李瑞彪，徐榮武，崔立林，余文晶

1海軍工程大學船舶振動噪聲重點實驗室，湖北武漢430033 2海軍工程大學振動與噪聲研究所，湖北武漢430033

雙層圓柱殼異常噪聲源定位試驗研究與應用

李瑞彪1，2，徐榮武1，2，崔立林1，2，余文晶1，2

1海軍工程大學船舶振動噪聲重點實驗室，湖北武漢430033 2海軍工程大學振動與噪聲研究所，湖北武漢430033

［目的］針對船舶舷外異常噪聲頻發(fā)的問題，［方法］提出異常噪聲源定位方法，建立定位模型，并通過雙層圓柱殼試驗進行驗證。模型以廣義互相關時延估計方法計算的時間延遲為輸入，以傳統(tǒng)雙曲定位為基礎，通過改進的基于圓柱殼體的雙曲定位方法求解噪聲源位置坐標。試驗中，用敲擊信號模擬舷外異常噪聲源，對比分析傳統(tǒng)雙曲定位方法和基于雙層圓柱殼的雙曲定位方法這2種方法的定位精度，討論時延估計對定位精度的影響。［結果］試驗結果表明，基于雙層圓柱殼的雙曲定位方法可以準確定位異常噪聲源的位置，在船舶舷外異常噪聲源定位中具備可行性。［結論］所得結果可為船舶舷外異常噪聲源定位提供一定的理論指導。

船舶；異常噪聲；雙曲定位方法；時延估計

0 引 言

船舶輻射噪聲主要由機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲這3部分疊加而成［1］，而異常噪聲的出現(xiàn)往往會導致輻射噪聲瞬間增大，破壞船舶隱身性能，增大被敵方探測到的概率。另一方面，異常噪聲的出現(xiàn)也會導致船舶自噪聲增大，影響自身聲吶的聽測功能，制約本船的探測性能。

船舶異常噪聲通常由船舶部件脫落或聲學故障等原因而產生，具有突發(fā)性，信號特征具有非平穩(wěn)性，大多不可復現(xiàn)，且受海洋環(huán)境噪聲影響較大，這就使得對異常噪聲源坐標位置的確定較為困難，且還不能及時有效地消除噪聲源，從而影響船舶的航行狀態(tài)及隱身性能［2］。

目前，針對船舶舷外異常噪聲定位的研究仍處于初級階段，尚未形成一套完整的應用流程及方法。然而，船舶舷外異常噪聲源定位可以極大地節(jié)約船舶日常維護保養(yǎng)、塢修的時間與成本，提高艦船的隱身性能，軍民用需求迫切。為此，本文擬在分析低空聲探測技術［3］、空氣中傳統(tǒng)聲源定位技術［4-6］、衛(wèi)星無源定位系統(tǒng)以及GPS水下定位系統(tǒng)［7］的基礎上，采用雙曲定位原理，結合異常噪聲的信號特征及發(fā)生特點，對傳統(tǒng)雙曲定位方法進行改進和優(yōu)化以求解噪聲源位置坐標，并以雙層圓柱殼艙段縮比模型驗證該方法的有效性。

1 廣義互相關時延估計方法

船舶異常噪聲的出現(xiàn)往往伴隨著高背景噪聲，干擾強、目標聲強度低、持續(xù)時間較短，屬于寬帶非平穩(wěn)信號，一般間歇出現(xiàn)。船舶異常噪聲源信號時域及頻域分析表示如圖1所示，從中可見目標信號信噪比較低，并伴有周期性的強窄帶噪聲干擾。結合雙層圓柱殼縮比艙段模型試驗，選用廣義互相關（Generalized Cross-Correlation，GCC）時延估計方法［8-9］估計不同傳聲器接收到的噪聲信號之間的時間延遲，以此作為異常噪聲源定位模型的輸入［10］。廣義互相關法通過計算不同傳感器接收到的噪聲信號之間的互功率譜，在頻域內進行一定的加權，從而突出相關的信號部分，抑制受環(huán)境噪聲干擾的部分，以使相關函數(shù)在時延處的峰值更為突出，然后再反變換到時域得到兩種信號之間的互相關函數(shù)，最終估計出兩種信號之間的時間延遲。圖2所示為應用廣義互相關時延估計方法計算不同傳聲器所接收到的信號之間的時間延遲的原理圖。

圖1 異常噪聲信號時域及頻域表示Fig.1 Time and frequency domain representation of abnormal noise

圖2 廣義互相關時延估計原理圖Fig.2 Schematic diagram of the GCC based time delay estimation

假設任意兩路傳聲器接收到的信號為：

式中：xi(t)和xj(t)分別為傳聲器接收到的目標噪聲信號；s(t)為目標噪聲源信號；ai和aj為信號傳播途中的衰減系數(shù)；τ為時間延遲；ni(t)和nj(t)為觀測噪聲。

對接收信號做互功率譜以及自功率譜分析，以估計不同傳聲器接收到的信號間的時間延遲，即

式中：W(w)為權重因子，本文根據信號特征選取SCOT（Smoothed coherence transform）加 權［11］，SCOT加權處理對傳聲器所接收的信號可起到預白化的作用，當弱寬帶信號中存在強窄帶成分時，可以提高時延估計的準確性；Gii(w)和Gjj(w)為傳聲器接收到的信號的自功率譜；Gij(w)為傳聲器接收到的信號的互功率譜；Rij(τ)峰值所對應的τ值即為不同傳聲器接收到的信號之間的時間延遲。

2 異常噪聲源定位分析

異常噪聲源定位模型以廣義互相關法估計的時間延遲為輸入，通過雙曲定位方法求解異常噪聲源空間坐標，定位流程如圖3所示。

圖3 異常噪聲源定位流程圖Fig.3 Flowchart of abnormal noise localization

在運用雙曲定位分析方法時，首先根據傳統(tǒng)的雙曲定位分析求解異常噪聲源坐標。其次，結合異常噪聲源的信號特征以及模型特點，對傳統(tǒng)雙曲定位分析方法進行優(yōu)化［12］，得到改進的基于圓柱殼體的雙曲定位方法。最后，利用雙層圓柱殼模型試驗進行對比分析，驗證優(yōu)化后的異常噪聲源定位方法的有效性以及在工程應用上的可行性。

2.1 傳統(tǒng)雙曲定位分析

傳統(tǒng)的雙曲定位分析方法是根據觀測點之間的觀測距離差來進行空間交匯［7］，進而求解目標點空間坐標的過程。觀測點首先通過檢測信號到達的時刻來計算不同傳感器接收到的信號之間的時間延遲，繼而求解距離差。要求各個觀測點采集數(shù)據時同時基采集，定位模型示意圖如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)雙曲定位模型示意圖Fig.4 Schematic of the traditional hyperbolic positioning model

如圖4所示，在空間中布置4個傳感器，其中一個作為參考點，其余3個作為觀測點。采用差分法計算不同觀測點與參考點接收到的信號之間的時間延遲，從而表示出距離差及雙曲定位方程，繼而求解目標點的空間坐標。差分法減少了由系統(tǒng)測量帶來的誤差，在一定程度上提高了定位精度。利用解析法求解目標點空間坐標的過程如下：

式 中 ：(x，y，z) 為 目 標 噪 聲 源 的 空 間 坐 標 ；(xi，yi，zi) 為觀測點的空間坐標；(xr，yr，zr) 為參考點的空間坐標；Δdi為目標噪聲源經不同路徑傳遞至不同觀測點間的距離差；v為聲速；τ值即為經廣義互相關法計算得到的不同傳聲器接收到的信號之間的時間延遲。

對式（5）進行坐標平移，即

則構成的新的定位方程

聯(lián)立式（6），對公式兩邊分別平方，并進行線性變換，整理后可求得異常噪聲源的空間坐標為

2.2 基于雙層圓柱殼的雙曲定位分析

聲波信號在空氣或者水介質中傳播時，傳播路徑會隨介質的環(huán)境以及周圍障礙物而有所變化［13］。在雙層圓柱殼模型試驗中，傳聲器安裝在圓柱殼體外表面，但不接觸殼體。鑒于模擬的異常噪聲源位于殼體表面，故模擬信號與船舶實際異常噪聲信號特征相同，都屬于非平穩(wěn)、弱寬帶信號，頻帶范圍較廣。根據聲波衍射原理，結合殼體模型的尺寸，部分聲波是沿殼體表面進行傳播。以傳統(tǒng)雙曲定位方法為基礎，將模型按照象限進行平面投影，可得

3 雙層圓柱殼模型試驗分析

雙層圓柱殼模型試驗在空曠寬敞的廠房內進行（以有效避免室內混響以及室外空氣噪聲對試驗帶來的影響），以雙層圓柱殼縮比艙段模型為試驗對象。模型長2 m，外半徑0.89 m，內半徑0.8 m。用敲擊信號來模擬舷外異常噪聲源，并通過傳聲器進行接收。噪聲信號分別由以下聲源單獨或者經不同的組合產生：靠近殼體外部的鋼管敲擊聲、B&K發(fā)射CW脈沖、B&K發(fā)射錄制的實際設備噪聲信號等。試驗模型及儀器設備實景如圖5所示。

圖5 試驗模型與試驗設備示意圖Fig.5 Schematic of experimental model and equipment

傳聲器沿艙段模型肋骨以環(huán)狀的方式等間距布置在殼體外表面，共18個。加速度計布置在激振器的基座附近，每個基座安裝一個，共2個，用來采集激振器振源及殼體的振動信息。傳感器的布置如圖6所示，具體安裝位置的坐標如表1所示。安裝傳聲器時，在傳聲器與殼體的接觸面加裝泡沫以及彈性橡膠塊，以避免殼體振動對傳聲器帶來的影響，提高傳聲器所采集信號的可信度。模擬背景噪聲分別由激振器激勵殼體、開啟風扇等設備產生，試驗環(huán)境的背景噪聲滿足測試要求。

圖6 傳感器分布圖Fig.6 The location of the sensors

表1 傳感器坐標Table 1 The coordinate of sensors

試驗中，所有傳感器數(shù)據同時基采集，主要試驗設備有：HEA-200C功率放大器、HEV-200激振器、B&K 4513加速度計、BSWA MPA416傳聲器、B&K 2650采集器和RIGOL DG4162信號發(fā)生器。信號采樣頻率65 536 Hz，采樣時長120 s，加速度參考值10-6m/s2，聲壓參考值10-6Pa，分析頻段為10～10 000 Hz。

試驗過程中，為對比傳統(tǒng)雙曲定位方法與基于圓柱殼體的雙曲定位方法的分析精度，討論背景噪聲以及時延估計誤差對噪聲源定位精度的影響，切實模擬實船噪聲環(huán)境，分別設置了激振器常開+單次敲擊、激振器常開+連續(xù)敲擊等10個大的工況，試驗工況如表2所示。按照聲源布放的位置，分別在雙層圓柱殼外表面順序敲擊，整個試驗過程共采集到200余組試驗數(shù)據。

表2 試驗工況表Table 2 Experimental conditions

3.1 異常噪聲源定位對比分析

在雙層圓柱殼模型試驗中，對試驗數(shù)據進行預處理，首先優(yōu)選信噪比較高的試驗數(shù)據，其次結合傳感器布置位置選擇參考點及觀測點。對所選測點進行相互的常相干分析，以整個試驗數(shù)據分析頻段內的相干系數(shù)大于0.7為標準［14］。若兩測點間的相干系數(shù)滿足此標準，可認為該兩測點在整個頻段內相關性較強，則取其中一個測點作為參考點，再與其他測點進行相干分析，由此選出參考點與觀測點。原則上，必須選擇1個參考點，觀測點不得少于3個，同時，所選測點應盡量處在同一面或者同一條直線上，以減小外界環(huán)境對傳感器接收噪聲源信號的影響。

以1#試驗工況為例，選擇2#敲擊點（圖6）模擬噪聲源。結合常相干分析，并綜合考慮測點布置位置，以7#傳聲器為參考點，以1#傳聲器、5#傳聲器和8#傳聲器為觀測點，分別通過傳統(tǒng)雙曲定位方法以及基于雙層圓柱殼的雙曲定位方法求解噪聲源空間坐標。

通過Matlab編程，利用廣義互相關法估計不同觀測點與參考點之間的時間延遲。傳統(tǒng)雙曲定位方法是利用已得到的時間延遲計算雙曲面，并求解雙曲面與殼體的交點（殼體也是作為一個約束條件代入求解方程）來得到異常噪聲源的空間坐標。圖7所示為利用傳統(tǒng)雙曲定位方法求解得到的雙層圓柱殼異常噪聲源空間坐標。

圖7 傳統(tǒng)雙曲定位分析Fig.7 The traditional hyperbolic positioning analysis

基于雙層圓柱殼的雙曲定位方法同樣也是以廣義互相關法估計的不同觀測點與參考點之間的時間延遲為基礎。與傳統(tǒng)雙曲定位方法不同的是，其是先將模型進行投影分析，之后再計算雙曲線的交點，并投影到模型上得到噪聲源的空間坐標，異常噪聲源定位結果如圖8所示。

圖8 基于圓柱殼體的雙曲定位分析Fig.8 The hyperbolic positioning analysis based on double cylindrical shell

參考其他工況的試驗數(shù)據，對比分析傳統(tǒng)雙曲定位方法（方法1）與基于雙層圓柱殼的雙曲定位方法（方法2）的定位精度，討論背景噪聲對這2種定位方法定位精度的影響，分析結果如表3所示。

由表3可以看出：

表3 2種方法的定位精度對比Table 3 The comparison of two positioning methods'accuracy

1）在任意4種試驗工況下，試驗條件相同，異常噪聲位置相同，采用傳統(tǒng)雙曲定位方法與基于雙層圓柱殼的雙曲定位方法均能較為準確地定位噪聲源的位置，但相比而言，基于雙層圓柱殼的噪聲源定位方法的定位精度要優(yōu)于傳統(tǒng)雙曲定位方法，任意方向及直線距離上的定位絕對誤差均小于3.5 cm。

2）對比分析工況1與工況9的試驗數(shù)據，發(fā)現(xiàn)環(huán)境噪聲影響2種定位方法的定位精度，在高背景噪聲下，基于雙層圓柱殼的噪聲源定位方法的抗干擾能力要優(yōu)于傳統(tǒng)雙曲定位方法。

3）除工況5以外，在其余工況下，2種定位方法在x軸方向的定位精度要高于 y軸與z軸方向，而z軸方向的定位坐標模糊，相比較而言，其精度最差。反映在船舶上，就表明在船舶的艏艉方向定位較準確，可為異常噪聲源位置的確定提供一定的指導。

4）在工況5下，通過激振器發(fā)射實際設備噪聲信號，不同傳感器之間的時延估計誤差不均衡，波動較大，導致z軸方向的定位精度要略優(yōu)于x軸。與工況2進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者在直線距離上定位絕對誤差的變化基本相當。

3.2 時延估計誤差對異常噪聲源定位的影響

通過廣義互相關法得到的時延估計是噪聲源定位模型的輸入，而由于異常噪聲源信號本身屬于非平穩(wěn)信號，故時延估計難免會存在一定的誤差。因此，以工況1為例，選擇2#聲源，討論極端情況下時延估計誤差同比例增大或減小、異常噪聲源定位精度的變化。表4所示為當時延估計存在-20%～20%之間的誤差時，對應噪聲源定位精度的變化情況。

由表4可以看出：

表4 時延估計誤差對異常噪聲源定位的影響（2#聲源）Table 4 The influence of time delay estimation on positioning accuracy（2#sound source）

1）時延估計誤差在-20%～20%之間變化時，基于雙層圓柱殼的雙曲定位分析方法其各方向的定位精度絕對誤差均小于9 cm，直線距離絕對誤差小于10 cm，定位精度波動變化受時延估計誤差的影響較傳統(tǒng)雙曲定位小。

2）對比2種方法下 x軸、y軸以及 z軸方向的定位結果發(fā)現(xiàn)，時延估計誤差對2種方法下x軸方向的定位精度影響較小，z軸方向的定位精度相對波動較大，誤差較大。

4 結 論

針對船舶舷外異常噪聲源定位的問題，提出了異常噪聲源定位方法，并通過雙層圓柱殼模型試驗進行了驗證，試驗結果表明：

1）改進后的基于雙層圓柱殼的雙曲定位分析方法的定位精度總體上要優(yōu)于傳統(tǒng)雙曲定位分析方法，其抗環(huán)境噪聲干擾能力較強，在強背景噪聲下也可以準確進行異常噪聲源定位，各方向的定位精度絕對誤差均小于3.5 cm。

2）當時延估計誤差在-20%～20%之間變化時，對噪聲源的定位精度有一定的影響，但改進后的噪聲源定位方法的各方向定位精度絕對誤差均小于10 cm。

3）雙層圓柱殼試驗驗證了改進后的噪聲源定位方法的可行性，可以為船舶舷外異常噪聲源定位提供一定的指導。

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Research and application of abnormal noise source positioning experiment
based on double cylindrical shell

LI Ruibiao1，2，XU Rongwu1，2，CUI Lilin1，2，YU Wenjing1，2
1 National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise，NavalUniversity of Engineering，Wuhan 430033，China 2 Institute of Noise and Vibration，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

Aiming at the problem of frequent abnormal outboard noise in ships,an abnormal noise source location method is proposed,and a location model checked by the double cylindrical shell experiment is built.The model calculates the coordinates through the improved hyperbolic positioning method on the basis of the traditional hyperbolic positioning method,with the time-delay estimation by the generalized cross-correlation method as the input.In the process of the experiment,the outboard abnormal noise source is simulated by the percussion,comparing the positioning accuracy of the two methods and analyzing the influence of time-delay estimation on positioning accuracy.The results show that the hyperbolic positioning method based on double cylindrical shell can accurately locate the coordinates of abnormal noise sources,and is feasible for the abnormal outboard noise source positioning of ships.In addition,the method can provide theoretical guidance for the location of abnormal outboard noise sources.

ships;abnormal noise；hyperbolic positioning method；time-delay estimation

U672

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.04.022

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170727.1036.044.html期刊網址：www.ship-research.com

李瑞彪，徐榮武，崔立林，等.雙層圓柱殼異常噪聲源定位試驗研究與應用［J］.中國艦船研究，2017，12（4）：140-146.

LI R B，XU R W，CUI L L，et al.Research and application of abnormal noise source positioning experiment based on double cylindrical shel［lJ］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（4）：140-146.

2017-03-23< class="emphasis_bold">網絡出版時間：

時間：2017-7-27 10:36

國家自然科學基金資助項目（51209214）

李瑞彪，男，1991年生，碩士生。研究方向：振動與噪聲控制。E-mail：liruibiao000@163.com

徐榮武（通信作者），男，1980年生，博士，副研究員，碩士生導師。研究方向：振動與噪聲控制。

E-mail：rongwu_xu@126.com

崔立林，男，1980年生，博士，助理研究員。研究方向：振動與噪聲控制

余文晶，女，1991年生，博士生。研究方向：振動與噪聲控制