СПОСОБ ЛОКАЛИЗАЦИИ ОБЛАСТЕЙ АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G01S15/46 

Изобретение относится к области измерительной техники и может использоваться для поиска областей повышенного акустического излучения на поверхности сложного излучателя: на автомобильном или железнодорожном транспорте, судах различного назначения при их диагностическом обследовании, а также при экспериментальных исследованиях эффективности средств звукоизоляции и подавления отраженных звуковых волн.

Известен способ локализации источников шумоизлучения, основанный на применении направленных антенн (А.К. Новиков. Статистические измерения в судовой акустике, Л., Судостроение, 1985, с. 263÷266). Этот метод позволяет с использованием системы приемников, образующих дискретную антенну, выявлять распределение областей повышенного шумоизлучения на поверхности объекта измерений, например, на корпусе контролируемого судна. Формирование областей шумоизлучения обусловлено работой отдельных источников из числа технического оборудования объекта измерений: двигатели, насосы, вентиляторы и т.д. Локализация областей шумоизлучения осуществляется фокусировкой антенны по дальности и сканированием по направлению. Фокусировка - компенсацией запаздывания сигналов, принимаемых дискретными приемниками антенны с их синфазным сложением. Недостатком способа является зависимость пространственного разрешения области шумоизлучения от длины волны.

Известен способ определения областей повышенного акустического излучения по длине объекта, используемый при поиске источников шумоизлучения корабля (Р.Дж. Урик. Основы гидроакустики, Л., Судостроение, 1978, с. 346÷347) - прототип.

Сущность способа поясняется на примере ходовых испытаний судов, когда движущееся судно проходит на близком расстоянии от измерительного гидрофона. При этом регистрируется изменение уровня акустического давления по траектории движения судна и строится проходная характеристика (пространственное распределение уровня). В основе способа - определение момента максимума уровня акустического давления, обусловленного источниками акустического излучения - виброактивными механизмами, распределенными по длине судна. При этом локализация областей шумоизлучения машин и механизмов, а следовательно, и распределение областей акустического излучения на корпусе судна, определяются сопоставлением максимумов звукового давления с частями судна, которые в момент возникновения максимумов оказываются ближайшими к приемнику (гидрофону).

Сущность способа-прототипа сводится к следующим операциям:

1) прием суммарного сигнала излучения движущегося объекта;

2) полосовая фильтрация принятого сигнала;

3) формирование пространственного распределения уровней сигнала;

4) регистрация распределения уровней.

Результаты регистрации распределения уровней (проходную характеристику) используют для поиска координат максимальных значений уровней шумоизлучения, сопоставляемых с положением элементов объекта испытаний.

Недостатком способа является низкая разрешающая способность локализации областей излучения, формирующих гидроакустическое поле объекта, обусловленная применением ненаправленного приемника. Это исключает возможность объективного сравнения энергетических вкладов локализованных зон шумоизлучения в формируемое акустическое поле объекта при близком относительном положении источников шумоизлучения.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение разрешающей способности локализации областей акустического излучения по длине объекта независимо от длины волны.

Это достигается тем, что после приема суммарного сигнала дискретных излучателей акустического поля распределенного источника выполняют полосовую фильтрацию сигналов в заданных точках пространства. Затем осуществляют формирование пространственного распределения уровней принятого сигнала в полосе частот. Дополнительно формируют пространственное распределение уровня сигнала ненаправленного излучателя и вычисляют спектры распределений уровней принятого суммарного сигнала и сигнала ненаправленного излучателя. После чего вычисляют отношение спектров, осуществляют обратное преобразование Фурье и регистрацию результатов локализации.

Сущность предлагаемого способа поясняется рисунками, где представлены:

- структурная схема устройства, реализующего способ (фиг. 1);

- распределение уровней принимаемого сигнала одиночного источника (безразмерного напряжения U/U₀ по линейной координате X) с исходным и повышенным разрешениями (фиг. 2);

- распределение уровней сигнала двух источников с исходным и повышенным разрешениями (фиг. 3);

- пространственное распределение уровня сигнала двух источников, рассредоточенных по плоскости, с исходным (фиг. 4) и повышенным разрешениями (фиг. 5);

- схема установки для экспериментальной проверки работоспособности предлагаемого способа (фиг. 6);

- результаты экспериментальной проверки эффективности способа (фиг. 7).

Устройство содержит приемник сигнала 1, блок формирования опорного сигнала ненаправленного излучателя 2, формирователь пространственного распределения уровней суммарного сигнала 3 и уровней опорного сигнала ненаправленного излучателя 4 (фиг. 1). В устройство входят блоки вычисления преобразования Фурье 5 и 6, блок вычисления отношения спектров 7 и блок вычисления обратного преобразования Фурье 8, соединенный с входом регистратора 9.

С использованием описанного устройства предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Суммарный сигнал, формируемый объектом, принимается приемником 1. При движении объекта относительно приемника осуществляется запоминание сигнала. Для неподвижного объекта прием осуществляется при помощи совокупности измерительных преобразователей, рассредоточенных в пространстве. При создании опорного сигнала в формирователе опорного сигнала 2 учитываются параметры одиночного излучателя: протяженность траектории движения, минимальное расстояние между пространственными координатами области измерений и координатами расположения приемников. При формировании распределений уровней опорного и суммарного сигналов в блоках 3 и 4 используются полосовая фильтрация и амплитудное детектирование. После вычисления спектров распределений уровней суммарного и опорного сигналов по пространственным координатам в блоках 5 и 6 определяется их отношение в блоке вычисления отношений спектров 7 и далее осуществляется обратное преобразование Фурье в блоке 8. Последние операции используются для решения обратной или некорректной задачи, и позволяют повысить разрешающую способность анализа. Выполнение этих операций для распределения уровней колебаний в отличие от прототипа обеспечивает независимость разрешающей способности локализации областей повышенного излучения по поверхности объекта измерений.

Способ решения обратной задачи на основе деконволюции хорошо известен. Для устойчивости решения применяют метод регуляризации Тихонова.

Для плоскости решение обратной задачи сводится к следующим операциям.

Определяется распределение уровня сигнала ненаправленного источника, по которому оценивается квадрат модуля нормированной пространственной передаточной функции, зависящей от расстояния между излучающей поверхностью и линией расположения приемников.

Осуществляется деконволюция пространственно-частотного распределения уровня звукового давления по выбранной оси измерений с помощью обратного преобразования Фурье от отношения спектра распределения уровней принимаемого сигнала и пространственной передаточной функции. Она используется для локализации областей акустического излучения.

При измерениях регистрируется нормированное пространственно-частотное распределение звукового давления, по которому определяются координаты областей максимального шумоизлучения (или отражения) объекта измерений относительно его поверхности.

Достоверность предлагаемого способа подтверждена многочисленными результатами компьютерного моделирования по распределению уровня сигнала на интервале 16 м (график 10, фиг. 2). Источник сигнала с заданной частотой располагался в центре области наблюдения. Обработка данных по предлагаемому способу позволила повысить разрешающую способность анализа (график 11, фиг. 2). Для двух источников с отличающимися координатами распределение уровня суммарного исходного сигнала по линейной координате и распределения с повышенным разрешением представлены на фиг. 3, на которой обозначены: исходное 12 распределение уровней сигнала двух источников и с повышенным разрешением 13. Сравнение представленных зависимостей показывает, что применение предлагаемого способа существенно повышает разрешающую способность выделения доминирующих областей акустического излучения. Эффективность способа для пространственной обработки измерительных данных, полученных для источников, рассредоточенных на плоскости, проиллюстрирована на фиг. 4, 5.

Из сравнения пространственных изображений распределения уровней принимаемых сигналов до (фиг. 4) и после применения отличительных операций предлагаемого способа (фиг. 5) следует, что пространственное разрешение областей излучения составляет меньше половины длины волны.

В натурных условиях проверка работоспособности предлагаемого способа осуществлялась следующим образом.

В рабочем участке гидродинамической трубы (фиг. 6) размещалась модель обтекаемого тела, на которую воздействовал поток набегающей воды V. На схеме трубы обозначены: 14 - объект измерений (модель тела), 15 - звукопрозрачные окна, 16 - приемники (измерительные гидрофоны). При определенной скорости потока на поверхности модели формировались области акустического излучения, обусловленные кавитацией, вызывающей резкое возрастание уровня принимаемого сигнала в широком диапазоне частот. Задача экспериментальной проверки способа - определение по длине модели координат областей шумоизлучения, обусловленных источниками кавитационного происхождения. С этой целью в гидродинамической трубе устанавливались приемники акустического давления (гидрофоны), которые воспринимали акустические сигналы через звукопрозрачные окна. Для оценки распределения уровней сигналов в координатах между точками установки гидрофонов акустического давления использовалась интерполяционная обработка измерительных данных. Достоверность результатов натурного эксперимента подтверждена контрольными стробоскопическими измерениями (фиг. 7: график 17 - исходное распределение уровней принимаемого сигнала, график 18 - распределение уровней, полученное по предлагаемому способу).

Из сравнения зависимостей оцениваемых уровней сигналов следует, что применение способа обеспечивает требуемое повышенное пространственное разделение областей акустического излучения.

Анализ модельных и экспериментальных оценок пространственных распределений областей шумоизлучения показывает, что основное преимущество предлагаемого способа перед прототипом заключается в сохранении постоянной разрешающей способности пространственной локализации областей акустического излучения по поверхности объекта в широком диапазоне частот без изменения волновых размеров приемника или системы приемников. Способ может быть реализован как при движении объекта измерений относительно неподвижного приемника при натурных испытаниях, так и в статическом режиме измерений, например при исследовании акустических характеристик моделей судов или средств звукоизоляции в стандартных условиях гидроакустических бассейнов.

Использование: контрольно-измерительная техника. Решает задачу повышения разрешающей способности локализации источников акустического излучения, распределенных на поверхности объекта измерений для отличающихся частотных диапазонов. Сущность: определяют пространственное распределение уровней суммарного сигнала дискретных излучателей акустического поля распределенного источника в заданных точках пространства и формируют пространственное распределение уровня сигнала ненаправленного излучателя. Затем вычисляют отношение спектров полученных распределений уровней, выполняют обратное преобразований Фурье и регистрируют результаты локализации областей акустического излучения. Последовательность перечисленных операций обеспечивает существенное повышение пространственной избирательной способности при оценке координат положения областей шумоизлучения по поверхности объекта измерений. Преимущество предлагаемого способа состоит в том, что его реализация обеспечивает эффективный анализ акустического поля объекта измерений независимо от частоты излучения. 7 ил.

Способ локализации областей акустического излучения, включающий прием суммарного сигнала дискретных излучателей акустического поля распределенного источника, полосовую фильтрацию сигналов в заданных точках пространства, формирование пространственного распределения уровней принятого сигнала в полосе частот и регистрацию результатов локализации, отличающийся тем, что дополнительно формируют пространственное распределение уровня сигнала ненаправленного излучателя, вычисляют спектры распределений уровней принятого суммарного сигнала и сигнала ненаправленного излучателя, вычисляют отношение спектров, осуществляют обратное преобразование Фурье отношения спектров и регистрируют результаты локализации.