一种拖线阵湍流边界层噪声测试数据线谱净化方法
阅读说明：本技术 一种拖线阵湍流边界层噪声测试数据线谱净化方法 (Line spectrum purification method for noise test data of drag linear array turbulent boundary layer ) 是由 张海生 罗斌 邵杨梦 梁清 于 2021-06-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种拖线阵湍流边界层噪声测试数据线谱净化方法。通过滤波提取湍流边界层噪声谱的趋势,将其从原始谱中剔除,再设置合适的线谱阈值,提取线谱频率；对线谱频率进行扩展,并对原始噪声谱进行线谱净化；对净化后的湍流边界层噪声谱进行指定频段的平均,得到湍流边界层噪声测量结果。本发明可自动实现线谱的提取与剔除,在技术上消除了平台噪声中的线谱成分对湍流边界层噪声谱测量结果的不利影响,有效提升湍流边界层噪声谱测量结果的准确性。(The invention discloses a line spectrum purification method for noise test data of a drag linear array turbulent boundary layer. Extracting the trend of a turbulent flow boundary layer noise spectrum through filtering, removing the trend from an original spectrum, setting a proper line spectrum threshold value, and extracting line spectrum frequency; expanding the line spectrum frequency and performing line spectrum purification on the original noise spectrum; and averaging the noise spectrum of the purified turbulent boundary layer in the specified frequency band to obtain a noise measurement result of the turbulent boundary layer. The invention can automatically extract and eliminate the line spectrum, technically eliminates the adverse effect of line spectrum components in platform noise on the noise spectrum measurement result of the turbulent boundary layer, and effectively improves the accuracy of the noise spectrum measurement result of the turbulent boundary layer.)
技术领域
本发明涉及电子设备的声呐领域，主要是一种拖线阵湍流边界层噪声测试数据线谱净化方法。
背景技术
拖线阵声呐具有远离运载平台、工作深度可调、基阵长度不受平台空间尺寸限制的优点，已被各国海军广泛用于远程及超远程警戒。拖曳自噪声是制约拖线阵声呐探测距离的主要因素之一，主要包括阵的振动噪声和湍流边界层噪声(线列阵拖曳自噪声测量及分析，张国栋，声学与电子工程，2000(3))。前者是因为拖缆沿运动方向存在一定倾角拖动，形成的涡流引起拖缆抖动，并且拖线阵尾绳在不确定的尾流的作用下也发生抖动，这两种振动经首尾隔振段后，仍然会有部分振动能量传递到拖线阵中的水听器，形成拖线阵的振动噪声。后者是由于拖线阵护套外表面的湍流边界层中的脉动压力起伏通过护套直接传递至水听器，或者经护套耦合激励产生再辐射(拖线阵若干关键技术综述，朱辉庆，声学与电子工程，2020(2))。
准确测量拖线阵的湍流边界层噪声，是拖线阵声呐护套材料选择、阵内结构优化、成阵工艺研究等的重要参考。为了准确获得线列阵湍流边界层噪声，试验过程中应尽可能地抑制阵的振动噪声。
水下对拉绞车拖线阵湍流边界层噪声测量系统组成如图1所示，主要包含两台水下绞车、缆绳、隔振段、声学段等。当两台水下绞车按如图中箭头所示方向顺时针转动时，缆绳带动隔振段与声学段向右运动，运动速度通过绞车转速控制。一方面，声学段运动过程中，阵段首尾两端均受隔振段拉力的约束作用，可以有效减小阵段抖动幅度；另一方面，水下绞车运行过程中的机械振动也被隔振段的减隔振作用极大地抑制。因此，水下对拉绞车测量系统可以有效抑制阵的振动噪声。在测试水域安静且阵段电子自噪声可以忽略的条件下，水下对拉绞车测量系统的测试结果主要为拖线阵的湍流边界层噪声。但是，水下绞车运行过程中，机械结构的往复运动会激励起一系列的单频声波，上述声波构成的平台噪声在水中扩散并传播至声学段，可对拖线阵湍流边界层噪声的测量结果产生不利影响。
发明内容
针对水下对拉绞车拖线阵湍流边界层噪声测量系统受平台噪声干扰的问题，本发明针对平台噪声中的线谱成分，提供了一种拖线阵湍流边界层噪声测试数据线谱净化方法，可自动实现线谱的提取与剔除，在技术上消除了平台噪声中的线谱成分对湍流边界层噪声谱测量结果的不利影响，有效提升湍流边界层噪声谱测量结果的准确性。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种拖线阵湍流边界层噪声测试数据线谱净化方法，包括以下步骤：
步骤一、对湍流边界层噪声时域信号s(t)进行采集并进行谱分析，得到原始湍流边界层噪声谱P(f)，频率集合记为F＝{f|fL≤f≤fH}，其中fL和fH分别为频率上限和频率下限；
步骤二、对原始湍流边界层噪声谱P(f)进行线谱提取，得到n条线谱的中心频率fci(i＝1,2,3,…,n)，将中心频率集合记为C＝{fc1,fc2,…,fcn}；
步骤三、对集合C中的每个中心频率fci进行扩展，得到n个中心频率扩展子集合Ki＝{f|fci-△fi1≤f≤fci+△fi2}，其中△fi1和△fi2分别为fci的左频率扩展量和右频率扩展量，进而得到中心频率扩展集合K＝K1∪K2∪…∪Kn；
步骤四、将中心频率扩展集合K从频率集合F中剔除，即计算二者的差集F-K，将其记为有效频率集合X，并将有效频率集合中的频率对应的原始湍流边界层噪声谱所组成的集合记为有效湍流边界层噪声谱集合Y＝{P(f)|f∈X}；
步骤五、计算消除线谱干扰后的湍流边界层噪声谱P’(f)＝avg({P(f)|f∈X且wL(f)≤f≤wH(f)})，其中avg(·)表示计算集合中所有元素的平均值，wL(f)和wH(f)分别为随频率变化的频率窗上限和频率窗下限。
步骤二所述的线谱提取方法为，首先通过滤波提取湍流边界层噪声谱的趋势谱，然后将趋势谱从原始湍流边界层噪声谱中去除，再设定合适的线谱阈值，得到线谱的中心频率。
步骤三所述的左频率扩展量△fi1和右频率扩展量△fi2相等，即△fi1＝△fi2。
步骤五所述的频率窗下限wL(f)和频率窗上限wH(f)根据倍频程关系选择。对于中心频率f0，选择1/k倍频程时，频率窗下限为wL(f)＝f0*2-1/(2K)，频率窗上限为wH(f)＝f0*21 /(2K)。
本发明的有益效果：本发明可自动实现平台噪声中线谱成分的提取与剔除，在技术上消除了平台噪声中的线谱成分对湍流边界层噪声谱测量结果的不利影响，有效提升湍流边界层噪声谱测量结果的准确性。
附图说明
图1是水下对拉绞车线列阵湍流边界层噪声测量系统组成示意图，主要包含两台水下绞车、缆绳、隔振段、声学段等。
图2是无线谱干扰时的湍流边界层噪声谱及其1/3倍频程平均结果，横坐标为频率，纵坐标为湍流边界层噪声谱，实线代表频率分辨率为1Hz的湍流边界层噪声谱图，虚线代表1/3倍频程平均结果。可以看出，1/3倍频程平均后的湍流边界层噪声谱与平均前的噪声谱整体趋势相同。
图3是有线谱干扰时的湍流边界层噪声谱及其1/3倍频程平均结果，横坐标为频率，纵坐标为湍流边界层噪声谱，实线代表受到环境线谱干扰的湍流边界层噪声谱图，虚线代表1/3倍频程平均后的结果。可以看出，线谱引起1/3倍频程平均结果产生台阶装突起，偏离实际湍流边界层噪声频谱。
图4是对比有线谱干扰和无线谱干扰两种情况下的湍流边界层噪声谱1/3倍频程平均谱，横坐标为频率，纵坐标为湍流边界层噪声谱，虚线代表无线谱干扰时的湍流边界层噪声谱经过1/3倍频程平均后的结果，实线代表有线谱干扰时的湍流边界层噪声谱经过1/3倍频程平均后的结果。可以明显看出，线谱引起1/3倍频程平均结果产生台阶装突起，使得线谱附近频段的湍流边界层噪声谱偏离真实湍流边界层噪声频谱。
图5是湍流边界层噪声谱趋势曲线提取结果；
图6是湍流边界层噪声谱线谱与趋势曲线做差的结果，通过设置合适的阈值，可以有效提取线谱位置；
图7是湍流边界层噪声线谱提取结果，线谱位置用方块标识；
图8是去除线谱干扰后的湍流边界层噪声谱；
图9是无线谱干扰、有线谱干扰、线谱剔除后的湍流边界层噪声频谱1/3倍频程平均结果对比。
具体实施方式
为了令本发明的目的、特征、优点更加明显易懂，下面结合附图中涉及的具体实施方式对本发明的实施例进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在未进行创造性劳动前提下获得的所有其它实施例，如只改变用途而不改变权利要求涉及基本原理的实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种拖线阵湍流边界层噪声测试数据线谱净化方法，通过滤波提取湍流边界层噪声谱的趋势，将其从原始谱中剔除，再设置合适的线谱阈值，提取线谱频率；对线谱频率进行扩展，并对原始噪声谱进行线谱净化；对净化后的湍流边界层噪声谱进行指定频段的平均，得到湍流边界层噪声测量结果。
具体包括以下步骤：
步骤一、对湍流边界层噪声时域信号s(t)进行采集并进行谱分析，得到原始湍流边界层噪声谱P(f)，频率集合记为F＝{f|fL≤f≤fH}，其中fL和fH分别为频率上限和频率下限；
步骤二、对原始湍流边界层噪声谱P(f)进行线谱提取，得到n条线谱的中心频率fci(i＝1,2,3,…,n)，将中心频率集合记为C＝{fc1,fc2,…,fcn}；具体为：首先通过滤波提取湍流边界层噪声谱的趋势谱，然后将趋势谱从原始湍流边界层噪声谱中去除，再设定合适的线谱阈值，得到线谱的中心频率。
步骤三、对集合C中的每个中心频率fci进行扩展，得到n个中心频率扩展子集合Ki＝{f|fci-△fi1≤f≤fci+△fi2}，其中△fi1和△fi2分别为fci的左频率扩展量和右频率扩展量，进而得到中心频率扩展集合K＝K1∪K2∪…∪Kn；作为优选，所述的左频率扩展量△fi1和右频率扩展量△fi2相等，即△fi1＝△fi2。
步骤四、将中心频率扩展集合K从频率集合F中剔除，即计算二者的差集F-K，将其记为有效频率集合X，并将有效频率集合中的频率对应的原始湍流边界层噪声谱所组成的集合记为有效湍流边界层噪声谱集合Y＝{P(f)|f∈X}；
步骤五、计算消除线谱干扰后的湍流边界层噪声谱P’(f)＝avg({P(f)|f∈X且wL(f)≤f≤wH(f)})，其中avg(·)表示计算集合中所有元素的平均值，wL(f)和wH(f)分别为随频率变化的频率窗上限和频率窗下限。所述的频率窗下限wL(f)和频率窗上限wH(f)根据倍频程关系选择，对于中心频率f0，选择1/k倍频程时，频率窗下限为wL(f)＝f0*2-1/(2K)，频率窗上限为wH(f)＝f0*21/(2K)。
为了消除随机噪声对湍流边界层噪声测量结果的影响，通常使用频带内的平均噪声强度代表制定频点的湍流边界层噪声。当取1/3倍频程平均时，平均后的结果如图2中虚线所示，趋势与1Hz带宽的湍流边界层噪声结果相同，数值相近。平台噪声中的线谱干扰造成湍流边界层噪声谱中出现峰值，如图3中实线所示，此时通过1/3倍频程平均后的结果出现台阶状突起，使得平均后的结果偏离真实值，如图4所示。
本发明的原理过程如下：
通过滤波方法提取湍流边界层噪声谱的趋势，并将其从湍流边界层噪声谱中剔除，再通过设置合适的线谱检测阈值，可以得到线谱位置。将受到线谱干扰的湍流边界层噪声谱剔除后，即可消除线谱对1/3倍频程平均结果的干扰。
实施例：
本实施例通过仿真实验验证，实验初始条件如下：湍流边界层噪声采样频率6kHz，受到线谱干扰的湍流边界层噪声谱如图3中实线所示，利用α滤波器提取湍流边界层噪声谱趋势如图5所示。在图3中实线所示原始湍流边界层噪声谱中将趋势提出，并设置线谱检测预置为6dB，可以得到如图7所示线谱位置。选取左频率扩展量△fi1和右频率扩展量△fi2相等，△fi1＝△fi2＝10Hz，将线谱左右10Hz内的噪声数据剔除，如图8所示。对净化后的湍流边界层噪声谱进行1/3倍频程平均，结果如图9所示，可以看出，通过本方法可以显著降低线谱对湍流边界层噪声测量结果的影响，1/3倍频程平均后的结果与无线谱干扰的噪声谱平均后的结果基本重合。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
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