СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОСОВОГО УРОВНЯ ШУМА ИСТОЧНИКА В СУММАРНОМ ШУМЕ Российский патент 1994 года по МПК G10K11/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения уровня шумового сигнала отдельного источника в суммарном шуме нескольких источников независимо от физической природы сигнала, например в акустике или радиотехнике. Ниже предлагаемый способ будет рассмотрен на примере определения уровня акустического сигнала.

Уровень шума отдельного источника можно определить, зная уровень суммарного шума и вклад данного источника в суммарный шум (см. Новиков А. К. Статистические измерения в судовой акустике, "Судостроение", Л. , 1985), как произведение этих величин. Вклад данного источника можно оценить при включении или выключении данного источника по изменению уровня суммарного шума. Однако это не всегда возможно, например, нельзя выключить отдельные механизмы в системе жизнеобеспечения судна. Это обстоятельство сужает область применимости метода.

В качестве прототипа целесообразно выбрать способ, сущность которого заключается в том, что после полосовой фильтрации сигнала источника и суммарного шума с одинаковыми полосами частот измеряют среднеквадратичные значения сигналов источника и суммарного шума с выделением амплитудных огибающих этих сигналов. Затем определяют автокорреляционную функцию огибающей сигнала источника и взаимнокорреляционную функцию огибающих сигнала источника и суммарного шума. Уровень сигнала данного источника в суммарном шуме определяют как произведение среднеквадратичных значений сигналов и суммарного шума на корень квадратный из отношения амплитуд периодических составляющих измеренных ранее функций взаимной корреляции и автокорреляции.

Из изложения сущности способа-прототипа следует, что он может быть использован для определения уровня только таких источников, которые имеют характерный признак - амплитудную модуляцию периодическим сигналом. В акустике к таким источникам относятся такие, как гребные винты судов, механизмы ударного и возвратно-поступательного действия. Определить уровни шума источников, не обладающих этим признаком, с помощью способа-прототипа невозможно.

Целью предлагаемого изобретения является разработка способа определения уровня шума источников, не обладающих амплитудной модуляцией, т. е. расширение области применимости метода.

Поставленная цель достигается тем, что принятые раздельно и отфильтрованные с определенной полосой частот сигналы шума источника и суммарного шума нескольких источников приводят к масштабу времени сигнала, источника и осуществляют спектральный анализ обоих полученных в приведенном масштабе времени сигналов. Определяют эффективный коэффициент модуляции на сформированной в процессе приведения масштабов времени несущей частоте. В спектре сигнала суммарного шума изменяют уровень составляющей на несущей частоте и определяют уровень шума источника, умножая измеренный уровень на сумму единицы и половины квадрата эффективного коэффициента модуляции.

Наличие отличительных признаков (новых операций в способе) удостоверяет новизну предлагаемого способа определения уровня шума отдельного источника в суммарном шуме нескольких источников. Заявителю и авторам не известны другие технические решения со сходными признаками, из чего делаем вывод о том, что предложенное техническое решение обладает существенными отличиями.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - спектр сигнала шума источника на выходе полосового фильтра 3 и суммы сигнала и помехи на выходе полосового фильтра 4; на фиг. 3 - спектр сигнала шума источника в приведенном масштабе времени; на фиг. 4 - спектр суммарного сигнала в масштабе времени, приведенном к масштабу времени сигнала шума источника.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг. 1. Оно состоит из датчика 1 сигнала шума источника и датчика 2 суммарного шума, выходы которых соединены с входами полосовых фильтров 3 и 4, имеющих идентичные частотные характеристики. Выходы полосовых фильтров 3 и 4 соединены с входами двухканального цифрового спектроанализатора 5. Выход полосового фильтра 3 сигнала шума источника подключен также к входу кратного преобразователя 6 частоты, выход которого соединен с входом внешней частоты дискретизации цифрового анализатора 5, выходы которого подключены к входам вычислительного устройства 7.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. С помощью датчиков 1 и 2 осуществляется раздельный прием сигналов шума источника и суммарного шума. Так, при определении вклада отдельного механизма в общий шум нескольких работающих механизмов (станков в помещении цеха, насосов, дизелей и др. , в машинном отделении судна) в качестве датчика 1 сигнала шума источника может быть использован вибродатчик или микрофон вблизи механизма, в качестве датчика 2 суммарного шума - микрофон в требуемом месте помещения. Принятые сигналы отфильтровываются в определенной полосе с помощью полосовых фильтров 3 и 4, имеющих одинаковые частотные характеристики. Далее выполняются приведение масштабов времени сигналов шума источника и суммарного шума к масштабу времени сигнала шума источника. Эта операция выполняется аналогично способу, использованному в устройстве по авт. св. N 539314, 1976, ("Аппарат магнитной записи", авторы Медведев Ю. П. , Сорокин А. В. ) для компенсации временных нестабильностей сигналов. В данном случае в качестве буферных запоминающих устройств используются оперативные запоминающие устройства обоих каналов двухканального цифрового спектроанализатора 5, а в качестве управляемых аналого-цифровых преобразователей (АЦП) - АЦП спектроанализатора 5, при этом спектроанализатор 5 работает в режиме управления от внешней частоты дискретизации. Сигнал внешней частоты дискретизации вырабатывается с помощью кратного преобразователя 6 частоты, на вход которого подан сигнал шума источника с выхода полосового фильтра 3. Таким образом, в оперативных запоминающих устройствах спектроанализатора 5 накапливаются сигналы в приведенном к сигналу шума источника масштабе времени. Коэффициент преобразования частоты кратного преобразователя 6 выбирается таким, чтобы были соблюдены требования теоремы Котельникова для обоих преобразуемых в цифровую форму сигналов. Отметим, что в качестве двухканального спектроанализатора 5 могут быть использованы, например, отечественный анализатор типа БПФ-2М или анализатор типа 2034 фирмы Брюль и Къер, Дания. В качестве кратного преобразователя 6 частоты может быть использован, например, умножитель частоты на основе системы фазовой автоподстройки частоты, аналогичный прибору типа 1901 фирмы Брюль и Къер, Дания, но полоса пропускания его фильтра нижних частот должна быть не уже ширины полосовых фильтров 3 и 4, чтобы не допустить искажений в процессе приведения масштабов времени.

Сигнал шума источника на выходе полосового фильтра 3 можно записать в виде
S_и(t)= A_и(t)cos[ ω_o(t) + ϕ_и(t)] , (1) где ω_о - центральная частота спектра сигнала.

В результате приведения масштаба времени шума источника частотно-модуляционная компонента сигнала (сомножитель cos[ω_o(t) + ϕ_и(t)] ) превращается в синусоидальный сигнал, а амплитудно-модуляционная компонента (сомножитель A_и(t)) приобретает дополнительную временную модуляцию, т. е. (1) можно записать в виде
S_и[t+ τ (t)] = A_и[t+ τ(t)] cos ω_ot . (2)
Это амплитудно-модулированный сигнал с несущей частотой ω_о(фиг. 2.1, 3).

Сигнал суммарного шума (источника помехи) на выходе полосового фильтра можно записать в виде
S_п(t)= A_и(t)cos[ ω_o(t) + ϕ_и(t)] +
+A_п(t)cos[ ω_o(t) + ϕ_п(t)] . (3)
В результате приведения масштаба времени суммарного сигнала к масштабу времени источника выражение (3) преобразуется к виду:
S_п[t+ τ(t)] = A_и[t+ τ(t)] cos ω_o(t)+A_п[t+
+ τ(t)] cos{ ω_o[t+ τ(t) + ϕ_п(t+ τ (t)] } , (4) т. е. в составе суммарного сигнала также формируется дискретная составляющая на несущей частоте ω_o (ср. первое слагаемое в выражениях (4) и (2)), причем первое слагаемое в (4) подобно (2), но может отличаться масштабным коэффициентом.

Для решения поставленной задачи в вычислительном устройстве 7 должны быть выполнены следующие операции с использованием спектров сигналов (в случае определения соотношения между уровнем сигнала источника и уровнем сформированной на частоте ω_о несущей через коэффициент модуляции).

1. Определение коэффициента модуляции сигнала источника на сформированной несущей частоте ω_о, для чего:
измеряется уровень сигнала U_с² путем суммирования составляющих энергетического спектра;
измеряется уровень U_п² несущей на частоте ω_о энергетического спектра сигнала;
рассчитывается эффективный коэффициент модуляции по формуле
m = . (5)
Данная формула получена из выражения (3, . 7) в книге Гоноровского "Радиотехнические цепи и сигналы", "Сов. радио", М. 1977 г.

2. Определение уровня шума отдельного источника в суммарном шуме с использованием полученного ранее по формуле (5) значения эффективного коэффициента модуляции, для чего:
измеряется уровень U_нш² спектральнoй составляющей на несущей частоте ω_о в спектре суммарного шума;
рассчитывается искомый уровень U_ш² шума источника по формуле
U_ш²= U_нш²(1+0,5m²) (6) (см. формулу (3.7) указанной книги И. С. Гоноровского).

Работоспособность предлагаемого способа была проверена методом моделирования на ЭВМ. Для этого в память машины были введены некоррелированные реализации белого шума. Один из сигналов считался сигналом источника, сумма двух сигналов - суммарным сигналом. Произведена полосовая фильтрация обоих сигналов при ширине полосы фильтрации 23 Гц на средней частоте 100 Гц, т. е. относительная полоса фильтрации равна третьоктаве. Спектры сигнала шума источника и суммарного шума представлены на фиг. 2 (кривые 1 и 2 соответственно). Измеренные в полосе фильтрации уровни сигналов составили:
уровень сигнала шума источника U_с²= 0,9484 В²;
уровень суммарного сигнала U_сс²= 1,975 В².

По спектру сигнала шума источника в приведенном масштабе времени (фиг. 3) измерен уровень несущей на частоте ω_о= 100Гц, U_н²= 0,4367 В². Полученные данные позволяют определить по формуле (5) квадрат коэффициента модуляции:
m²= = 2· = 2.3435 . По спектру сигнала суммарного шума в приведенном масштабе времени (фиг. 4) измерен уровень спектральной составляющей на частоте ω_о= 100 Гц, U_нш²= 0,4164 В² и рассчитан уровень сигнала источника в суммарном шуме
U_ш²= U_нш²(1+0,5m²)= 0,4164 ˙ (1+
+0,5 ˙ 2,3435)= 0,904 В²
В данном случае при моделировании полагали, что коэффициент передачи от источника к приемнику равен единице, а при измерении спектров использовалось усреднение по выборкам. При этих условиях погрешность измерения составила
δ= ·100 = ·100= 4.5 % .

Эта погрешность объясняется недостаточной статической достоверностью вследствие малого числа усреднений при измерениях спектров.

Из изложенного следует, что технический эффект от внедрения предлагаемого изобретения состоит в расширении области применимости способа определения уровня шума источника в суммарном шуме нескольких источников, так как предлагаемый способ не предполагает, как способ-прототип, наличия амплитудной модуляции сигнала шума источника периодическим сигналом, т. е. он не накладывает никаких условий на свойства сигнала источника.

Экономический эффект от внедрения предлагаемого изобретения определяется объемом внедрения и важностью решаемой задачи и не может быть оценен заранее. (56) Авторское свидетельство СССР N 492053, кл. H 04 R 29/00, 1974.

Использование: акустика и радиотехника, в частности определение уровня шума источника в суммарном шуме основан на раздельном приеме сигналов шума источника и суммарного шума и фильтрации каждого из них в выбранной полосе частот. Сигналы шума источника и суммарного шума приводят к масштабу времени сигнала шума источника. Осуществляют спектральный анализ обоих полученных сигналов. Определяют соотношение между уровнем сигнала источника и уровнем спектральной составляющей несущей частоты, сформированной в процессе приведения масштаба времени, путем определения эффективного коэффициента модуляции m сигнала на сформированной несущей частоте. Измеряют уровень спектральной составляющей на несущей частоте U_нш в спектре суммарного шума и определяют полосовой уровень шума U_нш источника в суммарном шуме в соответствии с формулой U2н

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОСОВОГО УРОВНЯ ШУМА ИСТОЧНИКА В СУММАРНОМ ШУМЕ, основанный на раздельном приеме сигналов шума источника и суммарного шума и фильтрации каждого из них в выбранной полосе частот, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности путем обеспечения возможности определения шума источников, не обладающих амплитудной модуляцией, сигналы шума источника и суммарного шума приводят к масштабу времени сигнала шума источника, осуществляют спектральный анализ обоих полученных сигналов, определяют соотношение между уровнем сигнала источника и уровнем спектральной составляющей несущей частоты, сформированной в процессе приведения масштаба времени, путем определения эффективного коэффициента модуляции m сигнала на сформированной несущей частоте, измеряют уровень спектральной составляющей на несущей частоте u_нш в спектре суммарного шума и определяют полосовой уровень шума u_ш источника в суммарном шуме в соответствии со следующей формулой:
u_ш²= u_нш²(1+0,5m²).