舰船辐射噪声（通用3篇）
舰船辐射噪声 篇1
1 引言
随着海洋科学技术的大力发展, 舰船在海洋中的辐射噪声逐渐成为科研工作者的研究热点。舰船辐射噪声中包含着很多有价值的信息, 而其中的线谱成分更可以体现许多重要的特征, 为舰船的检测和识别提供了依据[1]。但是, 接收到的舰船辐射噪声信号中常常夹杂着大量的背景噪声, 因此选择一种有效的方法来进行特征线谱的检测是十分重要的。小波变换是基于傅里叶变换发展的一种信号处理的时频分析方法, 具有多分辨率分析的特点, 适用于非平稳时变信号的分析和处理。其中小波阈值降噪方法不仅在降低噪声方面表现突出, 而且可以较好得保留原始信号的特征, 因此得到广泛应用。
本文提出了基于小波变换的舰船辐射噪声特征线谱检测方法, 先对舰船辐射噪声进行了仿真, 然后通过改进的小波阈值方法对舰船辐射噪声进行了降噪处理, 最后再运用小波变换对降噪后的信号进行奇异性分析, 实现对舰船辐射噪声的特征线谱检测。
2 舰船辐射噪声仿真
舰船辐射噪声主要由宽带连续谱和线谱组成, 其中宽带连续谱成分具有一个谱峰, 其峰值的频率由舰船类型、下潜深度和舰船航速等因素来决定, 一般会在100Hz-1000Hz之间。宽带连续谱在频率低于谱峰的频率时, 谱级呈增长趋势, 为6d B/oct-12d B/oct的正斜率;当频率超过谱峰频率时, 谱级呈衰减趋势, 为-6d B/oct的负斜率。而线谱成分主要分布在低频端, 一般为1000Hz以下, 极少数情况会延伸到1000Hz附近[2,3]。
舰船辐射噪声谱模型如图1所示。对于宽带连续谱成分的模拟, 首先生成具有恒定功率谱的高斯白噪声信号, 然后将高斯白噪声信号通过具有特定响应的FIR自适应滤波器, 该滤波器的幅频响应需要满足舰船辐射噪声功率谱的特性, 这样就可以得到宽带连续谱。而线谱成分的模拟可以由多个不同频率的正弦信号叠加实现。其数学模型如式 (1) 。
式 (1) 中:fi (i=1, 2, …M) 为线谱频率;pi为对应线谱的强度;M为线谱的数量; (t) 为随即相位。
本文的仿真中设定舰船辐射噪声中存在70Hz、100Hz和130Hz三个单频线谱, 线谱超出连续谱的值10d B左右。其仿真结果如图2所示。
如图2所示, 仿真结果与舰船辐射噪声信号的特性一致。
3 基于小波变换的信号去噪
在实际情况中得到的信号含有许多有用的信息, 但是也夹杂着各种噪声, 这些噪声严重干扰了原始信号, 不利于信号的特征分析和处理。所以需要对信号进行降噪处理, 提高其信噪比, 尽可能的还原出其中的有用信号。
一般的加噪信号可以表示为如式 (2) 形式。
式 (2) 中:s (n) 为加噪信号, f (n) 为原始信号, e (n) 为噪声信号, σ为噪声强度。
在实际情况中, 通常有用的信号表现为低频或较平稳的信号, 而噪声信号则表现为高频信号[4]。一维信号的小波阈值去噪处理过程大致可以分为如下几个步骤:
(1) 一维信号的小波分解。选择一个小波, 确定分解尺度, 然后对信号s (n) 进行各个尺度上的小波分解。
(2) 小波分解系数的阈值量化。保留小波分解后的低频系数, 对于各尺度下的高频系数, 设定一个阈值进行量化处理, 将低于该阈值的小波系数设置为0, 将高于该阈值的小波系数直接保留或做相应的处理。
(3) 一维信号的小波重构。根据量化处理之后的小波系数, 进行逆小波变换, 完成小波重构, 恢复出其中有用信号。
对混有噪声的一维信号进行小波分解可以得到小波系数, 如式 (3) 。
式 (3) 中j为尺度参数, k为平移参数, ψ (2-j-k) 为小波基函数。
对于阈值的选取, 通常的计算公式为, 可以看出其在各个尺度上是固定不变的, 但是由于噪声信号所对应的小波系数是均匀分布在各个尺度上的, 并且其幅度值会随着尺度j的增加而有所减小, 因此考虑合理性将阈值取为[5]。
在小波阈值降噪中, 软阈值法的阈值函数为
硬阈值法的阈值函数为
通过软阈值法得到的小波系数连续性较好, 但是与wj, k之间会存在一些偏差, 这会影响到重构信号与原始信号的近似程度。而硬阈值法与软阈值法相比, 在均方误差方面具有明显优势, 但是会对信号产生附加震荡, 导致重构信号光滑性较差。
由以上分析可知, 如果在降噪过程中仅仅选用软阈值法或者硬阈值法, 信号的降噪效果都不是很理想。文献[6]中提出了一种改进的软硬阈值折衷方法, 改进的阈值函数如式 (4) 。
式 (4) 中, 参数p和q为大于1的实常数。当p的取值趋近于1时, 式 (4) 趋近于软阈值法的阈值函数;当p的取值趋近于正无穷时, 式 (4) 趋近于硬阈值法的阈值函数。可以根据实际情况对p和q的取值进行调整, 从而得到更加有效的阈值函数。改进的阈值方法不仅可以减小与wj, k之间的偏差, 还具有较好的连续性。
对舰船辐射噪声仿真信号运用改进的小波阈值降噪方法进行去噪。采用小波函数为“d B5”的5层小波分解进行降噪, p和q的取值分别为3和15。信号降噪结果如图3和图4所示, 分别为时域和频域对比图。
图3中选用的舰船辐射噪声信号降噪前信噪比为-11.83d B, 软阈值法降噪处理后信噪比为-7.91d B, 硬阈值法降噪处理后信噪比为-10.16d B, 改进的阈值方法降噪处理后信噪比为-7.23d B, 降噪效果更加显著。
本文对不同信噪比下舰船辐射噪声信号的降噪进行了仿真, 得到的各方法降噪处理后信噪比和均方误差对比如图5和图6所示。
由图5和图6可以看出, 在不同信噪比的情况下, 改进的小波阈值方法降噪后信噪比明显高于软阈值法和硬阈值法, 而均方误差明显低于软阈值法和硬阈值法, 降噪效果最好。
4 舰船特征信号奇异性检测
通常许多重要的信息都存在于信号中的间断点或者不规则的部分, 因此奇异性能够体现信号的一些重要特征。由于小波变换具有空间局部化的特性, 使其在奇异性分析中得到了广泛应用[7]。舰船辐射噪声的线谱成分包含了较多的有用信息, 而且在频谱中属于幅值不连续的部分, 可以看作奇异性分析的第一类间断点。因此, 对舰船辐射噪声运用奇异性分析会有较好的效果。
选用“d B5”小波将降噪后的舰船辐射噪声信号频谱分解到第五层, 来检测信号中的特征线谱。分解得到各级的离散逼近信号和离散细节信号, 选取其中第一层细节信号和第五层逼近信号。选用软阈值方法、硬阈值方法和改进的阈值方法降噪处理之后的信号的奇异性分析分别如图7-图9所示。
通过图7-图9的对比可以看出, 对选用改进的阈值方法降噪处理之后的信号进行奇异性分析效果最好。从图9中第一层细节信号可以较清晰地看出, 在70、100和130三个点附近的小波系数的绝对值相对较大, 为舰船辐射噪声信号频谱的间断点, 而其他频率点的小波系数不存在明显的干扰, 因此可以检测出线谱位于70Hz、100Hz和130Hz三个点。从第五层逼近信号中可以看出, 宽带连续谱的峰值频率大概位于150Hz附近。
5 结束语
本文研究了基于小波变换的舰船辐射噪声特征线谱检测。仿真结果表明, 在预处理过程中运用改进的小波阈值方法的降噪效果较好, 在低信噪比的情况下很大程度地提高了舰船辐射噪声信号的信噪比, 便于之后的特征线谱检测工作, 性能要优于单一地采用软阈值法或者硬阈值法。将舰船辐射噪声特征信号同小波变换的奇异性分析结合在一起, 可以较为清晰的检测出线谱, 在仿真中也验证了其一定的合理性。
参考文献
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[7]郭黎利, 刘微, 叶桂林等.小波分析在信号奇异性检测中的应用[J].信息技术, 2008, (5) :58-60
舰船机械噪声主要传递路径研究 篇2
在舰船振动噪声控制工程中, 获取噪声的频谱性质及传递变化情况是非常重要的工作, 这对于解决机械噪声源识别和主要传递路径的辨别意义重大。通过实船振动噪声综合测试试验获取的机械设备振动和噪声信号, 利用传递系数计算方法可得各机械设备至壳体的传递关系, 进而可以有效地估计实船各机械声源对水下辐射噪声的贡献百分比, 以及对其进行空间定位, 可用于指导实船减振降噪措施的正确实施和辅助水下噪声系统的声学设计和噪声预报。此外, 当机械设备出现故障时, 其声学特征一般会发生变化, 而机械设备正常工作状态下, 其振动由基座至船体的传递关系是清晰的、稳定的, 因此, 通过对机械噪声贡献分离方法的研究, 掌握各主要机械设备基座振动至传递的传递关系, 必将有助于对机器设备进行状态监测和故障诊断, 及时发现实船在使用过程中出现的机械故障, 确保机械设备处于正常工作状态, 保证舰船航行过程中的安全系数。
基本原理
将机械设备产生的振动至水下辐射声这一传递过程看做一个运动传递, 该系统在设备工作时的激励力会产生一定的响应, 对于有阻尼系统来说, 在简谐激振力f (t) =ejωt的作用下其运动微分方程:
其中[M]、[C]和[K]分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵, 由于复数激励力和复数响应既是t的函数, 又是ω的函数, 因此, 令复数响应x (t) 和复数激励力f (t) 的之比为:
上式中, H (ω) 为频率响应函数, 体现的是输入输出线性系统中输入至输出端之间的传递关系, 其是系统的固有特性。
如果输入端没有噪声的干扰, 则可得理想状态下的频响函数:
但是在实际振动噪声测试工程中, 输入和输出信号均有可能存在外界噪声干扰的情况, 这将直接导致频响函数的估算结果。基于这一问题, 人们研究了很多去除噪声干扰的估算方法, 可是估算准确度与构建系统数学模型关系较大。因此, 构建多输入/输出数学模型时, 须在输入和输出端引入噪声, 如图1所示。
由于系统在输入和输出端均存在噪声的干扰, 从而H1、H2等估算方法的估计结果误差偏大, 因此, 采用整体最小二乘法进行估计。此时, 系统数学模型可以表示为:
估算误差:
依据瑞利分布原理, 从[J]的迹tr[J]最小化的解可得:
将上式的结构可以看作是输入端和输出端噪声的系统频响函数, 则传递系数矩阵[H]为上式最低阶数的特征向量。这种引入了噪声干扰的多输入/输出系统, 采用了基于最小二乘方法的频响函数估计方法, 可以很大程度上提高频响函数的计算准确度, 尤其是在特征频谱处的计算准确度, 使得估算误差很小的情况下, 比较准确地获取输入至输出端的传递关系。
仿真研究
对于一个采样频率、滤波频带和阶数等参数已知的Fir数字滤波器, 其信号通过特性可以确定, 即稳定的频率响应函数, 据此, 下面以几种不同参数的Fir数字滤波器为例, 采用上述方法分别给出计算结果。
仿真算例1:采样频率为1024Hz, 10阶低通滤波器, 截止频率为100Hz;理想信号为50Hz正弦信号, 初始相位为0, 叠加随机高斯白噪声, 信噪比3d B, 计算结果如图2所示, 由图可见, 估计得到的频率响应函数与真实值非常之接近, 在100Hz以下部分频点存在少许波动, 但是, 上下波动范围很小, 而在100Hz以上频带, 估计值与真实值基本一致, 说明在信噪比3d B条件下, 对于单输入单输出系统, 该方法可以很好地给出频率响应函数的估算结果。
图3给出了信噪比为-10d B条件下, 频率响应函数的理论值和估计值, 通过对比3d B和-10d B条件下的频率响应函数估计结果, 可以看出, 100Hz以内频带的频率响应函数估计值与真实值相差很小, 说明对于单输入单输出系统, 信噪比对频率响应函数的估计结果影响非常小。
仿真算例2:采样频率为1024Hz, 50阶带通滤波器, 通带为40Hz~60Hz;理想信号为50Hz正弦信号, 初始相位为0, 叠加随机高斯白噪声, 信噪比3d B。
图4给出了信噪比3d B条件下的频率响应函数估计结果, 由图4可见在滤波器通带范围的频率响应函数估计曲线与真实值趋势一致, 但是存在很多“毛刺”, 使得与真实值存在较大差别。
利用最小二乘法, 通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配, 去除曲线中异常峰值, 从而达到曲线优化的目的。图5给出了最小二乘拟合的频率响应函数, 由图5可见, 在滤波器通带范围曲线趋于平滑与真实值非常接近。
综上所述, 利用最小二乘法可以使得频率响应函数的估计精度得到极大提高, 尤其在峰值处估算误差更小。
应用研究
以某舰船1#电机组作为研究对象, 采用单独开启该设备的试验方式, 获得其振动—水下辐射噪声全面数据, 在众多机脚、基座、壳体和辐射噪声的测点中, 依据上述建立的测点优化方法, 选择某一基座振动测点, 附近壳体测点 (15#测点) 及水下辐射噪声数据信息, 采用传递系数计算方法进行计算, 给出计算结果。
(1) 1#电机组
图6和图7分别给出了基座至壳体和壳体至辐射噪声的分布传递系数计算结果, 通过对比1#电机整体传递系数计算结果与分步传递系数结果, 可以看出, 以辐射噪声频谱结构相似度大的壳体上振动测点作为中间层获得的分步估计整体传递系数, 与基座直接到辐射噪声的整体传递系数相差较小, 共有特征频率较多, 在这些特征频点上传递基本相同, 误差不超过2d B。
(2) 2#电机组
以7#壳体测点作为中间层, 计算基座—壳体和壳体至辐射噪声的分布传递系数如图4所示, 通过对比2#电机整体传递系数计算结果与分步传递系数结果, 可以看出, 分布估计得到的传递系数与整体获得的传递系数存在较大频谱相似度, 而且在特征频率上幅值相差不超过2d B。
综上所述, 选取设备对应的耐压壳体上的测点 (通常位于机械设备附近) 作为中间层进行传递系数分析是合理的。
小结
通过对基于频响函数的振动传递方法及研分布式和整体式传递系数的计算方法的研究, 并对某舰船1#和2#电机组的单独开启试验数据进行对比分析, 可以得到如下结论:
(1) 利用最小二乘法可以使得频率响应函数的估计精度得到极大提高, 尤其在峰值处估算误差更小;
(2) 在估算机械设备振动至声的传递系数时, 以船体作为中间层的分布式计算方法是可行的;
(3) 依据振动至声的传递关系, 可以最大限度地保证振动信息完备性的同时简化了振动测点数量。
舰船辐射噪声 篇3
1 高空核电磁脉冲
高空核电磁脉冲是发生在30km以上的高空核爆炸, 可用双指数波形近似表达如下:
式中:E (t) 为瞬时场强;E0为峰值场强;k为修正系数;α, β表征脉冲前、后沿的参数。
k=1.3, E0=50kV/m, α=6×108s-1, β=4×107s-1是近年来国际电工委员会制定的新HEMP表述标准[3], 波形如图1所示。HEMP有场强高、频谱宽、覆盖半径大的特点, 能产生强的瞬态电磁场。
2 计算方法
用高频近似法[4]计算舰船的电磁特性。物理光学 (PO) 法是用散射体表面感应电流取代散射体本身作为散射场的源, 表面感应电流积分求得散射场, 但忽略了阴影区电流和边缘的贡献。物理绕射理论 (PTD) 是对PO的引申和修正, 可计算边缘绕射场, 与PO法结合应用。
激励源从很远处照射目标, 入射波可看作平面波。空间总场为入射场与散射场之和。PO算得的场为
k=2π/λ是波数, λ是波长, (θi, φi) 是源在球坐标系下的单位向量, (Eφi, Eθi) 是球坐标系下的入射电场。
PTD的边缘绕射场为:
k是波数, Z是自由空间波阻抗, r和r'分别是观察点和C上一点的矢量, dl=|dr'|是弧长l沿C的增量, t=dr'/dl正切单位向量。辐射边元在r'处的观察方向为:
3 仿真实验
舰船模型如图2所示, 长约86米, 宽约10米, 甲板高约6米, 桅杆处高约22米, 表面为PEC (理想导体) 材料。
3.1 仿真方法。
Ship EDF是频域仿真软件, 根据傅里叶分析法[5], 一个信号可表示为不同频率正弦分量的叠加。因此, 对HEMP做傅里叶变换, 分别对每个频率点仿真。用雷达天线从舰船上方垂直向下辐射电磁波, 参数取脉宽23ns, 重复频率1000pps, 天线[6]参数用口径场法计算, 口径面取1m*1m, 水平半功率波束宽度46.8°, 垂直半功率波束宽度32.4°。将舰船划分层次为船1、船2和船3, 研究舰船电磁环境。
3.2 仿真结果。
图3为频率为100MHz时的舰船电场分布。可以看出, 随着舰船结构逐层增加, 位于发射天线正下方的桅杆及上层建筑周围电场最大。
在桅杆附近取观察点P (42, 0, 22) , 如图2所示。该点电场强度如图4所示。可以看出, 船1、船2和船3在P点的电场强度, 随频率增加而减小, 因为HEMP能量主要集中在100kHz～200MHz。船1在P点电场最大, 船3最小。因为平面波入射到船1, 表面平坦, 电磁波不能穿入理想导体, 到达舰船表面后将全部被反射回来;当平面波入射到桅杆、上层建筑等高大金属建筑物时, 一部分电磁波被反射回去, 另一部分电磁波沿着其它方向反射;当入射波与反射波相位相同时, 该处场强得到叠加而增强, 当相位相反时, 该处电场减弱。
4 结论
用Ship EDF对舰船仿真分析, 计算速度快, 精确度高。通过对舰船分层仿真, 得出舰船在每一层的电场分布, 随着舰船结构逐层增加, 电场增大。为今后进一步研究舰船电磁兼容、及采取防护措施提供参考依据。
摘要：将舰船结构分层, 用高频方法仿真研究高空核电磁脉冲 (HEMP) 从舰船上方垂直向下辐射时, 舰船表面及周围电场的分布, 并给出了桅杆上方某点电场强度。得出舰船上层建筑周围电场强度最大, 且随着舰船结构逐层增加, 结构越复杂, 电磁环境越复杂。因此, 本文的研究对电磁脉冲防护具有一定的参考价值。
关键词：高空核电磁脉冲 (HEMP) ,电磁特性,ShipEDF
参考文献
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