一种水动力噪声源识别与分离的测试系统及其搭建方法与流程

本发明属于噪声源识别与分离技术领域，具体涉及一种水动力噪声源识别与分离的测试系统及其搭建方法，适用于对船舶水动力噪声中的流体直发声和流激噪声进行识别与分离。

背景技术：

水动力噪声作为船舶水下航行时的三大噪声源之一，在中高航速下将会显著增大，成为船舶主要的噪声源。水动力噪声的产生机理为：船舶水下航行时，船体表面湍流边界层内存在随机的脉动压力，这些脉动压力一方面直接产生声辐射，即流体直发声；一方面激励结构振动产生声辐射，即流激噪声。

根据上述机理，水动力噪声f0分为两部分，即f0＝f1+f2，其中f1代表流体直接产生的噪声；f2代表流激结构振动引起的噪声。目前针对船舶噪声的测试系统，虽然够分离与识别出机械噪声、水动力噪声、螺旋桨噪声三大噪声源，并能对主要噪声源的位置进行基本定位。但是对于中高航速下的主要噪声源--水动力噪声，由于水听器接受到的噪声为流体直发声和流激结构噪声共同作用下的结果，无法进一步确定其到底来自于流体直发声还是流激结构噪声，这影响了对实船水动力噪声源的进一步定位与分析，导致控制措施的针对性不强。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出了一种水动力噪声源识别与分离的测试系统及其搭建方法，能够对引起船舶水动力噪声的流体直发噪声和流激结构噪声两种噪声源进行识别，并分离出两种噪声源的贡献。

为实现上述目的，本发明提出了一种水动力噪声源识别与分离的测试系统，包括数据采集前端、数据记录分析仪以及一套以上的传感器组合，其中所述传感器组合包括水听器、振动传感器以及脉动压力传感器；

同一组合中的传感器设置在同一范围内，其中水听器固定于船体水动力噪声区域，用于采集该区域自噪声信号；振动传感器用于采集船体结构振动速度或加速度信号；脉动压力传感器用于测量船体结构边界湍流脉动压力信号；

数据采集前端与水听器、振动传感器以及脉动压力传感器分别连接，采集所述传感器组合中各传感器的信号，其中，通过船体结构振动速度或加速度信号，根据振动-声辐射理论，计算出船体结构振动信号；

数据记录分析仪将数据采集前端采集到的同一传感器组合中船体结构振动信号以及脉动压力信号分别与同一组合中的区域噪声信号作相干性分析，实现对水动力噪声中流体直发噪声和流激结构噪声两部分噪声源的识别和分离。

其中，所述传感器组合数量根据实船测试需要进行调整。

其中，水听器固定在被测船体结构表面，振动传感器与船体结构刚性连接。

其中，通过在船体表面挖孔，将脉动压力传感器刚性固定于船体表面，脉动压力传感器探头与被测船体结构表面齐平，且脉压动力传感器垂直于结构表面。

其中，数据采集前端通过水密电缆与水听器、振动传感器以及脉动压力传感器连接。

其中，所述数据记录分析仪为计算机。

本发明还提供了一种水动力噪声源识别与分离的测试系统的搭建方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在船体水动力噪声区域布置水听器；

步骤2，将振动传感器以及脉动压力传感器布置在水听器附近；

重复上述步骤1-2，完成多套水听器和振动传感器以及脉动压力传感器的布置；

步骤3，将水听器、振动传感器以及脉动压力传感器与数据采集前端相连；

步骤4，将数据记录分析仪与数据采集前端相连，完成测试系统搭建。

有益效果：

本发明的系统通过在船体水动力噪声区域成套布置水听器、振动传感器和脉动压力传感器，通过将水听器测出的耦合噪声与振动传感器和脉动压力传感器所测信号进行相关性计算分析，实现对水动力噪声中流体直发噪声和流激结构噪声的识别与分离。该测试系统具有结构简单、安装方便、造价低廉、技术成熟度高等特点，可以广泛应用的水面舰船、水下潜艇等船舶。该测试系统结构简单、易于实现、可靠性高、安装和使用方便、环境适应性强。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明具体的噪声源识别与分离采用相干性分析的方法。相干分析适用于多输入单输出模型，其主要是分析各输入的源与输出的噪声频谱之间的关系，确定各噪声源对输出的特征频率的影响。相干分析依据的是相干函数，相干函数是表明两个函数之间的内在关系，辨别两个信号离散分量相关程度的一个频域函数，相干函数的大小表明输出的能量中来自于各个噪声源信号的能量比例。相干系数越大则表明两点之间的相关性就越强。

理想情况下xi(t)和y(t)的相干函数(f)定义为：

式中，sxx(f)和syy(f)分别为xi(t)和y(t)的自谱，sxy(f)为xi(t)和y(t)的互谱。

本发明中，将船体结构振动信号以及脉动压力信号分别与自噪声信号f0作相干性分析，从而识别出流体直发噪声源和流激结构噪声源。在此基础上，利用测点振动加速度计算出结构振动引起的噪声分量f2，即可得到流体直发声的噪声分量f1＝f0-f2。

一种水动力噪声源识别与分离测试系统见图1所示，包括数据采集前端4、数据记录分析仪5以及一套以上的传感器组合，其中所述传感器组合包括水听器1、振动传感器2以及脉动压力传感器3；

同一组合中的传感器设置在同一范围内，在船舶水动力噪声较大的区域布置水听器1、振动传感器2和脉动压力传感器3，通过水听器1和两个传感器的同时测量，分析水动力噪声产生的源。所述水听器1、振动传感器2和脉动压力传感器3数量可根据实船测试需要进行调整，在水动力噪声较大的区域适当增加测点数量。但需保证每一水听器附近必须有一个振动传感器2和一个脉动压力传感器3与之对应。

其中，水听器1固定于船体水动力噪声较大的区域，本实施例中刚性固定于船体表面，用于采集该区域流体直发声和流激结构两种源共同作用下的噪声即区域自噪声信号f0。

振动传感器2与船体结构刚性连接，本实施例中振动传感器刚性固定于船体表面，采集船体结构振动加速度或振动速度信号。根据振动-声辐射理论，通过结构表面振动加速度可以计算出船体结构振动信号；

脉动压力传感器3布置在结构表面，用于测量结构边界湍流脉动压力。脉压动力传感器探头均与结构表面齐平，且脉压动力传感器垂直于结构表面。本实施例中通过在船体表面挖孔，将脉动压力传感器刚性固定于船体表面，用于测量船体表面湍流脉动压力信号；

数据采集前端4通过水密电缆与水听器1、振动传感器2以及脉动压力传感器3连接，对区域噪声信号、振动加速度信号以及脉动压力信号进行采集和调理，并进行滤波和放大，其中，将水听器和传感器的压力信号转化为数字信号，并进行信号放大、调理、滤波等操作。数据采集前端4与水听器1、振动传感器2以及脉动压力传感器3分别连接，采集所述传感器组合中各传感器的信号，其中，通过船体结构振动速度或加速度信号，根据振动-声辐射理论，计算出船体结构振动信号；

数据记录分析仪5将数据采集前端4采集到的同一传感器组合中船体结构振动信号以及脉动压力信号分别与同一组合中的区域噪声信号作相干性分析，实现对水动力噪声中流体直发噪声和流激结构噪声两部分噪声源的识别和分离。所述数据分析记录仪5接收经过数据采集前端处理后的数字信号，存储噪声、振动加速度以及脉动压力等时域和频域数据，并对数据进行简单分析和处理。数据记录分析仪5一般为常用的计算机，数据采集前端4处理后的数据存储在数据记录分析仪5中。通过对噪声、结构振动、脉动压力的同时采集，结合相关数值仿真计算分析，即可实现对水动力噪声中流体直发声和流激结构噪声两部分噪声源的分离。

本发明测试系统的具体搭建步骤如下：

步骤1，在船体水动力噪声较大区域布置水听器1；

步骤2，将振动传感器2布置在水听器1附近；

步骤3，将脉动压力传感器3布置在水听器1附近；

重复上述步骤1-3，完成多套水听器1和两种传感器的布置；

步骤4，将水听器1、振动传感器2以及脉动压力传感器3通过水密电缆与数据采集前端4相连；

步骤5，将数据记录分析仪5与数据采集前端4相连，完成测试系统搭建。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。