基于降噪源分離的艦艇振動噪聲源分離與識別方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于降噪源分離的艦艇振動噪聲源分離與識別方法，先利用艦艇殼體結構觀測振動混合信號包含的分量的統(tǒng)計獨立性，建立艦艇殼體結構振動噪聲源混合模型；然后利用降噪源分離方法將艦艇殼體結構觀測振動混合信號分離為若干個獨立源成分；再利用艦艇殼體結構振源先驗信息，采用時域和頻域聯(lián)合分析的方法，從獨立源成分中識別出艦艇振動噪聲源。本發(fā)明提供的方法穩(wěn)定高效，可實現(xiàn)在線分析，結果可靠，實時性好，簡單易行，適用于艦艇等裝備振動噪聲源信息的分離和識別，不對艦艇結構造成損傷，便于對現(xiàn)有艦艇等殼體結構裝備振動噪聲源的準確分離與識別，可為艦艇減振降噪工作提供可靠依據(jù)。
【專利說明】基于降噪源分離的艦艇振動噪聲源分離與識別方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于艦艇振動噪聲監(jiān)測與控制領域，具體涉及一種基于降噪源分離的艦艇振動噪聲源分離與識別方法。
【背景技術】
[0002]艦艇是捍衛(wèi)國家安全和海洋權益的國防利器，振動噪聲監(jiān)測和控制對于提高艦艇隱身性能和作戰(zhàn)能力具有重要工程價值。艦艇結構復雜、振源眾多、空間密集，使得振動噪聲源識別與定位困難，成為制約艦艇隱身性能的瓶頸。振動噪聲源分離與識別技術可從輻射振動噪聲混合信息中有效分離和識別輻射噪聲源，揭示振動噪聲傳遞特性，為現(xiàn)有裝備振動噪聲監(jiān)測與主動控制，以及新型裝備的減振降噪設計提供可靠依據(jù)。因此，對艦艇等國防裝備振動噪聲源分離與識別，準確揭示振動噪聲發(fā)生、傳遞以及混合特性，有針對性地指導艦艇減振降噪工作具有重要的學術意義和工程應用價值。
[0003]目前，艦艇振動噪聲源識別方法主要有自適應噪聲抵消法、虛擬樣本法、多輸入多輸出(MMO)量化分析模型方法等，上述方法從能量流角度分析了各個振動噪聲源基本特性，而未對振動噪聲源主要特征成分進行詳細分析，以及獲取振動噪聲源獨立的波形信息，為振動噪聲監(jiān)測控制提供可靠依據(jù)。對于復雜的艦艇結構，直接利用建模方法理論獲取振動噪聲源信息與實際工況有較大誤差，不能為振動噪聲監(jiān)測與控制提供穩(wěn)定精準的源信息。目前尚無分離和識別艦艇振動噪聲源的可靠方法，亟待解決艦艇振動噪聲監(jiān)測控制的難題。
[0004]艦艇等殼體結構裝備振動噪聲由柴油機等設備工作時產(chǎn)生，經(jīng)過復雜殼體結構傳遞到艦船表面，多源混合后輻射到水中。復雜的信源發(fā)生、傳遞和混合方式，是振動噪聲監(jiān)測控制的技術瓶頸。傳統(tǒng)的有限元建模分析方法雖可進行簡單結構振動噪聲分析，但對于多源并存，結構過于復雜的艦艇難以奏效，實際分析中誤差很大。利用輸入輸出特性分析振動噪聲源，也不能有效解決傳遞與混合機理復雜問題。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于降噪源分離的艦艇振動噪聲源分離與識別方法，該方法結果可靠、實時性好、簡單易行、適用于艦艇等裝備振動噪聲源信息分離和識別。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案包括以下步驟:
[0007]I)利用艦艇殼體結構觀測振動混合信號X包含的分量的統(tǒng)計獨立性，分析艦艇振動噪聲的發(fā)生、傳遞和混合機理，建立艦艇殼體結構振動噪聲源混合模型；
[0008]2)利用降噪源分離方法將艦艇殼體結構觀測振動混合信號X分離為若干個獨立源成分；
[0009]3)利用艦艇殼體結構振源先驗信息，采用時域和頻域聯(lián)合分析的方法，從獨立源成分中識別出艦艇振動噪聲源。
[0010]所述步驟I)的艦艇殼體結構振動噪聲源混合模型為:[0011]X=AS+N
[0012]其中:由n個信源Sj(t)(j=l，...，!!)組成的源信息S發(fā)出的源信號在艦艇殼體結構m個不同位置觀測到的艦艇殼體結構觀測信號Xi (t) (i=l, -,m)組成艦艇殼體結構觀測振動混合信號 Xj=(S1U), s2(t),..., sn (t)} ,X= (X1 (t), x2(t),..., xm(t)}, A 為艦艇振源混合矩陣，N為噪聲信號，t表不時間。
[0013]所述的艦艇殼體結構觀測信號Xi (t)表示為:
【權利要求】
1.基于降噪源分離的艦艇振動噪聲源分離與識別方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)利用艦艇殼體結構觀測振動混合信號X包含的分量的統(tǒng)計獨立性，分析艦艇振動噪聲的發(fā)生、傳遞和混合機理，建立艦艇殼體結構振動噪聲源混合模型； 2)利用降噪源分離方法將艦艇殼體結構觀測振動混合信號X分離為若干個獨立源成分； 3)利用艦艇殼體結構振源先驗信息，采用時域和頻域聯(lián)合分析的方法，從獨立源成分中識別出艦艇振動噪聲源。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于降噪源分離的艦艇振動噪聲源分離與識別方法，其特征在于:所述步驟I)的艦艇殼體結構振動噪聲源混合模型為:
X=AS+N 其中:由η個信源h(t) (j=l,…，η)組成的源信息S發(fā)出的源信號在艦艇殼體結構m個不同位置觀測到的艦艇殼體結構觀測信號Xi (t) (i=l, -,m)組成艦艇殼體結構觀測振動混合信號 Xj=(S1U), s2(t),..., sn(t)} ,X= (X1 (t), x2(t),..., xm(t)}, A 為艦艇振源混合矩陣，N為噪聲信號，t表不時間。
3.根據(jù)權利要求2所述的基于降噪源分離的艦艇振動噪聲源分離與識別方法，其特征在于:所述的艦艇殼體結構觀測信號Xi (t)表示為:
4.根據(jù)權利要求1-3中任意一項所述的基于降噪源分離的艦艇振動噪聲源分離與識別方法，其特征在于:所述步驟2)的降噪源分離方法包括基于能量降噪函數(shù)的源分離方法、基于斜度降噪函數(shù)的源分離方法、基于峭度降噪函數(shù)的源分離方法或基于正切降噪函數(shù)的源分離方法。
5.根據(jù)權利要求4所述的基于降噪源分離的艦艇振動噪聲源分離與識別方法，其特征在于:所述步驟2)中利用降噪源分離方法并通過非高斯性度量將艦艇殼體結構觀測振動混合信號分離為若干個獨立源成分，其中非高斯性度量采用的公式為:
Ng (y) [E {G (y)} -E {G (ygauss)} ]2 式中，Ng(y)為概率密度函數(shù)為P (y)的信號y的負熵，ygauss為與y具有相同方差的高斯分布的隨機量；E為均值運算，G表示非線性函數(shù)。
6.根據(jù)權利要求5所述的基于降噪源分離的艦艇振動噪聲源分離與識別方法，其特征在于:所述的G表示的非線性函數(shù)為G(U)=Igcosh(U)或G(u)=-exp(-u2/2),其中u表示非線性函數(shù)的自變量。
7.根據(jù)權利要求1-3中任意一項所述的基于降噪源分離的艦艇振動噪聲源分離與識別方法，其特征在于:所述的步驟3)中的艦艇殼體結構振源先驗信息是直接通過對艦艇殼體結構振源基座的測量獲取的，或者根據(jù)振源運行狀態(tài)理論分析獲得的。
8.根據(jù)權利要求7所述的基于降噪源分離的艦艇振動噪聲源分離與識別方法，其特征在于:所述步驟3)中的艦艇殼體結構的先驗信息包括艦艇殼體結構振源波形、周期和特征頻率的先驗信息。
9.根據(jù)權利要求7所述的基于降噪源分離的艦艇振動噪聲源分離與識別方法，其特征在于:所述步驟3)中的采用時域和頻域聯(lián)合分析的方法具體是構造時域相關系數(shù)和頻域相關系數(shù)； 實離散信號X (k)和y (k)的時域相關系數(shù)P τ和頻域相關系數(shù)P P分別表示為:

10.根據(jù)權利要求9所述的基于降噪源分離的艦艇振動噪聲源分離與識別方法，其特征在于:所述步驟3)中從獨立源成分中識別出艦艇振動噪聲源是通過判斷閾值確定的，具體為: 當Ρτ>0.65且P F>0.8時，獨立源成分與該振源對應，識別有效，該振源是艦艇振動噪聲源； 當Ρτ〈0.65且P F〈0.8時，獨立源成分與該振源不對應，識別無效，該振源不是艦艇振動噪聲源； 其它情況，識別門限模糊，需要重新識別。
【文檔編號】G01H17/00GK103674230SQ201310617296
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月26日 優(yōu)先權日:2013年11月26日
【發(fā)明者】成瑋, 張周鎖, 何正嘉, 訾艷陽, 曹宏瑞, 李兵 申請人:西安交通大學