法，该方法不需要对每个水听器采集的声压信号进行处理和组合，而是利用全息采样得到的复声压数据，通过声全息变换重构出水下声场的分布。
4.基于Wiener滤波器的噪声抑制处理：在测量得到的信号经过噪声抑制处理时，采用了基于Wiener滤波器的方法。该方法根据信号和噪声的功率谱密度之比，对输入信号进行噪声抑制处理，同时保留信号中的有用信息，输出的信号具有较低的噪声水平。这种方法可以有效提高测量数据的准确性和可靠性。
这些显著的技术进步有助于提高该消除浅海环境水面反射的近场辐射噪声测量方法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镜像法原理示意图；
图2是本发明实施例提供的半空间全息变换示意图；
图3是本发明实施例提供的结构辐射问题示意图；
图4是本发明实施例提供的半空间全息变换效果图。
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。
本发明实施例提供一种消除浅海环境水面反射的某型船近场辐射噪声测量方法，验证实例执行步骤如下：
(1)对全息面上每个测量点的复声压进行全息采样、放大处理。
在某型船处于浅海环境系泊状态时，取某型船附近的一个平面作为全息面，对全息面上每个测点的复声压进行测量。
(2)根据镜像法原理，对测得的全息面复声压数据进行扩展，形成新的全息面。
处理半空间声场问题常用的方法是镜像法，基本方法如下：
在自由场中，代表声势的函数ψ在介质中满足波动方程
其中，
若介质存在分界面，即半自由声场，且分界面为全反射，则在界面上其势函数满足以下边界条件
如图1所示，S为位于介质分界面下方的声源，假设界面另一侧存在一个与实际声源关于界面对称的虚拟声源S’，P为介质下方空间任意测量点，其声场为实际声源和其对应虚声源所产生的声场的叠加。即用经过界面上的镜反射所得到的虚源的场来补充原有声源的场，则合成场为：
其中，Ri为实际声源S到测量点P的距离，Rr为虚声源S’到测量点P的距离。
由上述原理，由于半空间中测得的声压为入射声压与反射声压的合成，而声压是标量，一次重建时很难直接将全息面上的声源直达声压分离出来，不能简单地用常规的声全息公式来直接重建声源表面信息。在全息分析时，需考虑到半空间声场的特点。
在处理半空间中声全息问题的时候，可以将测得的界面一侧数据根据界面特性(绝对软界面、绝对硬界面或阻抗界面)扩展到界面另一侧，以形成新的扩展全息面，扩展的全息面与原全息面关于介质分界面空间对称。如附图2所示。
(3)基于声全息方法的声场重构全息变换基本方法如下：
如图3所示，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，则在De中声压场满足的波动方程为
将式(3)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(4)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(5)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(8)代入方程(5)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(9)，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(10)的形式之一
则式(9)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(13)两边进行两维空间FFT变换后，式(13)在波数域内的形式为
P(kx,ky,zH)＝P(kx,ky,zS)·GD(kx,ky,d) (15)
其中，变换域的坐标对应关系为且变换对为
经推导得
由式(15)，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) (18)
或者
由式(18)或式(19)通过两维FFT反变换即可求得源面声场。
由式(17)得
上面推导表明由外部声压场可以重建源面声压场，同理也可重建近场和远场的声压。
根据上述原理，使用步骤(2)中扩展后的全息面进行近场声全息变换，步骤如下：
设定分析频率、变换距离；
对测得的全息面复声压数据进行频谱分析，取出分析频率对应的复声压结果，获得全息面空间复声压分布；
利用式(16a)对全息面空间复声压分布进行二维傅里叶变换，获得波数域结果；
根据式(18)、(19)根据不同的边界条件选取适当的Green函数作为传递函数，获得反演面的波数域复声压分布；
根据式(16b)对反演面波数域复声压分布进行二维傅里叶反变换，获得反演面空间复声压数据。
(4)对重建结果处理，去掉扩展部分数据，获得水面以下的声场重构结果。
步骤(3)中声全息反演面仍然在空间上关于水面对称，因而，只需将反演面中水面以上的部分直接去掉，即可获得水面以下的变换结果。半空间全息变换效果如图4所示。
本发明实施例的两个具体实施例为：
实施例1：
在全息面上采样复声压，然后利用镜像法原理创建一个扩展的全息面。这个扩展的全息面包含了原始全息面和一个与水面对称的虚拟全息面，虚拟全息面代表了声源的反射部分。然后，通过声全息变换方法对扩展的全息面进行声场重构。最后，删除扩展部分的数据，只保留水面以下的声场重构结果。
利用镜像法原理创建虚拟声源。在实现过程中，我们首先在全息面上进行声压采样，并通过对这些数据的扩展创建了一个新的全息面。这个新的全息面包含了原全息面以及一个反射的虚拟全息面。虚拟全息面代表了原始声源在水面的反射部分。然后我们利用声全息变换方法对这个新的全息面进行声场重构。由于虚拟全息面和原全息面是对称的，重构的声场包含了直接的声场和反射的声场。最后，我们删除虚拟全息面，只保留水面以下的声场重构结果。这样，我们就得到了一个无水面反射影响的声场重构结果。
实施例2：
创建扩展全息面并进行声场重构，然后通过复声压数据分析来提取出直达声压，从而进一步提高噪声源定位的精度。
利用复声压数据分析来提取出直达声压。这个过程在实施例1的基础上进行。首先，我们通过镜像法原理创建扩展全息面并进行声场重构。然后，我们使用复声压数据分析来提取出直达声压。由于声压是标量，通过这个分析我们可以直接得到全息面上的声源直达声压，这就避免了在常规的声全息公式中需要将直达声压和反射声压进行分离的问题。
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。
在测量过程中，如果不考虑反射声波的影响，直接将测试环境视为自由声场，会导致将直达声波与反射声波均视为直达声波，从而导致对测量结果产生较大干扰。而通过本技术方案，充分考虑反射声波对测量的影响，可以减小测量误差，提高测量精度。
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 (9)
1.一种消除浅海环境水面反射的近场辐射噪声测量方法，其特征在于，包括以：
(1)在某型船处于系泊状态时，取某型船附近的一个平面作为全息面，对全息面上每个测点的复声压进行全息采样、放大处理；
(2)根据镜像法原理，对测得的全息面复声压数据进行扩展，形成新的全息面，扩展的全息面与原全息面关于介质分界面空间对称；
(3)采用声全息变换方法进行声场重构；
(4)对重建结果进行处理，将扩展部分数据直接去掉，获得水面以下的声场重构结果；
所述步骤(1)测量得到的信号经过噪声抑制处理，针对浅海环境中的噪声设计Wiener滤波器，通过优化输入信号的功率谱密度和噪声的功率谱密度之比，进行噪声抑制;具体包括：
在浅海环境中，利用水下声测量设备采集水下声全息信号;在采集过程中，要确保传感器阵列的准确布局和稳定性，以确保有效地捕捉到目标信号;采集到的信号首先经过预处理，模拟信号转换为数字信号、滤除非目标频段的噪声；
分析浅海环境中的信号和噪声特性，包括多径传播、海底反射等因素;针对这些特性，设计适用于浅海环境的Wiener滤波器;具体方法包括确定信号和噪声的功率谱密度函数、计算Wiener滤波器的传递函数、确定滤波器的阶数；
将采集到的信号输入到设计好的Wiener滤波器中，滤波器将根据输入信号的功率谱密度和噪声的功率谱密度之比进行噪声抑制处理，同时保留信号中的有用信息，输出的信号将具有较低的噪声水平，为后续的近场辐射噪声测量提供更准确的数据；
对经过噪声抑制处理的信号进行近场辐射噪声测量，根据信号在水下传播过程中的衰减规律、传感器阵列的几何布局因素，计算出信号在各个距离上的辐射噪声水平;通过对比不同距离上的噪声水平，可以评估近场辐射噪声的分布特性和影响范围；
对测量结果进行分析，总结近场辐射噪声的特征和规律;对Wiener滤波器和测量方法进行进一步优化，以提高测量精度和效果;同时，将测量结果与实际应用场景相结合，为水下声全息技术的研究和应用提供有价值的参考数据。
2.根据权利要求1所述的消除浅海环境水面反射的近场辐射噪声测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中镜像法，基本方法如下：
在自由场中，代表声势的函数ψ在介质中满足波动方程
其中，
若介质存在分界面，即半自由声场，且分界面为全反射，则在界面上其势函数满足以下边界条件
3.根据权利要求1所述的消除浅海环境水面反射的近场辐射噪声测量方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：
S为位于介质分界面下方的声源，假设界面另一侧存在一个与实际声源关于界面对称的虚拟声源S’，P为介质下方空间任意测量点，其声场为实际声源和其对应虚声源所产生的声场的叠加，即用经过界面上的镜反射所得到的虚源的场来补充原有声源的场，则合成场为：
其中，Ri为实际声源S到测量点P的距离，Rr为虚声源S’到测量点P的距离。
4.根据权利要求1所述的消除浅海环境水面反射的近场辐射噪声测量方法，其特征在于，所述步骤(2)由于半空间中测得的声压为入射声压与反射声压的合成，而声压是标量，一次重建时很难直接将全息面上的声源直达声压分离出来，不能简单地用常规的声全息公式来直接重建声源表面信息，在全息分析时，需考虑到半空间声场的特点；
在处理半空间中声全息问题的时候，可以将测得的界面一侧数据根据界面特性(绝对软界面、绝对硬界面或阻抗界面)扩展到界面另一侧，以形成新的扩展全息面，扩展的全息面与原全息面关于介质分界面空间对称。
5.根据权利要求1所述的消除浅海环境水面反射的近场辐射噪声测量方法，其特征在于，所述声全息变换基本方法如下：
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，则在De中声压场满足的波动方程为
将式(3)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(4)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(5)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(8)代入方程(5)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。
6.根据权利要求1所述的消除浅海环境水面反射的近场辐射噪声测量方法，其特征在于，所述声全息变换基本方法还包括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(10)的形式之一：
则式(9)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(13)两边进行两维空间FFT变换后，式(13)在波数域内的形式为
P(kx,ky,zH)＝P(kx,ky,zS)·GD(kx,ky,d)(15)
其中，变换域的坐标对应关系为且变换对为
经推导得
由式(15)，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)(18)
或者
由式(18)或式(19)通过两维FFT反变换即可求得源面声场；
令
由式(17)得
上面推导表明由外部声压场可以重建源面声压场，同理也可重建近场和远场的声压。
7.根据权利要求1所述的消除浅海环境水面反射的近场辐射噪声测量方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下步骤：
(1)设定分析频率、变换距离，对测得的全息面复声压数据进行频谱分析，取出分析频率对应的复声压结果，获得全息面空间复声压分布；
(2)对全息面空间复声压分布进行二维傅里叶变换，获得波数域结果；
(3)根据不同的边界条件选取适当的Green函数作为传递函数，获得反演面的波数域复声压分布；
(4)将以上结果进行傅里叶逆变换，最终获得反演面的空间复声压分布。
8.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1-7任意一项所述消除浅海环境水面反射的近场辐射噪声测量方法的步骤。
9.一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1-7所述消除浅海环境水面反射的近场辐射噪声测量方法的步骤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310913931.XA CN117309126B (zh) | 2023-07-24 | 2023-07-24 | 一种消除浅海环境水面反射的近场辐射噪声测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310913931.XA CN117309126B (zh) | 2023-07-24 | 2023-07-24 | 一种消除浅海环境水面反射的近场辐射噪声测量方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117309126A CN117309126A (zh) | 2023-12-29 |
| CN117309126B true CN117309126B (zh) | 2024-04-23 |
Family
ID=89241510
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310913931.XA Active CN117309126B (zh) | 2023-07-24 | 2023-07-24 | 一种消除浅海环境水面反射的近场辐射噪声测量方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117309126B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2510288A1 (fr) * | 1981-07-24 | 1983-01-28 | Labo Cent Telecommunicat | Procede et dispositif de generation de bruits sous-marins, en particulier pour la simulation de bruits sonar |
| CN103941229A (zh) * | 2014-03-21 | 2014-07-23 | 哈尔滨工程大学 | 一种局部近场声全息法的移动噪声源识别方法 |
| CN116155306A (zh) * | 2022-12-22 | 2023-05-23 | 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） | 一种基于维纳滤波和自适应滤波算法的磁电联合低频信号接收机及信号接收方法 |
-
2023
- 2023-07-24 CN CN202310913931.XA patent/CN117309126B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2510288A1 (fr) * | 1981-07-24 | 1983-01-28 | Labo Cent Telecommunicat | Procede et dispositif de generation de bruits sous-marins, en particulier pour la simulation de bruits sonar |
| CN103941229A (zh) * | 2014-03-21 | 2014-07-23 | 哈尔滨工程大学 | 一种局部近场声全息法的移动噪声源识别方法 |
| CN116155306A (zh) * | 2022-12-22 | 2023-05-23 | 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） | 一种基于维纳滤波和自适应滤波算法的磁电联合低频信号接收机及信号接收方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 丰少伟 ; 张晶 ; 杨云生 ; .海底反射对声全息测试精度的影响研究.武汉理工大学学报(交通科学与工程版).2017,(01),第124-126页. * |
| 基于平面声全息的全空间场变换:Ⅰ.原理与算法;何元安, 何祚镛;声学学报(中文版);20021110(06);第507-512页 * |
| 基于时域滤波水下多目标定位研究;汤琦;黄建国;;系统仿真学报;20060620(06);全文 * |
| 海底反射对声全息测试精度的影响研究;丰少伟;张晶;杨云生;;武汉理工大学学报(交通科学与工程版);20170215(01);第124-126页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117309126A (zh) | 2023-12-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5496192B2 (ja) | 音響場を再構成するための方法 | |
| CN109239712B (zh) | 基于水下声场和声能流的噪声探测方法 | |
| Sun et al. | Improving the performance of a vector sensor line array by deconvolution | |
| CN112285767B (zh) | 海底地震仪四分量海洋面波多阶频散能量成像装置及方法 | |
| CN112577592B (zh) | 基于空间傅里叶变换的有限空间平面近场声全息测量方法 | |
| Ren et al. | Acoustic interferometry for geoacoustic characterization in a soft-layered sediment environment | |
| Gerstoft et al. | Adaptive beamforming of a towed array during a turn | |
| CN116952356B (zh) | 基于浅海环境水下声全息技术的近场辐射噪声测量方法 | |
| Oudompheng et al. | Localization and contribution of underwater acoustical sources of a moving surface ship | |
| Vos et al. | F–k domain imaging for synthetic aperture sequential beamforming | |
| Kim et al. | Temporal domain processing for a synthetic aperture array | |
| CN116952355B (zh) | 一种浅海环境近场辐射噪声测量系统及终端 | |
| CN117309126B (zh) | 一种消除浅海环境水面反射的近场辐射噪声测量方法 | |
| Bu et al. | Improved calibration method for refraction errors in multibeam bathymetries with a wider range of water depths | |
| Jia et al. | Direction of arrival estimation for single microelectromechanical systems vector hydrophone using modified wavelet packet de-noising | |
| Lobréau et al. | Hemispherical double-layer time reversal imaging in reverberant and noisy environments at audible frequencies | |
| Murino et al. | A confidence-based approach to enhancing underwater acoustic image formation | |
| Çavuşlu et al. | FPGA implementation of bearing tracking using passive array for underwater acoustics | |
| Ostrowski et al. | Underwater navigation system based on Doppler shift–measurements and error estimations | |
| Rozier et al. | Inversion of a cylindrical vibrating body in shallow water from aspect-limited data using filtered SVD and the L-curve | |
| Guo et al. | Review of research on sonar imaging technology in China | |
| de Heering et al. | A deconvolution algorithm for broadband synthetic aperture data processing | |
| Liu et al. | Ultra-short baseline positioning delay estimation based on signal preprocessing and fourth-order cumulant | |
| Ma et al. | An Obstacle Detection Technique for Marine Intelligent Transportation System based on Maximum likelihood Method | |
| CN117436285A (zh) | 一种基于叠加平面波的海底声软障碍物重构方法及系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |