基于信息相似性的振動噪聲源主要傳遞路徑應(yīng)用研究

余桐奎，江向東

(1.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱150001;2.大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連116013;3.系統(tǒng)工程部，北京100036)

0 引 言

艦船是一個復(fù)雜的噪聲源分布體，主要存在三大類噪聲:機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲及水動力噪聲。在低航速狀態(tài)下，艦船的總體噪聲主要來源于機(jī)械噪聲，而機(jī)械噪聲主要來源于艦船內(nèi)部的主、輔機(jī)和軸系。機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生水下噪聲的途徑是多種多樣的，其機(jī)械設(shè)備的振動通過彈性安裝、基座等支撐結(jié)構(gòu)和管道、電纜等非支撐結(jié)構(gòu)傳遞到船體上，從而引起結(jié)構(gòu)振動并向周圍水介質(zhì)中輻射噪聲。因而，船體結(jié)構(gòu)不僅是振動能量的載體，也是振動能量和聲能量傳遞的主要通道。

由于艦船機(jī)械噪聲源眾多，傳遞通道的千差萬別，且各通道之間存在相互耦合作用，致使機(jī)械噪聲源振動主要傳遞路徑識別的難度增大。因此，采用不同信息處理方法綜合分析振動噪聲源的主要傳遞路徑很有必要，但是各方法間的綜合集成思路是難點。本文基于多種分析方法，建立了基于信號頻域相似性的信息處理方法，實現(xiàn)了實船機(jī)械噪聲源主要傳遞路徑的判斷。

1 理論分析

信息相似性是指利用信號間頻域或時域上的相似程度來判斷相互之間的權(quán)重。具體來說，就是利用相干函數(shù)/偏相干函數(shù)(條件譜)等信息處理方法對某些信號在特定頻段上對總體噪聲的貢獻(xiàn)大小進(jìn)行判斷分析。

噪聲與振動信息在頻域上的相似程度可以用相干函數(shù)表達(dá)，相干函數(shù)的表達(dá)式為:

當(dāng)輸入測點信息之間相互獨立時，分析系統(tǒng)可用單輸入單輸出模型來近似描述，由式(1)進(jìn)行相干計算可得到各輸入測點信息與輸出測點信息在某些頻段上的信息相似程度。

為避免分析系統(tǒng)中重要的輸入信息被遺漏，在信息源進(jìn)行深入分析前要檢測系統(tǒng)的完備性，尤其對于非獨立信號源，如果在進(jìn)行偏相干分析前不對其因果關(guān)系進(jìn)行判斷，可能導(dǎo)致錯誤的結(jié)論。進(jìn)行輸入信息完備性分析，須引入重相干函數(shù)。

對于獨立信號源，重相干函數(shù)的表達(dá)式為:

對于非獨立信號源，重相干函數(shù)的表達(dá)式為:

式中下標(biāo). (i－1)!表示xi，y 去掉輸入信號x1，x2，…，xi－1的線性影響后xi和y 之間的關(guān)系，i = 1，2，…，q。

通過相干函數(shù)分析可以部分排除與輸出信息相干性較小的輸入信息。而確定相干系數(shù)接近的各測點信息對輸出的影響，則需排除各個測點信息間的相互影響，須引入偏相干分析方法，偏相干函數(shù)的表達(dá)式為:

由于相干、重相干、偏相干分析等方法在振動噪聲源分析領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)相對比較廣泛，但是在傳遞路徑識別方面應(yīng)用尚少，因此，本文主要從試驗及工程應(yīng)用的角度，對基于多相干分析的信息相似性方法在振動噪聲源主要傳遞路徑識別上的可行性進(jìn)行系統(tǒng)研究，并對實船海上航行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2 試驗研究

2.1 試驗實施情況

以某雙體船作為試驗平臺，選擇其雙體水下部分背景相對安靜的泵艙，安裝耦合聲源數(shù)量已知、傳遞路徑清晰、耦合作用明確的激勵源，同步獲取激勵源振動和水下聲輻射信息，分析噪聲源的主要傳遞路徑，并與設(shè)定試驗工況進(jìn)行對比分析。

試驗設(shè)備有3 臺，分別為2 臺同型變頻電機(jī)和1 臺砂輪機(jī)，其中變頻電機(jī)工作頻帶20 ～58 Hz，砂輪機(jī)工作頻率為50 Hz，試驗設(shè)備如圖1 所示。

圖1 試驗設(shè)備Fig.1 Test equipment

圖2 試驗設(shè)備安裝方式及傳遞路徑設(shè)置示意圖Fig.2 The sketch map of fixing mode and setting transfer path of the test equipment

圖2 給出了砂輪機(jī)、1#變頻電機(jī)及2#變頻電機(jī)的安裝方式及空間位置，由圖可見1#變頻電機(jī)和2#變頻電基座在同一筏架上，筏架通過3 條彈性支撐和1 條剛性支撐與殼體相連，其中右下支撐為剛性支撐;1#變頻電機(jī)的右下通過剛性支撐與筏架相連，從而形成“三彈一剛”四條振動傳遞通道;2#變頻電機(jī)的安裝方式與1#變頻電機(jī)相比，不同之處在于剛性通道的設(shè)置為左上機(jī)腳，其他3 路為彈性支撐。

下面以砂輪機(jī)(50Hz)、1#變頻電機(jī)(30Hz)和2#變頻電機(jī)(30Hz)同時開啟工況為例，依據(jù)信息相似性理論，分析振動噪聲源主要傳遞路徑。

2.2 數(shù)據(jù)分析情況

圖3 為水下輻射噪聲功率譜圖。由圖可見，存在30 Hz，50 Hz，100 Hz 等強(qiáng)線譜，經(jīng)分析可知，頻譜構(gòu)成主要體現(xiàn)為30 Hz 和50 Hz 特征線譜及其系列倍頻，因此主要以30 Hz 特征線譜作為研究對象，進(jìn)行主要傳遞路徑分析。

圖3 水下輻射噪聲功率譜圖Fig.3 Spectrum of underwater radiated noise

依據(jù)圖2 給出的設(shè)備位置及布放方式，分別從“輻射—殼體”、 “殼體—筏架”及“筏架—基座”3 個層次來逐層進(jìn)行分析振動噪聲源主要傳遞路徑的識別。

1)輻射—殼體主要傳遞路徑分析

試驗中沿船對應(yīng)水井一側(cè)的殼體共布置7 個振動測點，如圖2 所示，從左至右依次表示為K1 ～K7，圖4 給出了殼體上各振動測點與輻射聲場的相干分析情況，可見相干系數(shù)均較大，需進(jìn)一步采用偏相干分析方法，分析殼體測點與輻射聲場的信息相似情況。

圖4 殼體上各振動測點與輻射聲場的相干分析情況Fig.4 Coherence function chart between body vibration signals and underwater radiated signal

圖5 為殼體上各振動測點與水下輻射噪聲的重相干函數(shù)圖。由圖可見，30 Hz 特征頻譜的重相干系數(shù)為0.998 1，說明選取的殼體振動信息完備。

圖5 殼體上各振動測點與輻射聲場的重相干函數(shù)圖Fig.5 Multiple coherence function chart between body vibration signal and underwater radiated signal

通過對殼體振動測點與輻射聲進(jìn)行偏相干分析，判別殼體振動至水聲場的主要傳遞途徑。利用偏相干分析所給出的相對獨立貢獻(xiàn)，對比發(fā)現(xiàn)存在1 個較大值，表明30 Hz 特征頻譜主要通過變頻機(jī)所在筏架對應(yīng)的殼體向輻射聲場傳遞。

圖6 殼體振動測點與輻射聲場的偏相干分析Fig.6 Partial coherence value between body vibration signals and underwater radiated signal

2)殼體—筏架主要傳遞路徑分析

在上述分析的基礎(chǔ)上，以變頻機(jī)所在筏架對應(yīng)殼體振動測點作為參考點，分析殼體與筏架測點的相干分析情況(圖7);由圖可見，相干系數(shù)均較大，需進(jìn)一步采用偏相干分析方法，分析筏架測點與殼體振動測點的信息相似情況。

圖7 殼體與筏架測點的相干分析情況Fig.7 Coherence function chart between body vibration signal and shelf vibration signals

在偏相干分析之前，對筏架測點與殼體測點進(jìn)行重相干分析，30 Hz 特征頻譜的重相干系數(shù)為0.99，表明選擇的測點信息完備。再進(jìn)一步通過對筏架上各振動測點與殼體進(jìn)行偏相干分析，判別殼體振動至水聲場的主要傳遞途徑。利用偏相干分析所給出的相對獨立貢獻(xiàn)，如圖7 所示，對比發(fā)現(xiàn)存在1 個較大值，表明30 Hz 特征頻譜主要通過筏架的剛性支撐傳遞至殼體。

圖8 殼體與筏架的偏相干分析情況Fig.8 Partial coherence value body vibration signal and shelf vibration signals

3)筏架—基座主要傳遞路徑分析

在上述分析的基礎(chǔ)上，以筏架剛性支撐的振動測點作為參考點，分析筏架與基座的相干分析情況。由于基座—筏架振動測點信息相似度非常高，因此，這里給出30 Hz 特征頻譜的相干系數(shù)(見圖9)。由圖可見，相干系數(shù)值均非常大，需進(jìn)一步采用偏相干分析方法，分析筏架測點與2 臺變頻機(jī)基座振動測點的信息相似情況。

圖9 筏架與變頻機(jī)基座的相干分析情況Fig.9 Coherence function value between shelf vibration signal and electromotor vibration signals

經(jīng)重相干分析表明變頻電機(jī)基座與筏架測點的信息完備之后，再通過對1#、2#變頻電機(jī)基座振動測點與筏架振動測點的偏相干分析，判別2 臺變頻電機(jī)振動至殼體的主要傳遞途徑。利用偏相干分析所給出的相對獨立貢獻(xiàn)，對比發(fā)現(xiàn)存在2 個較大值，分別為1#變頻電機(jī)右下基座和2#變頻電機(jī)左上基座，說明30 Hz 特征頻譜主要由1#變頻電機(jī)通過剛性支撐傳遞至筏架剛性支撐;其次是2#變頻電機(jī)通過剛性支撐傳遞至筏架剛性支撐。

圖10 筏架與變頻機(jī)基座的偏相干分析情況Fig.10 Partial coherence function value between shelf vibration signal and electromotor vibration signals

綜上所述，從信息相似性的角度來看，30 Hz特征頻譜是由1#和2#變頻電機(jī)共同作用產(chǎn)生的，這種振動主要通過1#變頻電機(jī)剛性支撐及2#變頻電機(jī)的剛性支撐傳遞至筏架，再通過筏架下方剛性支撐傳遞至殼體，從而將激勵殼體振動形成水聲場中的強(qiáng)輻射聲，與試驗設(shè)置的剛性傳遞通道相符合，從而說明了分析結(jié)果的合理性。

圖11 主要傳遞路徑識別結(jié)果(30 Hz)Fig.11 The identification result of main transfer path (30 Hz)

3 實船應(yīng)用研究

依托某雙體船作為試驗研究對象，開展海上錨泊狀態(tài)下組合單機(jī)試驗，試驗開啟設(shè)備以左舷為主，主要包括1#柴油發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)、2#主海水冷卻泵和空調(diào)海水冷卻泵，具體分布位置示意圖如圖12 所示。

圖12 試驗船單機(jī)設(shè)備位置示意圖Fig.12 The sketch map of the equipment on test ship

由于各開啟設(shè)備均為獨立安裝方式，通過機(jī)腳—基座單層隔振鏈接于船艙底部殼體，而且基座—殼體為剛性連接，因此，依據(jù)振動至聲的傳遞過程，可將分析過程分解為“輻射—殼體”、 “殼體—機(jī)腳”2 個層次。

圖13 水下輻射噪聲頻譜圖Fig.13 Spectrum of underwater radiated noise

圖13 為該組合工況水下輻射噪聲頻譜圖。針對輻射噪聲中存在的0.2 Hz (歸一化頻率值)強(qiáng)特征線譜，利用建立的信息相似性方法分別從“輻射—殼體”、“殼體—機(jī)腳”2 個層次分別進(jìn)行振動主要傳遞路徑判別，具體分析過程如下。

1)輻射—殼體主要傳遞路徑分析

圖14 給出了各設(shè)備對應(yīng)殼體振動測點與水下輻射聲的相干分析情況。由圖可看出，對于0.2 Hz 特征頻譜，空壓機(jī)、2#主海水泵和空調(diào)海水泵與輻射聲的相干系數(shù)均超過0.9，1#柴發(fā)與輻射聲的相干系數(shù)相對較小(0.73)，因此，選擇相干系數(shù)較大的殼體測點，進(jìn)一步采用偏相干方法分析殼體測點與輻射聲的相似情況。

圖14 殼體與輻射聲場的相干分析情況Fig.14 Coherence function chart between body vibration signals and underwater radiated signal

在進(jìn)行偏相干分析之前，對這些選擇的測點進(jìn)行重相干分析。分析圖15 可知，0.2 Hz 特征頻譜的重相干系數(shù)為0.99，說明選取的殼體振動信息完備。

圖15 殼體上各振動測點與輻射聲場的重相干函數(shù)圖Fig.15 Multiple coherence function chart between body vibration signal and underwater radiated signal

圖16 給出了雙體船右舷下層殼體測點與水下輻射聲的偏相干分析結(jié)果。由圖可看出，在特征頻譜0.2 Hz 處，2#海水泵對應(yīng)殼體測點與輻射聲的偏相干系數(shù)為0.6806，而空調(diào)海水泵為0.528，空壓機(jī)為0.045，說明設(shè)備振動產(chǎn)生的0.2 Hz 特征頻譜能量主要經(jīng)2#主海水泵附近殼體向水中輻射，空調(diào)海水泵附近殼體次之。

2)殼體—機(jī)腳的主要傳遞路徑分析

圖16 殼體與輻射聲的偏相干分析情況Fig.16 Partial coherence function chart between body vibration signals and underwater radiated signal

依據(jù)上述分析結(jié)果，以2#主海水泵附近殼體作為評價點，分析其與各設(shè)備機(jī)腳振動的信息相似程度，如圖17 所示。由圖可以看出，在0.2 Hz 特征頻譜處，2#主海水泵、空調(diào)海水泵和空壓機(jī)機(jī)腳振動與2#主海水泵附近殼體的相干系數(shù)均大于0.8，而柴油發(fā)電機(jī)與殼體的相干系數(shù)非常小，說明該船殼體振動存在的0.2 Hz 特征頻譜可能來源于2#主海水泵、空調(diào)海水泵和空壓機(jī)，因此，下面采用偏相干理論進(jìn)一步分析這3 臺設(shè)備機(jī)腳振動與殼體的信息相似情況。

圖17 設(shè)備機(jī)腳與殼體的相干分析情況Fig.17 Coherence function chart between shelf vibration signal and electromotor′s foot vibration signals

首先經(jīng)重相干分析表明選擇的測點信息完備，再對各設(shè)備機(jī)腳與殼體的進(jìn)行偏相干分析，如圖18所示。由圖可見，對于0.2 Hz 特征頻譜，2#主海水泵與殼體的偏相干系數(shù)最大，為0.880 5，空調(diào)海水泵次之，為0.195，說明0.2 Hz 特征頻譜能量主要由2#主海水泵機(jī)腳傳遞至附近殼體。

綜上所述，水下輻射噪聲頻譜中存在的0.2 Hz強(qiáng)特征頻譜主要來源于2#主海水泵和空調(diào)海水泵，振動能量主要由2#主海水泵機(jī)腳傳遞至基座經(jīng)附近殼體，再傳遞至水聲場，從而形成水下輻射聲;其次由空調(diào)海水泵機(jī)腳傳遞至基座再經(jīng)其附近殼體向水中輻射。

圖18 設(shè)備機(jī)腳與殼體的偏相干分析情況Fig.18 Partial coherence function chart between shelf vibration signal and electromotor′s foot vibration signals

結(jié)合該船海上錨泊狀態(tài)下，各機(jī)械設(shè)備單獨開啟試驗的振動與聲綜合測試分析結(jié)果可知:只有2#主海水泵和空調(diào)海水泵能夠產(chǎn)生0.2Hz 特征頻譜，而且2#主海水泵產(chǎn)生的水下輻射噪聲總聲級相對較高，從而證明上述分析結(jié)果準(zhǔn)確。

4 結(jié) 語

建立了多種分析方法共同分析激勵源主要傳遞路徑的綜合分析方法;通過對實船多臺機(jī)械設(shè)備工作的振動至聲輻射的綜合測試分析，驗證了該分析思路的有效性，可以用于船舶或水下航行器的機(jī)械設(shè)備振動噪聲源主要傳遞路徑的判別。

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