RU2478982C2 - Method for determining acoustic pressure of moving extended source of acoustic field - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: method for determining acoustic pressure of a moving extended source of acoustic field involves synchronous multichannel reception of hydroacoustical signals by means of a linear antenna from equidistant receivers, summation of received signals, amplitude detection of total signal and recording of the result of amplitude detection of total signal. Prior to summation of hydroacoustical signals in each of the channels there performed is their band-pass filtering; in signals filtered in frequency bands there multiplied are their instantaneous frequencies by the number of equidistant receivers in linear antenna; then, signals with multiplied instantaneous frequencies are added; amplitude detection of total signal is performed, and received signal is multiplied by the signal shaped as a result of detection of the sum of signals with initial instantaneous frequencies; after that, multiplication result is recorded.

EFFECT: increasing resolution capability of the method for determining acoustic pressure using directed reception at constant aperture of the antenna, and without increasing the number of receiving elements.

8 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для поиска зон повышенного акустического излучения по длине транспортных средств - на автомобильном или железнодорожном транспорте, а также на судах различного назначения при их диагностическом обследовании.The invention relates to measuring equipment and can be used to search for areas of increased acoustic radiation along the length of vehicles - in automobile or railway transport, as well as on ships for various purposes during their diagnostic examination.

Известен способ определения зоны повышенного акустического излучения по длине транспортного средства, используемый, например, при определении доминирующих шумовых источников (см. Р.Дж.Урик. Основы гидроакустики. / - Л.; Судостроение, 1978, стр.346÷347).A known method of determining the zone of increased acoustic radiation along the length of the vehicle, used, for example, in determining the dominant noise sources (see R.J. Urik. Fundamentals of hydroacoustics. / - L .; Sudostroenie, 1978, p. 346 ÷ 347).

Сущность способа можно пояснить на примере ходовых испытаний кораблей, когда движущийся корабль проходит на близком расстоянии от измерительного гидрофона. В основе способа - определение звукового давления, обусловленного источниками - различными виброактивными механизмами, распределенными по длине испытуемого корабля. При этом положение источника звука (шум машин, винта), а следовательно, и положение источника энергии гидроакустического поля, определяют сопоставлением максимумов звукового давления с частями корабля, которые в момент возникновения максимумов оказываются ближайшими к приемнику (гидрофону).The essence of the method can be illustrated by the example of sea trials of ships, when a moving ship passes at a close distance from the measuring hydrophone. The method is based on the determination of sound pressure caused by sources - various vibroactive mechanisms distributed along the length of the tested ship. In this case, the position of the sound source (machine noise, propeller), and consequently, the position of the energy source of the hydroacoustic field, is determined by comparing the maximums of sound pressure with the parts of the ship, which at the time of occurrence of the maximums are closest to the receiver (hydrophone).

Недостатком рассматриваемого способа является низкая разрешающая способность локализации отдельных источников, формирующих гидроакустическое поле, обусловленная применением для определения звукового давления ненаправленного приемника. Неточное определение положения источника звукового давления по длине транспортного средства обуславливает неверную оценку расстояния между источником и приемником звукового давления, и, как следствие, искаженную оценку уровня звукового давления.The disadvantage of this method is the low resolution of localization of individual sources forming a sonar field, due to the use of an omnidirectional receiver to determine the sound pressure. Inaccurate determination of the position of the sound pressure source along the length of the vehicle leads to an incorrect estimate of the distance between the source and the sound pressure receiver, and, as a result, a distorted estimate of the sound pressure level.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ аддитивного направленного приема, основанный на использовании интерференции сигналов, снимаемых с выходов отдельных приемников при падении на антенну волны от акустического источника.The closest in technical essence to the proposed solution is a method of additive directional reception, based on the use of interference of signals taken from the outputs of individual receivers when a wave is incident on an antenna from an acoustic source.

Особенностью способа является то, что расстояния между приемными элементами антенны должны быть меньше половины длины волны принимаемого сигнала (См.: А.К.Новиков. Статистические измерения в судовой акустике. Л.: Судостроение, 1985, стр.263÷266). Этот способ определения звукового давления при помощи средств направленного приема принят за прототип. При поиске зон повышенного акустического излучения протяженного объекта измерений разрешающую способность способа-прототипа определяют апертурой антенны.A feature of the method is that the distance between the receiving elements of the antenna should be less than half the wavelength of the received signal (See: A.K. Novikov. Statistical measurements in marine acoustics. L .: Sudostroenie, 1985, pp. 266 ÷ 266). This method of determining sound pressure using directional reception is taken as a prototype. When searching for areas of increased acoustic radiation of an extended measurement object, the resolution of the prototype method is determined by the aperture of the antenna.

Сущность способа-прототипа для аддитивной антенны в режиме приема сводится к следующим операциям:The essence of the prototype method for an additive antenna in receive mode is reduced to the following operations:

1) многоканальный прием сигнала излучения;1) multichannel reception of a radiation signal;

2) суммирование принятых сигналов в полосе частот;2) summation of the received signals in the frequency band;

3) выделение огибающей суммарного сигнала путем амплитудного детектирования;3) the selection of the envelope of the total signal by amplitude detection;

4) регистрация огибающей суммарного сигнала.4) registration of the envelope of the total signal.

В последнем случае поиск максимума огибающей суммарного сигнала, соответствующего положению источника звука по длине транспортного средства, производится при относительном движении транспортного средства и неподвижной антенны. Для неподвижного транспортного средства оценку положения источника осуществляют путем сканирования диаграммой направленности антенны.In the latter case, the search for the maximum envelope of the total signal corresponding to the position of the sound source along the length of the vehicle is performed with the relative movement of the vehicle and the stationary antenna. For a stationary vehicle, the position of the source is estimated by scanning the antenna pattern.

Недостаток способа-прототипа - низкая разрешающая способность при определении положения двух и более близкорасположенных источников звука при постоянной апертуре антенны. Повышение разрешающей способности направленного приема возможно при увеличении апертуры антенны. При практических измерениях это либо конструктивно нереализуемо, либо приводит к увеличению числа приемных элементов антенны для обеспечения выбора приемных элементов в соответствии с заданными волновыми размерами, что обуславливает необходимость изменения апертуры антенны.The disadvantage of the prototype method is the low resolution when determining the position of two or more closely spaced sound sources with a constant antenna aperture. An increase in the resolution of directional reception is possible with an increase in the aperture of the antenna. In practical measurements, this is either structurally unrealizable, or leads to an increase in the number of receiving elements of the antenna to ensure the selection of receiving elements in accordance with the given wave dimensions, which necessitates a change in the aperture of the antenna.

Задачей изобретения является увеличение разрешающей способности способа определения звукового давления с использованием направленного приема при постоянной апертуре антенны и, соответственно, без увеличения числа приемных элементов.The objective of the invention is to increase the resolution of the method for determining sound pressure using directional reception at a constant aperture of the antenna and, accordingly, without increasing the number of receiving elements.

Это достигается тем, что дополнительно формируется диаграмма направленности второй антенны, обладающая множеством равнозначных лепестков максимального уровня путем умножения частоты каждого из полосовых сигналов, их суммирования и амплитудного детектирования.This is achieved by the fact that the radiation pattern of the second antenna is additionally formed, which has many equivalent lobes of the maximum level by multiplying the frequency of each of the strip signals, summing them and amplitude detection.

Сущность предложенного технического решения поясняется фигурами 1÷8.The essence of the proposed technical solution is illustrated by figures 1 ÷ 8.

Устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг.1), содержит многоканальный приемник 1, соединенный через блок полосовых фильтров 2 с входами сумматора 3 и входами блока умножителей частоты 4, выходы которого подключены к входам сумматора 5. Выход сумматора 3 через амплитудный детектор 6 соединен с первым входом умножителя результатов амплитудного детектирования 8, другой вход которого соединен через амплитудный детектор 7 с выходом сумматора 5. Выход умножителя результатов детектирования 8 соединен с входом регистратора 9 - выходом устройства в целом.A device that implements the proposed method (figure 1), contains a multi-channel receiver 1 connected through a block of bandpass filters 2 with the inputs of the adder 3 and the inputs of the unit of frequency multipliers 4, the outputs of which are connected to the inputs of the adder 5. The output of the adder 3 through an amplitude detector 6 is connected to the first input of the amplitude detection result multiplier 8, the other input of which is connected through the amplitude detector 7 to the output of the adder 5. The output of the detection result multiplier 8 is connected to the input of the recorder 9 - the output of the device wa in general.

С использованием описанного устройства предложенный способ реализуется следующим образом.Using the described device, the proposed method is implemented as follows.

Входной сигнал принимается приемником 1 - линейной антенной, состоящей из эквидистантных измерительных преобразователей - микрофонов или гидрофонов. После полосовой фильтрации сигналов, снимаемых с выходов измерительных преобразователей, блоком полосовых фильтров 2, их мгновенные частоты подвергаются умножению на число эквидистантных приемников в блоке умножителей частоты 4. Затем осуществляется их суммирование в сумматоре 3 и последующее амплитудное детектирование амплитудным детектором 6. Путем детектирования полосовых сигналов, формируемых на выходах сумматоров 3 и 5, осуществляется формирование двух диаграмм направленности антенны: одна диаграмма - для исходных сигналов, и вторая диаграмма - для сигналов, полученных в результате умножения мгновенных частот суммируемых сигналов.The input signal is received by the receiver 1 - a linear antenna consisting of equidistant measuring transducers - microphones or hydrophones. After the bandpass filtering of the signals taken from the outputs of the measuring transducers by the bandpass filter unit 2, their instantaneous frequencies are multiplied by the number of equidistant receivers in the frequency multiplier unit 4. Then they are added in the adder 3 and then amplitude detected by the amplitude detector 6. By detecting the band signals generated at the outputs of adders 3 and 5, the formation of two antenna patterns is carried out: one diagram - for the original signals, and second Single chart - to signals obtained by multiplying the instantaneous frequency summed signals.

Оценку координат источника звука по результатам определения звукового давления осуществляют путем сопоставления максимумов диаграмм направленности, полученных для неизвестного по положению источника и для опорного источника, координаты которого априорно известны. При практических измерениях в качестве опорного источника рассматривают излучатель звука, устанавливаемый в заданной точке на корпусе протяженного транспортного средства.The coordinates of the sound source are estimated from the results of determining the sound pressure by comparing the maximums of the radiation patterns obtained for an unknown source and a reference source, the coordinates of which are a priori known. In practical measurements, a sound emitter installed at a given point on the body of an extended vehicle is considered as a reference source.

Работа устройства в соответствии с предлагаемым способом описывается следующим образом.The operation of the device in accordance with the proposed method is described as follows.

Пусть, например, на линейную эквидистантную антенну, состоящую из n приемных элементов, падает плоская волна под углом θ. Разность хода лучей между первым и n приемными элементами составляетLet, for example, a plane wave at an angle θ be incident on a linear equidistant antenna consisting of n receiving elements. The difference in the path of the rays between the first and n receiving elements is

ΔS=(n-1)dsinθ,ΔS = (n-1) dsinθ,

где n - число элементов антенны;where n is the number of antenna elements;

d - расстояние между соседними приемными элементами.d is the distance between adjacent receiving elements.

Разность задержек между элементами равна

, где c - скорость распространения волны. Для упрощения изложения процедура компенсации диаграммы направленности не рассматривается.The delay difference between the elements is equal to

where c is the wave propagation velocity. To simplify the presentation, the beam compensation procedure is not considered.

В результате синфазного сложения полосовых сигналов в сумматоре 3, как и в способе-прототипе, формируется исходная диаграмма направленности. При этом условием единственности главного лепестка диаграммы направленности является соотношение

. При

диаграмма направленности становится многолепестковой, так как в ней появляются дополнительные лепестки, равные по уровню основному лепестку, но более узкие по ширине. Таким образом, изменение длины волны, и, соответственно, изменение частоты исследуемых сигналов приводит к формированию диаграмм направленности с более узкими лепестками.As a result of the in-phase addition of the band signals in the adder 3, as in the prototype method, an initial radiation pattern is formed. In this case, the condition for the uniqueness of the main lobe of the radiation pattern is the ratio

. At

The radiation pattern becomes multilobe, as additional petals appear in it, equal in level to the main petal, but narrower in width. Thus, a change in the wavelength, and, accordingly, a change in the frequency of the studied signals, leads to the formation of radiation patterns with narrower lobes.

Умножение сигнала по частоте может быть реализовано путем выделения мгновенной амплитуды и мгновенной фазы сигнала с ее умножением, а следовательно, и умножением частоты в заданное число раз. С этой целью используется преобразование Гильберта узкополосного сигнала и модуляция гармонического сигнала на средней частоте полосового фильтра по амплитуде и фазе после ее умножения.Frequency signal multiplication can be realized by extracting the instantaneous amplitude and instantaneous phase of the signal with its multiplication, and therefore, multiplying the frequency by a specified number of times. For this purpose, the Hilbert transform of a narrow-band signal and the modulation of the harmonic signal at the middle frequency of the band-pass filter in amplitude and phase after its multiplication are used.

Появление боковых лепестков равного уровня приводит к неоднозначности определения положения источника по длине транспортного средства, которая устраняется путем перемножения исходной диаграммы направленности и диаграмм направленности (исходной антенны и антенны, сформированной в результате умножения сигналов по частоте).The appearance of side lobes of equal level leads to ambiguity in determining the position of the source along the length of the vehicle, which is eliminated by multiplying the original radiation pattern and radiation patterns (the original antenna and the antenna formed as a result of frequency signal multiplication).

Использование предлагаемого способа приведено на примере компьютерного моделирования работы устройства.Using the proposed method is shown on the example of computer simulation of the device.

В результате моделирования рассчитывался сигнал, наблюдаемый на выходе антенны, состоящей из пяти приемных элементов, от точечного монохроматического излучателя, находящегося в различных точках прямолинейной траектории движения. В результате получена планарная диаграмма направленности для исходных сигналов (фиг.2). После умножения сигналов по частоте сформирована многолепестковая диаграмма направленности (фиг.3), ширина лепестков которой значительно уже ширины лепестка (фиг.2). В результирующей диаграмме направленности (фиг.4) боковые лепестки, положение которых не соответствует положению лепестка исходной диаграммы направленности, подавляются при перемножении диаграмм направленности. Таким образом, без изменения расстояния между приемными элементами антенны, обеспечивается сохранение частотного диапазона анализа при повышенном пространственном разрешении.As a result of the simulation, the signal observed at the output of the antenna, consisting of five receiving elements, from a point monochromatic emitter located at different points of a rectilinear motion path was calculated. The result is a planar radiation pattern for the source signals (figure 2). After multiplying the signals in frequency, a multi-petal radiation pattern is formed (Fig. 3), the width of the petals of which is much narrower than the width of the petal (Fig. 2). In the resulting radiation pattern (FIG. 4), side lobes whose position does not correspond to the position of the lobe of the original radiation pattern are suppressed when the radiation patterns are multiplied. Thus, without changing the distance between the receiving elements of the antenna, it is ensured that the frequency range of the analysis is maintained with increased spatial resolution.

На фиг.5, 6 приведены примеры, показывающие возможность умножения сигналов по частоте при их представлении в виде узкополосных сигналов с использованием преобразования Гильберта. Для формирования узкополосных сигналов осуществляется их полосовая фильтрация.5, 6 are examples showing the ability to multiply signals by frequency when presented in the form of narrow-band signals using the Hilbert transform. For the formation of narrowband signals, they are bandpass filtered.

Сравнение приведенных примеров показывает, что амплитудные огибающие сигналов (утолщенные кривые) до и после умножения сигналов по частоте практически идентичны, что позволяет использовать эту процедуру при практической реализации предлагаемого способа. В приведенном примере амплитудная огибающая сигнала имеет форму гауссова импульса с частотой несущей 6 Гц и коэффициентом умножения частоты 5.A comparison of the above examples shows that the amplitude envelopes of the signals (thickened curves) before and after the multiplication of the signals in frequency are almost identical, which allows you to use this procedure in the practical implementation of the proposed method. In the above example, the amplitude envelope of the signal has the form of a Gaussian pulse with a carrier frequency of 6 Hz and a frequency multiplier of 5.

Достоверность предлагаемого способа подтверждается результатами проведенного модельного эксперимента.The reliability of the proposed method is confirmed by the results of a model experiment.

Источник тонального сигнала на частоте 1000 Гц перемещался в пределах плоскости, ограниченной размерами X=±50 м и Y=±50 м. Исследуемый сигнал принимался антенной из 5 приемных элементов, расстояние между которыми составляло 0,75 м. Дистанция между осью антенны и плоскостью, в которой перемещался источник, равнялась 50 м. Оценка амплитуды сигнала на выходе антенны производилась через каждые 2 м.The source of the tone signal at a frequency of 1000 Hz moved within the plane limited by the dimensions X = ± 50 m and Y = ± 50 m. The signal under study was received by an antenna of 5 receiving elements, the distance between which was 0.75 m. The distance between the antenna axis and the plane , in which the source moved, was 50 m. The signal amplitude at the antenna output was estimated every 2 m.

В результате совместного представления измерительных данных, полученных для различных точек плоскости расположения источника излучения, строилась планарная диаграмма направленности (фиг.7). При этих же условиях моделирования в соответствии с предлагаемым способом производилось умножение сигналов по частоте в 5 раз и последующее перемножение диаграмм направленности, полученных без умножения и с умножением сигналов по частоте. Результирующая диаграмма направленности приведена на фиг.8.As a result of the joint presentation of the measurement data obtained for various points of the plane of the radiation source, a planar radiation pattern was constructed (Fig. 7). Under the same modeling conditions, in accordance with the proposed method, frequency signals were multiplied by a factor of 5 and then radiation patterns obtained without multiplication and frequency signals were multiplied. The resulting radiation pattern is shown in Fig. 8.

Сравнение диаграмм направленности (фиг.7, 8) показывает, что основное преимущество предлагаемого способа определения звукового давления перед способом-прототипом заключается в увеличении разрешающей способности пространственной локализации источников звука по длине транспортного средства без изменения апертуры антенны и числа приемных элементов.A comparison of radiation patterns (Figs. 7, 8) shows that the main advantage of the proposed method for determining sound pressure over the prototype method is to increase the resolution of spatial localization of sound sources along the length of the vehicle without changing the aperture of the antenna and the number of receiving elements.

Claims (1)

Способ определения звукового давления движущегося протяженного источника акустического поля, включающий синхронный многоканальный прием гидроакустических сигналов при помощи линейной антенны из эквидистантных приемников, суммирование принятых сигналов, амплитудное детектирование суммарного сигнала и регистрацию результата амплитудного детектирования суммарного сигнала, отличающийся тем, что перед суммированием гидроакустических сигналов по каждому из каналов осуществляют их полосовую фильтрацию, в сигналах, отфильтрованных в полосах частот, умножают их мгновенные частоты на число эквидистантных приемников в линейной антенне, затем сигналы с умноженными мгновенными частотами суммируют, осуществляют амплитудное детектирование суммарного сигнала и полученный сигнал умножают на сигнал, сформированный в результате детектирования суммы сигналов с исходными мгновенными частотами, после чего регистрируют результат умножения. A method for determining the sound pressure of a moving extended source of an acoustic field, including synchronous multichannel reception of hydroacoustic signals using a linear antenna from equidistant receivers, summing the received signals, amplitude detection of the total signal and recording the result of the amplitude detection of the total signal, characterized in that before summing the hydroacoustic signals for each of channels carry out their band-pass filtering, in signals filtered in frequency bands, their instantaneous frequencies are multiplied by the number of equidistant receivers in the linear antenna, then the signals with multiplied instantaneous frequencies are added up, amplitude detection of the total signal is carried out, and the received signal is multiplied by the signal generated by detecting the sum of the signals with the original instantaneous frequencies, after which the result is recorded multiplication.

Images