基于信息相似性的振動(dòng)噪聲源主要傳遞路徑應(yīng)用研究

余桐奎，江向東

(1.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱150001;2.大連測(cè)控技術(shù)研究所，遼寧 大連116013;3.系統(tǒng)工程部，北京100036)

0 引 言

艦船是一個(gè)復(fù)雜的噪聲源分布體，主要存在三大類(lèi)噪聲:機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲及水動(dòng)力噪聲。在低航速狀態(tài)下，艦船的總體噪聲主要來(lái)源于機(jī)械噪聲，而機(jī)械噪聲主要來(lái)源于艦船內(nèi)部的主、輔機(jī)和軸系。機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生水下噪聲的途徑是多種多樣的，其機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)通過(guò)彈性安裝、基座等支撐結(jié)構(gòu)和管道、電纜等非支撐結(jié)構(gòu)傳遞到船體上，從而引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)并向周?chē)橘|(zhì)中輻射噪聲。因而，船體結(jié)構(gòu)不僅是振動(dòng)能量的載體，也是振動(dòng)能量和聲能量傳遞的主要通道。

由于艦船機(jī)械噪聲源眾多，傳遞通道的千差萬(wàn)別，且各通道之間存在相互耦合作用，致使機(jī)械噪聲源振動(dòng)主要傳遞路徑識(shí)別的難度增大。因此，采用不同信息處理方法綜合分析振動(dòng)噪聲源的主要傳遞路徑很有必要，但是各方法間的綜合集成思路是難點(diǎn)。本文基于多種分析方法，建立了基于信號(hào)頻域相似性的信息處理方法，實(shí)現(xiàn)了實(shí)船機(jī)械噪聲源主要傳遞路徑的判斷。

1 理論分析

信息相似性是指利用信號(hào)間頻域或時(shí)域上的相似程度來(lái)判斷相互之間的權(quán)重。具體來(lái)說(shuō)，就是利用相干函數(shù)/偏相干函數(shù)(條件譜)等信息處理方法對(duì)某些信號(hào)在特定頻段上對(duì)總體噪聲的貢獻(xiàn)大小進(jìn)行判斷分析。

噪聲與振動(dòng)信息在頻域上的相似程度可以用相干函數(shù)表達(dá)，相干函數(shù)的表達(dá)式為:

當(dāng)輸入測(cè)點(diǎn)信息之間相互獨(dú)立時(shí)，分析系統(tǒng)可用單輸入單輸出模型來(lái)近似描述，由式(1)進(jìn)行相干計(jì)算可得到各輸入測(cè)點(diǎn)信息與輸出測(cè)點(diǎn)信息在某些頻段上的信息相似程度。

為避免分析系統(tǒng)中重要的輸入信息被遺漏，在信息源進(jìn)行深入分析前要檢測(cè)系統(tǒng)的完備性，尤其對(duì)于非獨(dú)立信號(hào)源，如果在進(jìn)行偏相干分析前不對(duì)其因果關(guān)系進(jìn)行判斷，可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。進(jìn)行輸入信息完備性分析，須引入重相干函數(shù)。

對(duì)于獨(dú)立信號(hào)源，重相干函數(shù)的表達(dá)式為:

對(duì)于非獨(dú)立信號(hào)源，重相干函數(shù)的表達(dá)式為:

式中下標(biāo). (i－1)!表示xi，y 去掉輸入信號(hào)x1，x2，…，xi－1的線性影響后xi和y 之間的關(guān)系，i = 1，2，…，q。

通過(guò)相干函數(shù)分析可以部分排除與輸出信息相干性較小的輸入信息。而確定相干系數(shù)接近的各測(cè)點(diǎn)信息對(duì)輸出的影響，則需排除各個(gè)測(cè)點(diǎn)信息間的相互影響，須引入偏相干分析方法，偏相干函數(shù)的表達(dá)式為:

由于相干、重相干、偏相干分析等方法在振動(dòng)噪聲源分析領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)比較廣泛，但是在傳遞路徑識(shí)別方面應(yīng)用尚少，因此，本文主要從試驗(yàn)及工程應(yīng)用的角度，對(duì)基于多相干分析的信息相似性方法在振動(dòng)噪聲源主要傳遞路徑識(shí)別上的可行性進(jìn)行系統(tǒng)研究，并對(duì)實(shí)船海上航行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)實(shí)施情況

以某雙體船作為試驗(yàn)平臺(tái)，選擇其雙體水下部分背景相對(duì)安靜的泵艙，安裝耦合聲源數(shù)量已知、傳遞路徑清晰、耦合作用明確的激勵(lì)源，同步獲取激勵(lì)源振動(dòng)和水下聲輻射信息，分析噪聲源的主要傳遞路徑，并與設(shè)定試驗(yàn)工況進(jìn)行對(duì)比分析。

試驗(yàn)設(shè)備有3 臺(tái)，分別為2 臺(tái)同型變頻電機(jī)和1 臺(tái)砂輪機(jī)，其中變頻電機(jī)工作頻帶20 ～58 Hz，砂輪機(jī)工作頻率為50 Hz，試驗(yàn)設(shè)備如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Test equipment

圖2 試驗(yàn)設(shè)備安裝方式及傳遞路徑設(shè)置示意圖Fig.2 The sketch map of fixing mode and setting transfer path of the test equipment

圖2 給出了砂輪機(jī)、1#變頻電機(jī)及2#變頻電機(jī)的安裝方式及空間位置，由圖可見(jiàn)1#變頻電機(jī)和2#變頻電基座在同一筏架上，筏架通過(guò)3 條彈性支撐和1 條剛性支撐與殼體相連，其中右下支撐為剛性支撐;1#變頻電機(jī)的右下通過(guò)剛性支撐與筏架相連，從而形成“三彈一剛”四條振動(dòng)傳遞通道;2#變頻電機(jī)的安裝方式與1#變頻電機(jī)相比，不同之處在于剛性通道的設(shè)置為左上機(jī)腳，其他3 路為彈性支撐。

下面以砂輪機(jī)(50Hz)、1#變頻電機(jī)(30Hz)和2#變頻電機(jī)(30Hz)同時(shí)開(kāi)啟工況為例，依據(jù)信息相似性理論，分析振動(dòng)噪聲源主要傳遞路徑。

2.2 數(shù)據(jù)分析情況

圖3 為水下輻射噪聲功率譜圖。由圖可見(jiàn)，存在30 Hz，50 Hz，100 Hz 等強(qiáng)線譜，經(jīng)分析可知，頻譜構(gòu)成主要體現(xiàn)為30 Hz 和50 Hz 特征線譜及其系列倍頻，因此主要以30 Hz 特征線譜作為研究對(duì)象，進(jìn)行主要傳遞路徑分析。

圖3 水下輻射噪聲功率譜圖Fig.3 Spectrum of underwater radiated noise

依據(jù)圖2 給出的設(shè)備位置及布放方式，分別從“輻射—?dú)んw”、 “殼體—筏架”及“筏架—基座”3 個(gè)層次來(lái)逐層進(jìn)行分析振動(dòng)噪聲源主要傳遞路徑的識(shí)別。

1)輻射—?dú)んw主要傳遞路徑分析

試驗(yàn)中沿船對(duì)應(yīng)水井一側(cè)的殼體共布置7 個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，如圖2 所示，從左至右依次表示為K1 ～K7，圖4 給出了殼體上各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)與輻射聲場(chǎng)的相干分析情況，可見(jiàn)相干系數(shù)均較大，需進(jìn)一步采用偏相干分析方法，分析殼體測(cè)點(diǎn)與輻射聲場(chǎng)的信息相似情況。

圖4 殼體上各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)與輻射聲場(chǎng)的相干分析情況Fig.4 Coherence function chart between body vibration signals and underwater radiated signal

圖5 為殼體上各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)與水下輻射噪聲的重相干函數(shù)圖。由圖可見(jiàn)，30 Hz 特征頻譜的重相干系數(shù)為0.998 1，說(shuō)明選取的殼體振動(dòng)信息完備。

圖5 殼體上各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)與輻射聲場(chǎng)的重相干函數(shù)圖Fig.5 Multiple coherence function chart between body vibration signal and underwater radiated signal

通過(guò)對(duì)殼體振動(dòng)測(cè)點(diǎn)與輻射聲進(jìn)行偏相干分析，判別殼體振動(dòng)至水聲場(chǎng)的主要傳遞途徑。利用偏相干分析所給出的相對(duì)獨(dú)立貢獻(xiàn)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)存在1 個(gè)較大值，表明30 Hz 特征頻譜主要通過(guò)變頻機(jī)所在筏架對(duì)應(yīng)的殼體向輻射聲場(chǎng)傳遞。

圖6 殼體振動(dòng)測(cè)點(diǎn)與輻射聲場(chǎng)的偏相干分析Fig.6 Partial coherence value between body vibration signals and underwater radiated signal

2)殼體—筏架主要傳遞路徑分析

在上述分析的基礎(chǔ)上，以變頻機(jī)所在筏架對(duì)應(yīng)殼體振動(dòng)測(cè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，分析殼體與筏架測(cè)點(diǎn)的相干分析情況(圖7);由圖可見(jiàn)，相干系數(shù)均較大，需進(jìn)一步采用偏相干分析方法，分析筏架測(cè)點(diǎn)與殼體振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的信息相似情況。

圖7 殼體與筏架測(cè)點(diǎn)的相干分析情況Fig.7 Coherence function chart between body vibration signal and shelf vibration signals

在偏相干分析之前，對(duì)筏架測(cè)點(diǎn)與殼體測(cè)點(diǎn)進(jìn)行重相干分析，30 Hz 特征頻譜的重相干系數(shù)為0.99，表明選擇的測(cè)點(diǎn)信息完備。再進(jìn)一步通過(guò)對(duì)筏架上各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)與殼體進(jìn)行偏相干分析，判別殼體振動(dòng)至水聲場(chǎng)的主要傳遞途徑。利用偏相干分析所給出的相對(duì)獨(dú)立貢獻(xiàn)，如圖7 所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)存在1 個(gè)較大值，表明30 Hz 特征頻譜主要通過(guò)筏架的剛性支撐傳遞至殼體。

圖8 殼體與筏架的偏相干分析情況Fig.8 Partial coherence value body vibration signal and shelf vibration signals

3)筏架—基座主要傳遞路徑分析

在上述分析的基礎(chǔ)上，以筏架剛性支撐的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，分析筏架與基座的相干分析情況。由于基座—筏架振動(dòng)測(cè)點(diǎn)信息相似度非常高，因此，這里給出30 Hz 特征頻譜的相干系數(shù)(見(jiàn)圖9)。由圖可見(jiàn)，相干系數(shù)值均非常大，需進(jìn)一步采用偏相干分析方法，分析筏架測(cè)點(diǎn)與2 臺(tái)變頻機(jī)基座振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的信息相似情況。

圖9 筏架與變頻機(jī)基座的相干分析情況Fig.9 Coherence function value between shelf vibration signal and electromotor vibration signals

經(jīng)重相干分析表明變頻電機(jī)基座與筏架測(cè)點(diǎn)的信息完備之后，再通過(guò)對(duì)1#、2#變頻電機(jī)基座振動(dòng)測(cè)點(diǎn)與筏架振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的偏相干分析，判別2 臺(tái)變頻電機(jī)振動(dòng)至殼體的主要傳遞途徑。利用偏相干分析所給出的相對(duì)獨(dú)立貢獻(xiàn)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)存在2 個(gè)較大值，分別為1#變頻電機(jī)右下基座和2#變頻電機(jī)左上基座，說(shuō)明30 Hz 特征頻譜主要由1#變頻電機(jī)通過(guò)剛性支撐傳遞至筏架剛性支撐;其次是2#變頻電機(jī)通過(guò)剛性支撐傳遞至筏架剛性支撐。

圖10 筏架與變頻機(jī)基座的偏相干分析情況Fig.10 Partial coherence function value between shelf vibration signal and electromotor vibration signals

綜上所述，從信息相似性的角度來(lái)看，30 Hz特征頻譜是由1#和2#變頻電機(jī)共同作用產(chǎn)生的，這種振動(dòng)主要通過(guò)1#變頻電機(jī)剛性支撐及2#變頻電機(jī)的剛性支撐傳遞至筏架，再通過(guò)筏架下方剛性支撐傳遞至殼體，從而將激勵(lì)殼體振動(dòng)形成水聲場(chǎng)中的強(qiáng)輻射聲，與試驗(yàn)設(shè)置的剛性傳遞通道相符合，從而說(shuō)明了分析結(jié)果的合理性。

圖11 主要傳遞路徑識(shí)別結(jié)果(30 Hz)Fig.11 The identification result of main transfer path (30 Hz)

3 實(shí)船應(yīng)用研究

依托某雙體船作為試驗(yàn)研究對(duì)象，開(kāi)展海上錨泊狀態(tài)下組合單機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)開(kāi)啟設(shè)備以左舷為主，主要包括1#柴油發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)、2#主海水冷卻泵和空調(diào)海水冷卻泵，具體分布位置示意圖如圖12 所示。

圖12 試驗(yàn)船單機(jī)設(shè)備位置示意圖Fig.12 The sketch map of the equipment on test ship

由于各開(kāi)啟設(shè)備均為獨(dú)立安裝方式，通過(guò)機(jī)腳—基座單層隔振鏈接于船艙底部殼體，而且基座—?dú)んw為剛性連接，因此，依據(jù)振動(dòng)至聲的傳遞過(guò)程，可將分析過(guò)程分解為“輻射—?dú)んw”、 “殼體—機(jī)腳”2 個(gè)層次。

圖13 水下輻射噪聲頻譜圖Fig.13 Spectrum of underwater radiated noise

圖13 為該組合工況水下輻射噪聲頻譜圖。針對(duì)輻射噪聲中存在的0.2 Hz (歸一化頻率值)強(qiáng)特征線譜，利用建立的信息相似性方法分別從“輻射—?dú)んw”、“殼體—機(jī)腳”2 個(gè)層次分別進(jìn)行振動(dòng)主要傳遞路徑判別，具體分析過(guò)程如下。

1)輻射—?dú)んw主要傳遞路徑分析

圖14 給出了各設(shè)備對(duì)應(yīng)殼體振動(dòng)測(cè)點(diǎn)與水下輻射聲的相干分析情況。由圖可看出，對(duì)于0.2 Hz 特征頻譜，空壓機(jī)、2#主海水泵和空調(diào)海水泵與輻射聲的相干系數(shù)均超過(guò)0.9，1#柴發(fā)與輻射聲的相干系數(shù)相對(duì)較小(0.73)，因此，選擇相干系數(shù)較大的殼體測(cè)點(diǎn)，進(jìn)一步采用偏相干方法分析殼體測(cè)點(diǎn)與輻射聲的相似情況。

圖14 殼體與輻射聲場(chǎng)的相干分析情況Fig.14 Coherence function chart between body vibration signals and underwater radiated signal

在進(jìn)行偏相干分析之前，對(duì)這些選擇的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行重相干分析。分析圖15 可知，0.2 Hz 特征頻譜的重相干系數(shù)為0.99，說(shuō)明選取的殼體振動(dòng)信息完備。

圖15 殼體上各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)與輻射聲場(chǎng)的重相干函數(shù)圖Fig.15 Multiple coherence function chart between body vibration signal and underwater radiated signal

圖16 給出了雙體船右舷下層殼體測(cè)點(diǎn)與水下輻射聲的偏相干分析結(jié)果。由圖可看出，在特征頻譜0.2 Hz 處，2#海水泵對(duì)應(yīng)殼體測(cè)點(diǎn)與輻射聲的偏相干系數(shù)為0.6806，而空調(diào)海水泵為0.528，空壓機(jī)為0.045，說(shuō)明設(shè)備振動(dòng)產(chǎn)生的0.2 Hz 特征頻譜能量主要經(jīng)2#主海水泵附近殼體向水中輻射，空調(diào)海水泵附近殼體次之。

2)殼體—機(jī)腳的主要傳遞路徑分析

圖16 殼體與輻射聲的偏相干分析情況Fig.16 Partial coherence function chart between body vibration signals and underwater radiated signal

依據(jù)上述分析結(jié)果，以2#主海水泵附近殼體作為評(píng)價(jià)點(diǎn)，分析其與各設(shè)備機(jī)腳振動(dòng)的信息相似程度，如圖17 所示。由圖可以看出，在0.2 Hz 特征頻譜處，2#主海水泵、空調(diào)海水泵和空壓機(jī)機(jī)腳振動(dòng)與2#主海水泵附近殼體的相干系數(shù)均大于0.8，而柴油發(fā)電機(jī)與殼體的相干系數(shù)非常小，說(shuō)明該船殼體振動(dòng)存在的0.2 Hz 特征頻譜可能來(lái)源于2#主海水泵、空調(diào)海水泵和空壓機(jī)，因此，下面采用偏相干理論進(jìn)一步分析這3 臺(tái)設(shè)備機(jī)腳振動(dòng)與殼體的信息相似情況。

圖17 設(shè)備機(jī)腳與殼體的相干分析情況Fig.17 Coherence function chart between shelf vibration signal and electromotor′s foot vibration signals

首先經(jīng)重相干分析表明選擇的測(cè)點(diǎn)信息完備，再對(duì)各設(shè)備機(jī)腳與殼體的進(jìn)行偏相干分析，如圖18所示。由圖可見(jiàn)，對(duì)于0.2 Hz 特征頻譜，2#主海水泵與殼體的偏相干系數(shù)最大，為0.880 5，空調(diào)海水泵次之，為0.195，說(shuō)明0.2 Hz 特征頻譜能量主要由2#主海水泵機(jī)腳傳遞至附近殼體。

綜上所述，水下輻射噪聲頻譜中存在的0.2 Hz強(qiáng)特征頻譜主要來(lái)源于2#主海水泵和空調(diào)海水泵，振動(dòng)能量主要由2#主海水泵機(jī)腳傳遞至基座經(jīng)附近殼體，再傳遞至水聲場(chǎng)，從而形成水下輻射聲;其次由空調(diào)海水泵機(jī)腳傳遞至基座再經(jīng)其附近殼體向水中輻射。

圖18 設(shè)備機(jī)腳與殼體的偏相干分析情況Fig.18 Partial coherence function chart between shelf vibration signal and electromotor′s foot vibration signals

結(jié)合該船海上錨泊狀態(tài)下，各機(jī)械設(shè)備單獨(dú)開(kāi)啟試驗(yàn)的振動(dòng)與聲綜合測(cè)試分析結(jié)果可知:只有2#主海水泵和空調(diào)海水泵能夠產(chǎn)生0.2Hz 特征頻譜，而且2#主海水泵產(chǎn)生的水下輻射噪聲總聲級(jí)相對(duì)較高，從而證明上述分析結(jié)果準(zhǔn)確。

4 結(jié) 語(yǔ)

建立了多種分析方法共同分析激勵(lì)源主要傳遞路徑的綜合分析方法;通過(guò)對(duì)實(shí)船多臺(tái)機(jī)械設(shè)備工作的振動(dòng)至聲輻射的綜合測(cè)試分析，驗(yàn)證了該分析思路的有效性，可以用于船舶或水下航行器的機(jī)械設(shè)備振動(dòng)噪聲源主要傳遞路徑的判別。

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