碼頭系泊艦艇機械噪聲源測試分析方法研究

許剛

（上海船舶電子設備研究所，上海 201108）

我們都知道，這艘船的體積很大。內部安裝有各種各樣、數量眾多的機械設備。各機械設備的振動特性不同且相互耦合，振動信號頻譜信息非常豐富。在低速隱蔽狀態下，船舶的主要噪聲源是機械噪聲。船舶機械噪音就是指由于船舶機械設備打開后,機械設備的振動被傳遞至船舶殼體并將其輻射至水聲場而產生的水下輻射噪音。船舶內部的機械設備至船體的振動傳輸路徑主要有兩種:通過沿船舶支撐式機械設備底座傳輸的振動,通過船舶浮筏隔振器等元件或其他與機械設備相互連接的船舶支座傳輸的振動,等;同時,船舶外部的聲場、兩側的聲場和船體振動之間也會存在較強的耦合;艇體的振動及其傳遞的路徑和方式,以及其受到的影響有著錯綜復雜的。以上幾種原因造成了各種機械器具之間的振動耦合不均勻、振動傳輸特性繁瑣?；诼晫W角度考慮,艦艇是一個復雜的振動和噪音源分布物,這就為艦艇的機械聲源做出了定量分離提供了很大的困難。所以，通過對不同方法的振動噪聲源分析結果進行綜合集成，從而實現對艦艇機械噪聲源的準確識別是很有必要的。

一、基于偏相干分析的層次診斷方法

（一）層次分析法

層次性分析法(ahp)是一種由運動物理學領域的著名學者、thomas l.saaty 在20 世紀70 年代中期首先提出的一種多準則復雜體系的科學決策分析方法。這樣的方法在我們面前有著堅實的數學理論依據和廣泛應用領域。層次性因子分析法將較難且復雜的決策問題進行逐步排序分析,得到各個問題的構成和要素,根據各個決策要素之間的互相支配關系得到清晰的層次性結構,然后對本層次的各個決策要素受上一層次的某一個決策要素的支配,并在1-9 的尺度上建立判斷矩陣,適當地結合各個層次的排序結果,可以直接得到各個決策要素的設計思路在特確定決策對目標下工作的重要性。層次分析法也可以在定性判斷的基礎上完成定量分析，用具體的數值表示每個決策方案相對于決策目標的重要性。它是復雜問題科學決策的有效方法。在分離和量化復雜振動噪聲源時，需要處理大量具有復雜相關性的振動噪聲診斷相關因素，如多種信號頻域特征提取方法、豐富的特征線譜信息或特征頻帶信息，并有多個振動和噪聲源。

1.適用性：層次分析法的數學理論基礎雖然比較簡單卻又不失其嚴謹性和系統性，采用層次分析法解決具體問題時決策者并不需要掌握高深的數學理論知識，僅要求決策者在對各個決策方案進行兩兩比較的過程中，能夠給出可以表示各個方案之間相對重要性的判斷矩陣即可；

2.系統性：在采用層次分析法分析問題的過程中，是從系統的角度來看待決策問題，考慮的是系統各個組成要素之間的兩兩相互關系，這種處理方式是分析復雜問題時非常行之有效的思維決策方式；

3.工程實用性：與其他決策方法不同的是，層次分析法采用的縮放算法與層次結構相結合的處理方法可以根據分析的具體問題靈活調整，在復雜問題的決策過程中，可以把定性判斷與定量分析相結合起來，其得出的結果也令人滿意，因此層次分析法是水下復雜結構振動噪聲源分離與量化過程中較為合適的綜合集成方法。

采用層次分析法解決具體問題可被分為四個步驟進行：

①明確所需解決的問題，對系統進行分解得到其各組成要素，并對各組成要素之間的相互支配關系進行分析，建立起可以對具體問題進行充分描述的遞階層次結構；

②在以上一層次中某個元素作為準則的情況下，對本層次中受其支配的各元素之間的相對重要性進行兩兩對比分析，再利用適用于所解決問題的標度算法對其重要性程度進行量化取值，并完成判斷矩陣的構造；

③對判斷矩陣進行特征分解，從而得到在該準則下的各元素相對權重向量，并對單準則下的判斷矩陣相同性進行檢驗；

④計算各層元素相對于決策目標的組合權重，從而針對特定決策問題實現各方案層元素的重要性排序，并對總體一致性進行檢驗。

（二）遞階層次結構的建立

層次分析法通過對待解決問題進行合理分解可以得到調理清晰的遞階層次結構，在從最高級別到最低級別的每個級別中，任意兩個相鄰級別的上一級別依次控制下一個級別。上述層中的一個元素是準則，通過比較該層中受其支配的元素，可以確定準則下每個元素的重要性排序。最后，根據各層次之間的層次關系，計算該層次中各要素相對于決策目標的組合權重向量。層次分析法中采用的層次結構需要滿足以下特性：

1.所有元素只能屬于一個層次，并且由上一層次中的部分或所有元素控制；

2.要使用的層數取決于要分析的問題的復雜性。層次分析法對層次結構的層數沒有嚴格的限制；

3.目標層中只能有一個元素；

4.為了使所構建的判斷矩陣滿足一定的一致性，其他層次的元素數不能超過9 個。組成層次結構的級別可以分為以下三類：

①目標層：該層次有且只有唯一的元素，它是決策問題需要實現的目標；

②準則層：該層次包括了實現目標過程中所涉及到的各中間環節，根據待分析問題的復雜程度它還可以被進一步劃分為若干個層次，包括在對問題進行分析過程中需要考慮的準則和子準則。

③方案層：方案層中的元素由可以實現目標的各決策方案組成，進行層次分析的目的就是得到各方案的重要性排序。

二、改進的噪聲源分離量化方法

復雜振動噪聲源分級診斷的一個重要基本原則就是根據待識別系統的具體結構和工作原理,合理地劃分系統零件,建立復雜振動噪聲源的分級診斷模型。該模型主要用于識別一個系統,從而把振動和噪聲來源之間的分離與量化等復雜問題變換成能夠識別每一個零件對整體系統有重大貢獻率所占比例的問題。

（一）關于遞階式層次結構的確定和建立:為了更好地使得層次診斷技術能夠被廣泛運用到對振動和噪聲源的分離測量,有必要確定并且建立一種合理的層次結構。根據對振動噪聲源的分析辨認過程及其層次分析方法的基礎理論,將用于對振動噪聲源的層次辨認診斷的層次結構劃分為四個主要的層次:目標層、準則性層、子準則性層和方案性層。

分層診斷系統中每個層次的含義如下：目標層是待分析問題的預設目標。針對振動噪聲源分離量化的具體問題，目標層表示各振動噪聲源對水聲場評價點聲信號的貢獻率，用a表示；標準層包括各種信號特征提取技術，包括相干分析和部分相干分析，這些技術用M 表示；子準則層由評價點處聲信號的每個特征線譜或特征頻帶組成，用F 表示；方案層指每個主要振動和噪聲源，用S 表示。

（二）構造判斷矩陣：分層診斷需要在單準則條件下，借助具有實際物理意義的標度算法構造判斷矩陣，以獲得以上一級元素為準則的各級元素的權重向量。傳統的層次分析法中使用的1-9 量表是根據人們基于主觀感受的判斷建立的。在振動噪聲源分級診斷過程中，比較了各振動噪聲源對評價點信號的貢獻能量。對測量對象進行信號處理得到的結果具有明確的物理意義。傳統的1-9 標度不能用于定量值。鑒于層次分析法在振動和噪聲源分離和量化方面的局限性，本節將從標度算法方面對層次分析法進行改進，并給出具體的解決方案。

三、網絡化層次診斷流程

（一）確定層次診斷系統中間傳遞節點

組合水聽器陣列主要用于檢測船舶水下輻射噪音,近場聚焦波束形成技術主要用于定位和識別船舶外部的機械噪音,即水面。通過結合對船舶表面振動能量的分布進行研究和分析,我們可以得到一個關于外部聲輻射子系統中的聲源層元素(外部聲輻射子系統輸入信息)和內部結構振動能量子系統的評估點(外部結構振動能量子系統的輸出信息),即,殼體的測量點則是分層診斷系統的中間傳輸節點。

（二）確定內部結構振動子系統的頻率層元素以及權重向量

在一個內部結構振動電路子系統中,機械設備檢測到各個殼體接觸點的振動信號便是它們所輸入的振動信息,而殼體檢測到各個接觸點的振動信號便是它們所輸入的振動信息。對殼體檢測點振動電路信號進行了1/3倍頻程的功率光譜分析和1/3 倍頻程下的能量光譜分析,得到它們的特征線譜和一個特殊頻帶作為內部結構中振動電路子系統的頻率層元素。計算了炮彈的特征值評估節點信號位于特征電子線譜和特征頻帶上的能量,利用本文研究者提出的一種改善尺度方法來建立了一個基于目標層和頻率層之間的判斷矩陣,采用這種特征值方法可以通過計算得出該結構內部振動電路和子系統中各個頻率層單元的權向量。

四、結論

針對船舶機械結構聲源進行了定量識別問題,根據船舶機械結構在內部振動及噪聲傳播方式的變化,本文提出了一種網絡化的分級判斷系統,大致可劃分為內部結構振動子系統和外部聲波輻射子系統。網絡化的分級診斷系統的輸入信息是作為一個機械裝置腳的震蕩信息,輸出是作為水聲場測試點的音頻信號。根據對機械音頻聲源進行空間定位的研究結果及殼體在表面振動能量的分布研究,確定了殼體在各個部位之間的強輻射,該區域的殼體振動信息作為一個網絡化的分級診斷節點。機械裝置的振動資料、殼體振動信息和水聲場信息構成一個完整的網絡化分級診斷系統。將兩個子系統中獲得的噪聲源排名結果進行融合，以獲得各機械設備對水下聲場評估點的貢獻。