基于降噪源分离的舰艇振动噪声源分离与识别方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于降噪源分离的舰艇振动噪声源分离与识别方法，先利用舰艇壳体结构观测振动混合信号包含的分量的统计独立性，建立舰艇壳体结构振动噪声源混合模型；然后利用降噪源分离方法将舰艇壳体结构观测振动混合信号分离为若干个独立源成分；再利用舰艇壳体结构振源先验信息，采用时域和频域联合分析的方法，从独立源成分中识别出舰艇振动噪声源。本发明提供的方法稳定高效，可实现在线分析，结果可靠，实时性好，简单易行，适用于舰艇等装备振动噪声源信息的分离和识别，不对舰艇结构造成损伤，便于对现有舰艇等壳体结构装备振动噪声源的准确分离与识别，可为舰艇减振降噪工作提供可靠依据。
【专利说明】基于降噪源分离的舰艇振动噪声源分离与识别方法
【技术领域】
[0001]本发明属于舰艇振动噪声监测与控制领域，具体涉及一种基于降噪源分离的舰艇振动噪声源分离与识别方法。
【背景技术】
[0002]舰艇是捍卫国家安全和海洋权益的国防利器，振动噪声监测和控制对于提高舰艇隐身性能和作战能力具有重要工程价值。舰艇结构复杂、振源众多、空间密集，使得振动噪声源识别与定位困难，成为制约舰艇隐身性能的瓶颈。振动噪声源分离与识别技术可从辐射振动噪声混合信息中有效分离和识别辐射噪声源，揭示振动噪声传递特性，为现有装备振动噪声监测与主动控制，以及新型装备的减振降噪设计提供可靠依据。因此，对舰艇等国防装备振动噪声源分离与识别，准确揭示振动噪声发生、传递以及混合特性，有针对性地指导舰艇减振降噪工作具有重要的学术意义和工程应用价值。
[0003]目前，舰艇振动噪声源识别方法主要有自适应噪声抵消法、虚拟样本法、多输入多输出(MMO)量化分析模型方法等，上述方法从能量流角度分析了各个振动噪声源基本特性，而未对振动噪声源主要特征成分进行详细分析，以及获取振动噪声源独立的波形信息，为振动噪声监测控制提供可靠依据。对于复杂的舰艇结构，直接利用建模方法理论获取振动噪声源信息与实际工况有较大误差，不能为振动噪声监测与控制提供稳定精准的源信息。目前尚无分离和识别舰艇振动噪声源的可靠方法，亟待解决舰艇振动噪声监测控制的难题。
[0004]舰艇等壳体结构装备振动噪声由柴油机等设备工作时产生，经过复杂壳体结构传递到舰船表面，多源混合后辐射到水中。复杂的信源发生、传递和混合方式，是振动噪声监测控制的技术瓶颈。传统的有限元建模分析方法虽可进行简单结构振动噪声分析，但对于多源并存，结构过于复杂的舰艇难以奏效，实际分析中误差很大。利用输入输出特性分析振动噪声源，也不能有效解决传递与混合机理复杂问题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种基于降噪源分离的舰艇振动噪声源分离与识别方法，该方法结果可靠、实时性好、简单易行、适用于舰艇等装备振动噪声源信息分离和识别。
[0006]为达到上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤:
[0007]I)利用舰艇壳体结构观测振动混合信号X包含的分量的统计独立性，分析舰艇振动噪声的发生、传递和混合机理，建立舰艇壳体结构振动噪声源混合模型；
[0008]2)利用降噪源分离方法将舰艇壳体结构观测振动混合信号X分离为若干个独立源成分；
[0009]3)利用舰艇壳体结构振源先验信息，采用时域和频域联合分析的方法，从独立源成分中识别出舰艇振动噪声源。
[0010]所述步骤I)的舰艇壳体结构振动噪声源混合模型为:[0011]X=AS+N
[0012]其中:由n个信源Sj(t)(j=l，...，!!)组成的源信息S发出的源信号在舰艇壳体结构m个不同位置观测到的舰艇壳体结构观测信号Xi (t) (i=l, -,m)组成舰艇壳体结构观测振动混合信号 Xj=(S1U), s2(t),..., sn (t)} ,X= (X1 (t), x2(t),..., xm(t)}, A 为舰艇振源混合矩阵，N为噪声信号，t表不时间。
[0013]所述的舰艇壳体结构观测信号Xi (t)表示为:
【权利要求】
1.基于降噪源分离的舰艇振动噪声源分离与识别方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)利用舰艇壳体结构观测振动混合信号X包含的分量的统计独立性，分析舰艇振动噪声的发生、传递和混合机理，建立舰艇壳体结构振动噪声源混合模型； 2)利用降噪源分离方法将舰艇壳体结构观测振动混合信号X分离为若干个独立源成分； 3)利用舰艇壳体结构振源先验信息，采用时域和频域联合分析的方法，从独立源成分中识别出舰艇振动噪声源。
2.根据权利要求1所述的基于降噪源分离的舰艇振动噪声源分离与识别方法，其特征在于:所述步骤I)的舰艇壳体结构振动噪声源混合模型为:
X=AS+N 其中:由η个信源h(t) (j=l,…，η)组成的源信息S发出的源信号在舰艇壳体结构m个不同位置观测到的舰艇壳体结构观测信号Xi (t) (i=l, -,m)组成舰艇壳体结构观测振动混合信号 Xj=(S1U), s2(t),..., sn(t)} ,X= (X1 (t), x2(t),..., xm(t)}, A 为舰艇振源混合矩阵，N为噪声信号，t表不时间。
3.根据权利要求2所述的基于降噪源分离的舰艇振动噪声源分离与识别方法，其特征在于:所述的舰艇壳体结构观测信号Xi (t)表示为:
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的基于降噪源分离的舰艇振动噪声源分离与识别方法，其特征在于:所述步骤2)的降噪源分离方法包括基于能量降噪函数的源分离方法、基于斜度降噪函数的源分离方法、基于峭度降噪函数的源分离方法或基于正切降噪函数的源分离方法。
5.根据权利要求4所述的基于降噪源分离的舰艇振动噪声源分离与识别方法，其特征在于:所述步骤2)中利用降噪源分离方法并通过非高斯性度量将舰艇壳体结构观测振动混合信号分离为若干个独立源成分，其中非高斯性度量采用的公式为:
Ng (y) [E {G (y)} -E {G (ygauss)} ]2 式中，Ng(y)为概率密度函数为P (y)的信号y的负熵，ygauss为与y具有相同方差的高斯分布的随机量；E为均值运算，G表示非线性函数。
6.根据权利要求5所述的基于降噪源分离的舰艇振动噪声源分离与识别方法，其特征在于:所述的G表示的非线性函数为G(U)=Igcosh(U)或G(u)=-exp(-u2/2),其中u表示非线性函数的自变量。
7.根据权利要求1-3中任意一项所述的基于降噪源分离的舰艇振动噪声源分离与识别方法，其特征在于:所述的步骤3)中的舰艇壳体结构振源先验信息是直接通过对舰艇壳体结构振源基座的测量获取的，或者根据振源运行状态理论分析获得的。
8.根据权利要求7所述的基于降噪源分离的舰艇振动噪声源分离与识别方法，其特征在于:所述步骤3)中的舰艇壳体结构的先验信息包括舰艇壳体结构振源波形、周期和特征频率的先验信息。
9.根据权利要求7所述的基于降噪源分离的舰艇振动噪声源分离与识别方法，其特征在于:所述步骤3)中的采用时域和频域联合分析的方法具体是构造时域相关系数和频域相关系数； 实离散信号X (k)和y (k)的时域相关系数P τ和频域相关系数P P分别表示为:
10.根据权利要求9所述的基于降噪源分离的舰艇振动噪声源分离与识别方法，其特征在于:所述步骤3)中从独立源成分中识别出舰艇振动噪声源是通过判断阈值确定的，具体为: 当Ρτ>0.65且P F>0.8时，独立源成分与该振源对应，识别有效，该振源是舰艇振动噪声源； 当Ρτ〈0.65且P F〈0.8时，独立源成分与该振源不对应，识别无效，该振源不是舰艇振动噪声源； 其它情况，识别门限模糊，需要重新识别。
【文档编号】G01H17/00GK103674230SQ201310617296
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】成玮, 张周锁, 何正嘉, 訾艳阳, 曹宏瑞, 李兵 申请人:西安交通大学