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(1.海軍工程大學(xué) 船舶與動力工程學(xué)院，武漢 430033;2.海軍裝備部艦船技術(shù)保障部，北京 100841)

在噪聲控制中，在噪聲源上控制噪聲是最根本和最有效的方法。為了在噪聲源上控制噪聲，必須首先找出主要的噪聲源。在同一個聲學(xué)環(huán)境中，往往存在多個噪聲源。只有找到主要的噪聲源，并了解其特性，才能有針對性地采取有效措施進(jìn)行噪聲控制。船舶中機(jī)械設(shè)備數(shù)目眾多，機(jī)械設(shè)備的噪聲耦合嚴(yán)重，噪聲傳遞路徑復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的方法無法進(jìn)行噪聲源識別和分離。層次分析法(analytic hierarchy process， AHP)是對一些較為復(fù)雜、模糊的問題作出決策的簡易方法，它特別適用于那些難于完全定量分析的問題[1-2]。本文將層次分析方法應(yīng)用于船舶機(jī)械振源識別與貢獻(xiàn)量排序，將復(fù)雜問題層次化、數(shù)量化，能夠確定系統(tǒng)各主要噪聲源的主次順序，為進(jìn)一步的工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 層次分析法應(yīng)用于噪聲源識別

根據(jù)層次分析理論[3-6]，結(jié)合噪聲源特點(diǎn)，建立具有三個層次的結(jié)構(gòu)圖：目標(biāo)層為各噪聲源的貢獻(xiàn)量排序；中間層為頻率層，層中各因素為由外部噪聲評價點(diǎn)的噪聲頻譜確定的峰值頻率或頻段；最低層為噪聲源層。然后，由最高層到最低層逐層計(jì)算各層次所有因素對于目標(biāo)層相對重要性的排序權(quán)值，聲源的權(quán)值越大，表明該聲源對評價點(diǎn)噪聲的影響越大，由此可得到聲源的診斷結(jié)果，見圖1。

圖1 層次結(jié)構(gòu)示意

2 噪聲源識別仿真研究

采用一組頻率相互耦合的信號作為輸入，將這組信號的疊加結(jié)果作為輸出信號，以模擬一個多輸入單輸出系統(tǒng)，再利用基于偏相干方法的層次分析對仿真系統(tǒng)中輸入對輸出的貢獻(xiàn)量進(jìn)行排序。

2.1 仿真參數(shù)

選取一組頻率作為輸入信號的頻率。

f1=100 Hz，f2=600 Hz，f3=350 Hz，

f4=850 Hz，f5=700 Hz，f6=1 000 Hz。

采樣頻率為4 096 Hz，采樣長度為4 096點(diǎn)。

2.2 仿真工況

取2.1中所列的仿真頻率進(jìn)行組合，作為輸入信號的頻率，分別產(chǎn)生4個合成信號x1，x2，x3，x4作為輸入，使用4個輸入信號的合成作為輸出y，組成多輸入單輸出系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖見圖2。

2.3 信號表達(dá)式

為模擬真實(shí)測量工況，在輸入信號中加入隨機(jī)相位φ=randn(1, length(t))，并在輸入和輸出信號中添加噪聲，信號表達(dá)式如下。

圖2 多輸入單輸出系統(tǒng)示意

x1=1.5sin(2πf1t+φ1)+2.4sin(2πf2t+φ2)+1.4sin(2πf3t+φ2)+0.5randn(1,length(t));

x2=2.5sin(2πf1t+φ3)+3.1sin(2πf2t+φ4)+2.4sin(2πf4t+φ2)+0.7randn(1,length(t));

x3=1.6sin(2πf2t+φ5)+2.3sin(2πf3t+φ6)+2.4sin(2πf5t+φ2)+0.9randn(1,length(t));

x4=0.9sin(2πf3t+φ7)+1.3sin(2πf4t+φ8)+1.6sin(2πf6t+φ2)+0.3randn(1,length(t));

yt=x1+x2+x3+x4+0.2randn(1,length(t))。

3 層次分析模型

利用所獲得的偏相干分析結(jié)果進(jìn)行層次分析，建立層次分析模型。根據(jù)層次分析基本原理及仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)，建立層次分析模型(見圖3)，目標(biāo)層為輸入信號對輸出信號的貢獻(xiàn)量排序結(jié)果，準(zhǔn)則層取輸出信號中所有仿真頻率對應(yīng)的能量，指標(biāo)層為在每個仿真頻率下4個輸入信號對輸出信號的偏相干函數(shù)值。

圖3 層析分析模型

4 貢獻(xiàn)量排序結(jié)果

使用兩兩比較的方法確定每層中的元素對于其子指標(biāo)的判斷矩陣。首先比較準(zhǔn)則層中每個頻率的計(jì)算結(jié)果，獲得準(zhǔn)則層判斷矩陣，根據(jù)判斷矩陣計(jì)算準(zhǔn)則層中每個頻率下的能量在輸出信號中的權(quán)重，見表1。

表1 準(zhǔn)則層權(quán)重

再取準(zhǔn)則層中的每個分析頻率，計(jì)算比較該頻率下4個輸入信號在該頻率下對輸出信號的偏相干函數(shù)值，獲得4個輸入在此頻率下的判斷矩陣。而后根據(jù)所求得的判斷矩陣計(jì)算4個輸入對應(yīng)于每個分析頻率的權(quán)重向量見表2。

表2 四個輸入信號對于各分析頻率的權(quán)重結(jié)果

獲得各層的權(quán)重結(jié)果后，計(jì)算4個輸入信號對于總目標(biāo)的權(quán)重值。結(jié)果見表3。

表3 四個輸入信號對于總目標(biāo)的權(quán)重值

5 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)以雙層環(huán)肋圓柱殼模型為對象在消聲水池中進(jìn)行，見圖4。

圖4 雙層環(huán)肋圓柱殼模型

水池尺寸為16 m×8 m×8 m，6面消聲。模型內(nèi)殼上布放三臺激振器，以模擬內(nèi)部多個設(shè)備同時開啟的狀態(tài)，激振器2位于模型中部，激振器1、3位置對稱，三臺激振器等間隔布放，見圖5。

圖5 雙層模型激振器位置

同時開啟多臺激振器，以模擬船舶內(nèi)部多個設(shè)備同時開啟的狀態(tài)，采集設(shè)備周圍的振動數(shù)據(jù)和模型外部水聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。然后以分布運(yùn)轉(zhuǎn)法驗(yàn)證比較結(jié)果。

當(dāng)激勵1為頻率500 Hz的sinc信號，激勵2頻率1 000 Hz的sinc信號，激勵3頻率3 000 Hz的單頻信號，功放幅值均為46 V。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 層次分析試驗(yàn)結(jié)果

分別開啟每臺激振器，并采集模型外部水聲數(shù)據(jù)，應(yīng)用分部運(yùn)轉(zhuǎn)法獲得各激振器單獨(dú)激勵時外部輻射聲場的大小，結(jié)果見圖7。與層次分析法結(jié)果基本一致。

6 結(jié)論

仿真和試驗(yàn)說明，層次分析方法應(yīng)用于船舶機(jī)械振源識別與貢獻(xiàn)量排序，將復(fù)雜問題層次化、數(shù)量化，能夠確定系統(tǒng)各主要噪聲源的主次順序，可為下一步工程應(yīng)用提供依據(jù)和指導(dǎo)。

圖7 分部運(yùn)轉(zhuǎn)法結(jié)果

[1] 趙煥臣，許樹柏，和金生.層次分析法:一種簡易的新決策方法[M].北京:科學(xué)出版社,1986.

[2] 劉新憲，朱道立.選擇與判斷:AHP決策[M].上海:上?？茖W(xué)普及出版社,1990.

[3] 王蓮芬，許樹柏.層次分析法引論[M].北京:中國人民大學(xué)出版社,1990.

[4] 吳殿廷，李東方.層次分析法的不足及其改進(jìn)的途徑[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004(2):264-268.

[5] 常建娥，蔣太立.層次分析法確定權(quán)重的研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):信息與管理工程版,2007(1):153-156.

[6] 貝達(dá)特 J S，皮爾索A G(著).相關(guān)分析和譜分析的工程應(yīng)用[M].凌福根,譯.北京:國防工業(yè)出版社,1983.