雙層圓柱殼異常噪聲源定位試驗(yàn)研究與應(yīng)用

李瑞彪，徐榮武，崔立林，余文晶

1海軍工程大學(xué)船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430033 2海軍工程大學(xué)振動(dòng)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(yàn)研究與應(yīng)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(xué)船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430033 2海軍工程大學(xué)振動(dòng)與噪聲研究所，湖北武漢430033

［目的］針對(duì)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(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。模型以廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)方法計(jì)算的時(shí)間延遲為輸入，以傳統(tǒng)雙曲定位為基礎(chǔ)，通過改進(jìn)的基于圓柱殼體的雙曲定位方法求解噪聲源位置坐標(biāo)。試驗(yàn)中，用敲擊信號(hào)模擬舷外異常噪聲源，對(duì)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(shí)延估計(jì)對(duì)定位精度的影響。［結(jié)果］試驗(yàn)結(jié)果表明，基于雙層圓柱殼的雙曲定位方法可以準(zhǔn)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(jié)論］所得結(jié)果可為船舶舷外異常噪聲源定位提供一定的理論指導(dǎo)。

船舶；異常噪聲；雙曲定位方法；時(shí)延估計(jì)

0 引 言

船舶輻射噪聲主要由機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲這3部分疊加而成［1］，而異常噪聲的出現(xiàn)往往會(huì)導(dǎo)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(huì)導(dǎo)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(xué)故障等原因而產(chǎn)生，具有突發(fā)性，信號(hào)特征具有非平穩(wěn)性，大多不可復(fù)現(xiàn)，且受海洋環(huán)境噪聲影響較大，這就使得對(duì)異常噪聲源坐標(biāo)位置的確定較為困難，且還不能及時(shí)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(duì)船舶舷外異常噪聲定位的研究仍處于初級(jí)階段，尚未形成一套完整的應(yīng)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(hù)保養(yǎng)、塢修的時(shí)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(shù)［3］、空氣中傳統(tǒng)聲源定位技術(shù)［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(chǔ)上，采用雙曲定位原理，結(jié)合異常噪聲的信號(hào)特征及發(fā)生特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)雙曲定位方法進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化以求解噪聲源位置坐標(biāo)，并以雙層圓柱殼艙段縮比模型驗(yàn)證該方法的有效性。

1 廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)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(qiáng)、目標(biāo)聲強(qiáng)度低、持續(xù)時(shí)間較短，屬于寬帶非平穩(wěn)信號(hào)，一般間歇出現(xiàn)。船舶異常噪聲源信號(hào)時(shí)域及頻域分析表示如圖1所示，從中可見目標(biāo)信號(hào)信噪比較低，并伴有周期性的強(qiáng)窄帶噪聲干擾。結(jié)合雙層圓柱殼縮比艙段模型試驗(yàn)，選用廣義互相關(guān)（Generalized Cross-Correlation，GCC）時(shí)延估計(jì)方法［8-9］估計(jì)不同傳聲器接收到的噪聲信號(hào)之間的時(shí)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(guān)法通過計(jì)算不同傳感器接收到的噪聲信號(hào)之間的互功率譜，在頻域內(nèi)進(jìn)行一定的加權(quán)，從而突出相關(guān)的信號(hào)部分，抑制受環(huán)境噪聲干擾的部分，以使相關(guān)函數(shù)在時(shí)延處的峰值更為突出，然后再反變換到時(shí)域得到兩種信號(hào)之間的互相關(guān)函數(shù)，最終估計(jì)出兩種信號(hào)之間的時(shí)間延遲。圖2所示為應(yīng)用廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)方法計(jì)算不同傳聲器所接收到的信號(hào)之間的時(shí)間延遲的原理圖。

圖1 異常噪聲信號(hào)時(shí)域及頻域表示Fig.1 Time and frequency domain representation of abnormal noise

圖2 廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)原理圖Fig.2 Schematic diagram of the GCC based time delay estimation

假設(shè)任意兩路傳聲器接收到的信號(hào)為：

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

對(duì)接收信號(hào)做互功率譜以及自功率譜分析，以估計(jì)不同傳聲器接收到的信號(hào)間的時(shí)間延遲，即

式中：W(w)為權(quán)重因子，本文根據(jù)信號(hào)特征選取SCOT（Smoothed coherence transform）加 權(quán)［11］，SCOT加權(quán)處理對(duì)傳聲器所接收的信號(hào)可起到預(yù)白化的作用，當(dāng)弱寬帶信號(hào)中存在強(qiáng)窄帶成分時(shí)，可以提高時(shí)延估計(jì)的準(zhǔn)確性；Gii(w)和Gjj(w)為傳聲器接收到的信號(hào)的自功率譜；Gij(w)為傳聲器接收到的信號(hào)的互功率譜；Rij(τ)峰值所對(duì)應(yīng)的τ值即為不同傳聲器接收到的信號(hào)之間的時(shí)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(guān)法估計(jì)的時(shí)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(biāo)，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(yùn)用雙曲定位分析方法時(shí)，首先根據(jù)傳統(tǒng)的雙曲定位分析求解異常噪聲源坐標(biāo)。其次，結(jié)合異常噪聲源的信號(hào)特征以及模型特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)雙曲定位分析方法進(jìn)行優(yōu)化［12］，得到改進(jìn)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(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)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(yīng)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(jù)觀測點(diǎn)之間的觀測距離差來進(jìn)行空間交匯［7］，進(jìn)而求解目標(biāo)點(diǎn)空間坐標(biāo)的過程。觀測點(diǎn)首先通過檢測信號(hào)到達(dá)的時(shí)刻來計(jì)算不同傳感器接收到的信號(hào)之間的時(shí)間延遲，繼而求解距離差。要求各個(gè)觀測點(diǎn)采集數(shù)據(jù)時(shí)同時(shí)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(gè)傳感器，其中一個(gè)作為參考點(diǎn)，其余3個(gè)作為觀測點(diǎn)。采用差分法計(jì)算不同觀測點(diǎn)與參考點(diǎn)接收到的信號(hào)之間的時(shí)間延遲，從而表示出距離差及雙曲定位方程，繼而求解目標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)。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(biāo)點(diǎn)空間坐標(biāo)的過程如下：

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

對(duì)式（5）進(jìn)行坐標(biāo)平移，即

則構(gòu)成的新的定位方程

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

2.2 基于雙層圓柱殼的雙曲定位分析

聲波信號(hào)在空氣或者水介質(zhì)中傳播時(shí)，傳播路徑會(huì)隨介質(zhì)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(yàn)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(hào)與船舶實(shí)際異常噪聲信號(hào)特征相同，都屬于非平穩(wěn)、弱寬帶信號(hào)，頻帶范圍較廣。根據(jù)聲波衍射原理，結(jié)合殼體模型的尺寸，部分聲波是沿殼體表面進(jìn)行傳播。以傳統(tǒng)雙曲定位方法為基礎(chǔ)，將模型按照象限進(jìn)行平面投影，可得

3 雙層圓柱殼模型試驗(yàn)分析

雙層圓柱殼模型試驗(yàn)在空曠寬敞的廠房內(nèi)進(jìn)行（以有效避免室內(nèi)混響以及室外空氣噪聲對(duì)試驗(yàn)帶來的影響），以雙層圓柱殼縮比艙段模型為試驗(yàn)對(duì)象。模型長2 m，外半徑0.89 m，內(nèi)半徑0.8 m。用敲擊信號(hào)來模擬舷外異常噪聲源，并通過傳聲器進(jìn)行接收。噪聲信號(hào)分別由以下聲源單獨(dú)或者經(jīng)不同的組合產(chǎn)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(shí)際設(shè)備噪聲信號(hào)等。試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皟x器設(shè)備實(shí)景如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c試驗(yàn)設(shè)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(gè)。加速度計(jì)布置在激振器的基座附近，每個(gè)基座安裝一個(gè)，共2個(gè)，用來采集激振器振源及殼體的振動(dòng)信息。傳感器的布置如圖6所示，具體安裝位置的坐標(biāo)如表1所示。安裝傳聲器時(shí)，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(dòng)對(duì)傳聲器帶來的影響，提高傳聲器所采集信號(hào)的可信度。模擬背景噪聲分別由激振器激勵(lì)殼體、開啟風(fēng)扇等設(shè)備產(chǎn)生，試驗(yàn)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(biāo)Table 1 The coordinate of sensors

試驗(yàn)中，所有傳感器數(shù)據(jù)同時(shí)基采集，主要試驗(yàn)設(shè)備有：HEA-200C功率放大器、HEV-200激振器、B&K 4513加速度計(jì)、BSWA MPA416傳聲器、B&K 2650采集器和RIGOL DG4162信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)采樣頻率65 536 Hz，采樣時(shí)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(yàn)過程中，為對(duì)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(shí)延估計(jì)誤差對(duì)噪聲源定位精度的影響，切實(shí)模擬實(shí)船噪聲環(huán)境，分別設(shè)置了激振器常開+單次敲擊、激振器常開+連續(xù)敲擊等10個(gè)大的工況，試驗(yàn)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(gè)試驗(yàn)過程共采集到200余組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 試驗(yàn)工況表Table 2 Experimental conditions

3.1 異常噪聲源定位對(duì)比分析

在雙層圓柱殼模型試驗(yàn)中，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，首先優(yōu)選信噪比較高的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其次結(jié)合傳感器布置位置選擇參考點(diǎn)及觀測點(diǎn)。對(duì)所選測點(diǎn)進(jìn)行相互的常相干分析，以整個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析頻段內(nèi)的相干系數(shù)大于0.7為標(biāo)準(zhǔn)［14］。若兩測點(diǎn)間的相干系數(shù)滿足此標(biāo)準(zhǔn)，可認(rèn)為該兩測點(diǎn)在整個(gè)頻段內(nèi)相關(guān)性較強(qiáng)，則取其中一個(gè)測點(diǎn)作為參考點(diǎn)，再與其他測點(diǎn)進(jìn)行相干分析，由此選出參考點(diǎn)與觀測點(diǎn)。原則上，必須選擇1個(gè)參考點(diǎn)，觀測點(diǎn)不得少于3個(gè)，同時(shí)，所選測點(diǎn)應(yīng)盡量處在同一面或者同一條直線上，以減小外界環(huán)境對(duì)傳感器接收噪聲源信號(hào)的影響。

以1#試驗(yàn)工況為例，選擇2#敲擊點(diǎn)（圖6）模擬噪聲源。結(jié)合常相干分析，并綜合考慮測點(diǎn)布置位置，以7#傳聲器為參考點(diǎn)，以1#傳聲器、5#傳聲器和8#傳聲器為觀測點(diǎn)，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(biāo)。

通過Matlab編程，利用廣義互相關(guān)法估計(jì)不同觀測點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的時(shí)間延遲。傳統(tǒng)雙曲定位方法是利用已得到的時(shí)間延遲計(jì)算雙曲面，并求解雙曲面與殼體的交點(diǎn)（殼體也是作為一個(gè)約束條件代入求解方程）來得到異常噪聲源的空間坐標(biāo)。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(biāo)。

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(guān)法估計(jì)的不同觀測點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的時(shí)間延遲為基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)雙曲定位方法不同的是，其是先將模型進(jìn)行投影分析，之后再計(jì)算雙曲線的交點(diǎn)，并投影到模型上得到噪聲源的空間坐標(biāo)，異常噪聲源定位結(jié)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(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)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(duì)這2種定位方法定位精度的影響，分析結(jié)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(duì)比Table 3 The comparison of two positioning methods'accuracy

1）在任意4種試驗(yàn)工況下，試驗(yàn)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(zhǔn)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(duì)誤差均小于3.5 cm。

2）對(duì)比分析工況1與工況9的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，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(biāo)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(zhǔn)確，可為異常噪聲源位置的確定提供一定的指導(dǎo)。

4）在工況5下，通過激振器發(fā)射實(shí)際設(shè)備噪聲信號(hào)，不同傳感器之間的時(shí)延估計(jì)誤差不均衡，波動(dòng)較大，導(dǎo)致z軸方向的定位精度要略優(yōu)于x軸。與工況2進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者在直線距離上定位絕對(duì)誤差的變化基本相當(dāng)。

3.2 時(shí)延估計(jì)誤差對(duì)異常噪聲源定位的影響

通過廣義互相關(guān)法得到的時(shí)延估計(jì)是噪聲源定位模型的輸入，而由于異常噪聲源信號(hào)本身屬于非平穩(wěn)信號(hào)，故時(shí)延估計(jì)難免會(huì)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(shí)延估計(jì)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(dāng)時(shí)延估計(jì)存在-20%～20%之間的誤差時(shí)，對(duì)應(yīng)噪聲源定位精度的變化情況。

由表4可以看出：

表4 時(shí)延估計(jì)誤差對(duì)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(shí)延估計(jì)誤差在-20%～20%之間變化時(shí)，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(duì)誤差均小于9 cm，直線距離絕對(duì)誤差小于10 cm，定位精度波動(dòng)變化受時(shí)延估計(jì)誤差的影響較傳統(tǒng)雙曲定位小。

2）對(duì)比2種方法下 x軸、y軸以及 z軸方向的定位結(jié)果發(fā)現(xiàn)，時(shí)延估計(jì)誤差對(duì)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(duì)波動(dòng)較大，誤差較大。

4 結(jié) 論

針對(duì)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(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）改進(jìn)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(qiáng)，在強(qiáng)背景噪聲下也可以準(zhǔn)確進(jìn)行異常噪聲源定位，各方向的定位精度絕對(duì)誤差均小于3.5 cm。

2）當(dāng)時(shí)延估計(jì)誤差在-20%～20%之間變化時(shí)，對(duì)噪聲源的定位精度有一定的影響，但改進(jìn)后的噪聲源定位方法的各方向定位精度絕對(duì)誤差均小于10 cm。

3）雙層圓柱殼試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)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(dǎo)。

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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(wǎng)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(yàn)研究與應(yīng)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(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2017-7-27 10:36

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51209214）

李瑞彪，男，1991年生，碩士生。研究方向：振動(dòng)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(dǎo)師。研究方向：振動(dòng)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(dòng)與噪聲控制

余文晶，女，1991年生，博士生。研究方向：振動(dòng)與噪聲控制