水下噪聲源可視化識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

戚 茜, 陳 航, 周 標(biāo)

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水下噪聲源可視化識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

戚 茜, 陳 航, 周 標(biāo)

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

水下可視化噪聲源識(shí)別方法是一種有效的聲場(chǎng)反演方法, 可直觀地獲得水下結(jié)構(gòu)噪聲源的空間分布情況。文中針對(duì)水中兵器的噪聲源種類眾多, 頻譜成分復(fù)雜, 單一算法的噪聲源識(shí)別系統(tǒng)無法同時(shí)滿足實(shí)際工程應(yīng)用的問題,運(yùn)用LabVIEW虛擬儀器軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)出一套將波束形成和近場(chǎng)聲全息相結(jié)合的水下噪聲源可視化識(shí)別系統(tǒng)。通過分析水下聲場(chǎng)中傳播波和倏逝波的聲場(chǎng)分布與測(cè)量距離和輻射頻率的關(guān)系, 得出了傳播波和倏逝波在水下聲場(chǎng)中的變化規(guī)律, 確定了可利用的倏逝波傳播距離。研究了不同測(cè)量距離、輻射頻率和陣列尺寸條件下, 適用的可視化噪聲源識(shí)別方法。實(shí)現(xiàn)了傳聲器陣列各通道標(biāo)定校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集、聲場(chǎng)波束指向特性、聲場(chǎng)重構(gòu)數(shù)據(jù)分析及不同頻段上噪聲源的可視化實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性, 滿足實(shí)際工程應(yīng)用。

水下噪聲源識(shí)別; 可視化; 波束形成; 近場(chǎng)聲全息

0 引言

積極開展水中兵器噪聲源定位識(shí)別技術(shù)研究, 獲得水中兵器噪聲源的空間分布, 就可以有針對(duì)性地指導(dǎo)水中兵器的聲學(xué)設(shè)計(jì)和減振降噪措施的正確實(shí)施, 是提高水中兵器隱身性最有效最直接的手段, 因此具有重要的工程應(yīng)用意義。

隨著噪聲源識(shí)別技術(shù)的不斷提高, 水下噪聲源定位識(shí)別實(shí)現(xiàn)了可視化[1]。國(guó)內(nèi)外在上世紀(jì)八九十年代起開展該領(lǐng)域研究, 尤其近些年來采用常規(guī)波束形成[2-3]、近場(chǎng)聲全息[4-7]、聚焦波束形成[8]、解卷積波束形成[9]以及廣義逆波束形成[10]等算法及其相應(yīng)的識(shí)別系統(tǒng)完成聲場(chǎng)可視化或噪聲源識(shí)別定位都有較豐富的研究成果。但是, 由于水中兵器的噪聲源種類眾多, 頻譜成分復(fù)雜, 單一算法的噪聲源識(shí)別系統(tǒng)無法同時(shí)滿足實(shí)際工程應(yīng)用。由結(jié)構(gòu)受力源激勵(lì)產(chǎn)生的機(jī)械噪聲主要集中在低頻段, 適用近場(chǎng)聲全息方法; 而螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲包括螺旋槳空化噪聲和螺旋槳葉片振動(dòng)噪聲, 其中, 空化噪聲往往是水中兵器輻射噪聲高頻段的主要成分[11], 波束形成算法更為適用。因此, 文中考慮設(shè)計(jì)出一套將波束形成和近場(chǎng)聲全息相結(jié)合的水下噪聲源可視化識(shí)別系統(tǒng), 以便同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同頻段上的噪聲源識(shí)別。

隨之而來的可視化噪聲源識(shí)別方法的適用范圍問題需進(jìn)一步探討。在波的傳播過程中倏逝波和傳播波是共存的。近場(chǎng)聲全息主要利用倏逝波攜有目標(biāo)結(jié)構(gòu)的空間頻率信息的特點(diǎn), 得到高分辨率圖像, 因此, 需要研究水下倏逝波的有效傳播距離。鄧江華等[12]研究了空氣中傳播波和倏逝波的分布規(guī)律。不同于空氣中的聲場(chǎng), 水下輻射聲波的聲速較大、波長(zhǎng)較長(zhǎng)。文中通過分析水下聲場(chǎng)中傳播波和倏逝波的聲場(chǎng)分布與測(cè)量距離和聲源頻率的關(guān)系, 得出了傳播波和倏逝波在水下聲場(chǎng)中的變化規(guī)律, 確定了可利用的倏逝波傳播距離。研究了不同測(cè)量距離、輻射頻率和陣列尺寸條件下, 適用的可視化噪聲源識(shí)別方法。運(yùn)用LabVIEW虛擬儀器軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)出了一套基于波束形成和近場(chǎng)聲全息相結(jié)合的水下噪聲源可視化識(shí)別系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了傳聲器陣列各通道標(biāo)定校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集、聲場(chǎng)波束指向特性、聲場(chǎng)重構(gòu)數(shù)據(jù)分析及不同頻段上噪聲源的可視化等, 為后續(xù)的降噪措施提供依據(jù)。

1 水下聲場(chǎng)中聲波傳播規(guī)律

1.1 傳播波和倏逝波

根據(jù)偏微分方程理論, 在直角坐標(biāo)系下Helmholtz方程具有如下形式的一般解

它是一個(gè)純虛數(shù)。將其代入式(2), 可推導(dǎo)得

式中

1.2 倏逝波有效傳播距離

圖1 倏逝波和傳播波幅值隨距離變化曲線

圖2 倏逝波和傳播波幅值隨頻率變化曲線

1.3 可視化噪聲源識(shí)別方法適用范圍

2 水下噪聲源可視化識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于LabVIEW的水下噪聲源可視化識(shí)別系統(tǒng)采用模塊化構(gòu)建, 便于實(shí)行功能模塊的拓展,由標(biāo)定、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)分析等模塊構(gòu)成, 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖3 理論模型搭建示意圖

圖4 系統(tǒng)軟件模塊框圖

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要是用于對(duì)信號(hào)的采集、保存、處理和顯示等。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按軟件系統(tǒng)的功能, 主要編寫了聲壓采集軟件和算法處理2個(gè)軟件。

1) 聲壓采集軟件

利用LabVIEW驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。聲壓采集軟件按設(shè)定好的采集參數(shù)進(jìn)行聲場(chǎng)數(shù)據(jù)采集, 當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成時(shí), 文件保存軟件會(huì)自動(dòng)保存數(shù)據(jù)。

2) 算法處理軟件

系統(tǒng)采用LabVIEW和MATLAB共同開發(fā),在LabVIEW中調(diào)用MATLAB, 算法處理軟件把各類陣型的波束形成算法和近場(chǎng)聲全息算法移植到了軟件內(nèi)部。

2.3 水下噪聲源可視化識(shí)別系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

可視化噪聲源識(shí)別系統(tǒng)的界面如圖6所示。界面左邊是實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置區(qū)域, 包括噪聲源識(shí)別方法、傳感器陣列類型、位置、目標(biāo)的頻率信息和采樣頻率等, 噪聲源識(shí)別方法實(shí)現(xiàn)常規(guī)波束形成和近場(chǎng)聲全息等可選, 傳感器陣列類型實(shí)現(xiàn)線列陣、矩形平面和十字陣列等可選; 中間部分是信號(hào)的時(shí)域和頻域波形顯示的區(qū)域, 實(shí)現(xiàn)傳感器校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)采集區(qū)域可選; 界面右邊是結(jié)果顯示區(qū), 若噪聲源識(shí)別方法為波束形成類的, 可實(shí)現(xiàn)陣列示意圖、指向性和重建圖像可選功能, 若噪聲源識(shí)別方法為聲全息類的, 可實(shí)現(xiàn)陣列示意圖、全息圖像和重建圖像可選功能。

圖6 水下噪聲源可視化識(shí)別系統(tǒng)界面

3 水下噪聲源可視化識(shí)別系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

依托西北工業(yè)大學(xué)水下信息處理與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的消聲水池進(jìn)行了水下噪聲源可視化識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括聲源、多通道采集系統(tǒng)PXI、圖形界面顯示PC機(jī)、各種陣形的傳感器陣列、傳感器支架, 以及各個(gè)設(shè)備之間連接的數(shù)據(jù)線等。把多路數(shù)據(jù)采集端口通過BNC接頭, 連接到PXI采集機(jī)箱的2個(gè)NI PXIe-4496采集模塊插槽上。采集機(jī)箱連接在PC上。實(shí)驗(yàn)設(shè)備放置示意圖如圖7所示。

3.1 常規(guī)波束形成算法成像結(jié)果

圖8 常規(guī)波束形成指向性圖和聲壓重建圖

3.2 近場(chǎng)聲全息方法成像結(jié)果

4 結(jié)束語

通過分析水下聲場(chǎng)中傳播波和倏逝波的聲場(chǎng)分布與測(cè)量距離和輻射頻率的關(guān)系, 得出了傳播波和倏逝波在水下聲場(chǎng)中的變化規(guī)律, 確定了可利用的倏逝波傳播距離。研究了不同測(cè)量距離、輻射頻率和陣列尺寸條件下, 適用的可視化噪聲源識(shí)別方法。

圖9 近場(chǎng)聲全息全息面和重構(gòu)面上聲壓幅值分布圖

運(yùn)用LabVIEW軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)水下可視化噪聲源識(shí)別系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了傳聲器陣列各通道標(biāo)定校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集、聲場(chǎng)波束指向特性或全息面復(fù)聲壓特性、聲場(chǎng)重構(gòu)數(shù)據(jù)分析及不同頻段上的噪聲源的可視化等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性, 滿足實(shí)際工程應(yīng)用。

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(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Design and Implementation of Visualized Underwater Noise Source Recognition System

QI Qian, CHEN Hang, ZHOU Biao

(School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

visualized underwater noise source recognition method is an effective acoustic field inversion, which can directly obtain the spatial distribution of underwater structural noise sources. Aiming at the problem that there are many kinds of noise sources and complex spectrum components of underwater weapons, the noise source recognition system based on a single algorithm can’t satisfy the practical engineering application simultaneously, a visualized recognition system of underwater noise sources is designed by combining beamforming and near-field acoustic holography on the virtual instrument software platform LabVIEW. By analyzing the relationships of the distribution of propagation wave and evanescent wave in underwater acoustic field with the measured distance and the radiation frequency, the variation rule of the propagation and evanescent waves in underwater acoustic field is obtained, and the evanescent wave propagation distance is hence determined. The visualized noise source recognition method is studied under different measurement distance, radiation frequency and array size. Visualization experiment of noise source recognition is conducted in terms of channel calibration, data acquisition, sound field beam directivity, sound field reconstruction data analysis, and noise source visualization on different frequency bands. The experimental results verify the effectiveness of the present system, which implies that the system is applicable to practical engineering.

underwater noise source recognition; visualization; beamforming; near-field acoustic holography

O422.2; TB52.5

A

2096-3920(2018)04-0324-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.04.008

戚茜, 陳航, 周標(biāo). 水下噪聲源可視化識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(4): 324-329.

2018-02-05;

2018-05-24.

國(guó)家自然科學(xué)基金(61701529)、航天科學(xué)技術(shù)基金( N2017KC0131).

戚 茜(1981-), 女, 在讀博士, 助理研究員, 主要研究方向?yàn)槁晥?chǎng)分析、信號(hào)與信息處理等.