舰船航行噪声传播路径研究.pdf

第45卷第17 期2023年9月舰船科学技术SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.45,No.17Sep.,2023舰船航行噪声传播路径研究吴海洋(江西科技学院，江西南昌330 0 98)摘要：为降低舰船航行过程中噪声，研究舰船航行噪声传播路径问题。由于舰船航行过程中具有多处噪声来源，因此可将舰船航行过程中的多源噪声信号定义为卷积混叠，由此提出耦合噪声源分离方法。基于表示舰船航行过程中的噪声源信号与噪声信号接收器在不同时间节点下所获取的噪声观测信号，确定舰船航行噪声源信号。在此基础上，通过奇异值分解法处理噪声源信号，利用工况传递路径分析法分析舰船航行噪声传播路径贡献量。实验结果显示，该方法能够准确计算噪声传播过程中的损失量，分析舰船航行过程中噪声的主要来源，有效辅助研究对象航行过程中的噪声抑制处理。关键词：舰船航行；噪声；传播路径；噪声源分离；奇异值分解；贡献量中图分类号：U661.39文章编号：16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)17-0 0 7 5-0 4Research on the propagation path of ship navigation noise(Jiangxi University of Science and Technology,Nanchang 330098,China)Abstract:To reduce the noise during ship navigation,the propagation path of ship navigation noise is studied.Due tothe presence of multiple noise sources during ship navigation,the multi-source noise signals during ship navigation can bedefined as convolutional mixing,and a coupled noise source separation method is proposed.Based on the noise observationsignals obtained by the noise source signal and the noise signal receiver at different time nodes during ship navigation,theship navigation noise source signal is determined.On this basis,the singular value decomposition method is used to processthe noise source signal,and the contribution of ship navigation noise propagation path is analyzed using the condition trans-fer path analysis method.The experimental results show that this method can accurately calculate the loss during noisepropagation,analyze the main sources of noise during ship navigation,and effectively assist in the noise suppression pro-cessing of the research object during navigation.Key words:ship navigation;noise;propagation path;separation of noise sources;singular value decomposition;contribution amount0引言舰船的设计与应用逐渐朝着大型化与强动力化发展，由此提升了舰船船舱的密封性，但同时也造成舰船噪声的高频特征显著提升!，令舰船航行过程中的噪声越来越严重。为有效降低舰船航行过程中的噪声影响，研究舰船航行噪声传播路径具有重要意义 2 。杨星瑶等 3 在研究噪声传播路径过程中采用现场测量与表征的方法，但该方法实际应用过程中需严格收稿日期：2 0 2 3-0 6-0 2基金项目：江西省文化艺术科学规划项目（YG2020158）作者简介：吴海洋（198 3-），男，讲师，研究方向为计算机音频技术。文献标识码：Adoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.17.015WU Hai-yang测试并解释相关数据，否则无法获取准确研究结果。卢炽华等 4 在研究噪声传播路径过程中从激励角度出发，研究噪声在结构中的传播路径。该方法在实际应用过程中应用条件相对繁杂，且需要花费较高成本。陈克等 5 在研究噪声传播路径过程中选用工况传递路径分析法，未考虑噪声源的显著耦合现象，由于噪声信号在频谱上显著重叠导致最终研究结果产生偏差。针对上述问题，提出一种新的舰船航行噪声传播路径研究方法，为舰船航行降噪处理提供一定的参考。761舰船航行噪声传播路径分析方法1.1耦合噪声源分离舰船实际航行过程中，考虑舰船内不同设备间存在耦合特性，并受到外界环境因素干扰，用来采集舰船航行噪声的传感器仅能获取耦合噪声信号。以S(t)=(s1(t),S2(t),Sm(t)表示舰船航行过程中的噪声源信号，其由噪声源发出，通过不同路径与时间延迟后到达不同噪声信号接收器。X(t)=(xi(t),x2(t),Xn(t)为n个噪声信号接收器在t时间节点下所获取的噪声观测信号。由此在考虑时间延迟的条件下，可通过式(1)描述第i个噪声信号接收器所接收的噪声观测信号：mN-1=1=0式中T为舰船航行噪声损失量，其共包含2 个主要部分，分别是噪声在空气传播中的损失量与噪声在结构中船舶的损失量。噪声在空气传播中的损失量T1是指噪声在空气传播过程中遇到甲板等结构所导致的损失量 5，公式描述如下：T1=-101g(0),式中，公式中括号等号为透射噪声能同入射噪声能的比值。噪声在结构中船舶的损失量为：T2=Li +L2 +L3+L4+Ls 。式中：Li和L2分别为噪声源处安装隔振装置导致的损失量和传递噪声传播路径上的接头损失量；L3和L4分别为基座传播损失量与机舱至接收舱传播路径上的阻尼损失量；L5为噪声源舱内的传播损失量。式(1)的hij为第j个舰船航行噪声源信号同第i个噪声信号接收器间传播路径的响应函数。其在频率上可表示为：mx(c)=Z Hi(c)s;(c),式中，H;为联结噪声源与观测噪声信号间传递函数。设定舰船航行过程中，Hi;具有线性特征 6 ，且在研究过程中不会发生显著波动，令式(4)在任意工况下均成立。舰船航行过程中，不同机械设备均能够单独运行，若噪声源k单独运行，s(t)=0。以r表示对任一噪声源单独运行工况，由此获取舰船航行噪声传播函舰船科学技术数矩阵：Haxm Xixrsx,.获取任意工况下噪声观测信号X()=x1(),x2(),xn(w)T的条件下，结合式(5)就能够确定舰船航行噪声源信号：SSmxI=HiXmXxnxmAnx1通过上述过程确定舰船航行噪声源信号能够防止输入噪声源间的交叉耦合性，得到噪声源实际噪声信号，由此科学利用工况传递路径分析法进行噪声传播路径分析。1.2基于工况的传递路径分析(1)采用工况传递路径分析法分析舰船航行噪声传播路径过程中，考虑力源与声源贡献量运算的一致性，可通过式(7)描述噪声传递特征的矩阵形式：S=HX,在工况传递路径分析法中，输入噪声信号S与输出信号X均为工况下同时获取的。以振声传递模型为例，以S和X分别表示目标点的噪声响应信号与路径输人点区域被动端的响应信号，在此条件下，可通过传(2)递率A取代工况下的H，得到：S=AX,式(9)为式(8)的矩阵表达式：(1)(n)(3)1(1)s(n)SYA11Aml式中：m、n 和r分别为噪声传播路径数量、噪声数据采集点数量与输出噪声信号的路径数量。一般情况下，采用工况传递路径分析法分析舰船航行噪声传播路径过程中的输人矩阵并非方阵(rm),(4)所以在确定噪声传播函数过程中需通过最小二乘理论确定传播函数矩阵的元素，即A=(xTx)(xTs)=X+S=GrlGryo式中：A和X+分别为传递率矩阵和X的广义逆矩阵；Gxx和Gxy分别表示舰船航行噪声传播路径分析过程中输人变量的自功率谱矩阵和输入、输出变量的互动率谱矩阵。第45卷(5)(6)(7)(8)Ain.AmnY(1)(9)(n)(10)第45卷以确保舰船航行噪声传播函数正常求解为目的，要求rm。但考虑传播路径分析过程中的输人信号包含相互串扰的问题与相关性问题，由此导致舰船航行噪声传播函数求解过程中产生显著误差。作为普遍使用的矩阵分解法之一，奇异值分解实际应用过程中的主要优势体现在其能够显著改善串扰问题。因此以防止上述问题的出现，需采用奇异值分解算法对输出信号X矩阵实施处理，即Xnxv=Unxnnxvo式中：U和入均为酉矩阵，其中入为对角方阵，同时入也为X的奇异值矩阵。;(in)表示X的奇异值，其符合1U2On0标准，其中相对较小的奇异值被定义为串扰信号，需被消除，设定奇异值累计贡献率为90，入表示处理后所得的奇异值矩阵，U、为对应的酉矩阵。通过式(10)和式(11)能够确定舰船航行噪声传播率矩阵A，公式描述如下：A=VA-1UTs,在此条件下，可通过式(13)描述S=XiA,由此可通过式(14)描述不同舰船航行噪声传播路径的贡献量：Sij=X;Aij.2性能分析为验证本文方法的性能，以某大型舰船为研究对象，表1为研究对象的相关参数。设定研究对象在较为宽阔的水域中处于航行状态下，采用本文方法对研究对象在航行过程的噪声传播路径进行研究。2.1噪声传播路径损失量计算结果采用本文方法对研究对象航行噪声传播过程中所损失量进行计算，所得结果如表2 所示。分析表2 可知，采用本文方法计算所得研究对象航行噪声传播过程中的损失量与实际损失量基本一致，由此说明采用本文方法能够准确获取相关噪声数据，对于最终分析结果的准确性产生积极影响。2.2峰值频率处噪声贡献分析实际噪声传播路径分析过程中，共构建12 条噪声传播路径。研究对象航行过程中，当噪声峰值频率点达到2 2 8 Hz时，主要路径贡献量分析结果如图1所吴海洋：舰船航行噪声传播路径研究长度/m宽度/m高度/m主要材料玻璃：密度2.4t/m，弹性模量2.6 10*MPa，泊松比0.2 5(11)铝合金：密度2.8 t/m，弹性模量7.2 10*MPa，泊松比0.34载重量/万吨吃水深度/m船舱高度/m表2 航行噪声传播过程中所损失量计算结果Tab.2 Calculation results of loss during navigationnoise propagation本文方法计算实际损失量/噪声损失项结果/dB噪声在空气传播中的损失量7.62(12)噪声源处安装隔振装置导致的损失量传递噪声传播路径上的接头损失量基座传播损失量(13)机舱至接收舱传播路径上的阻尼损失量噪声源舱内的传播损失量示。分析图1得到，采用本文方法分析所得在峰值频(14)率2 2 Hz处，贡献量最大的5条路径分别是螺旋桨轴承垂向、螺旋桨轴承水平、尾轴前轴承垂向、轴前轴承水平和推力轴承水平。由此可知采用本文方法能够有效分析研究对象航行噪声传播路径的贡献量，确定研究对象航行过程中噪声的主要来源。2.3不同工况组合对分别结果的影响设定研究对象2 种不同工况：工况1中主发动机螺旋桨轴承垂向螺旋浆轴承水平尾轴前路轴承垂向尾轴前轴承水平推力轴承水平15图1噪声传播路径贡献量分析结果Fig.1 Analysis results of noise propagation path contribution77表1研究对象相关参数Tab.1 Related parameters of the research object参数钢：密度7.9t/m，弹性模量2.2 10 5MPa，泊松比0.327.5910.7310.753.613.602.852.854.074.0810.9610.99139.93138.94132.64131.34130.7820255303540贡献量/dB数值291661940.319.616dB4578转速7 8 5r/min，2 台辅发电机转速分别为1350 r/min和1450 r/min；工况2 中主发动机转速9 9 0 r/min，2 台辅发电机转速分别为12 50 r/min和1450 r/min。图2 为本文方法所得研究对象不同工况下的频谱对比结果。分析图2 得到，本文方法在2 种不同工况条件下所得噪声频谱同主机单开条件下的噪声频谱走势大致相同，但工况2 的计算结果中包含微量误差。由此说明采用本文方法进行研究对象航行噪声传播路径分析过程中还需分析不同工况的作用，特别是在传播函数求解过程中没有加人的矩阵工况。以上结果说明采用本文方法进行分析能够反映出研究对象航行过程中的实际噪声特性，可有效辅助研究对象航行过程中的噪声抑制处理。12011010090807010图2 不同工况频谱对比结果Fig.2 Spectral comparison results under differentoperatingconditions3结语本文研究舰船航行噪声传播路径，考虑舰船航行实际环境，将不同噪声源信号定义为卷积混叠，提出耦合噪声源分离方法。通过舰船工况传递路径分析方法分析舰船航行噪声传播路径，实验验证了本文的有效性。参考文献：1王迎春，马石，李彦，等.主动控制技术在船舶振动噪声控制舰船科学技术中的应用 J.海军工程大学学报,2 0 2 1,33(4):56-6 4+94.WANG Yingchun,MA Shi,LI Yan,et al.Application of activecontrol technology on ship vibration and noise J.Journal ofNaval University of Engineering,2021,33(4):56-64+94.2】张磊，李彬，杨自春，等.水下圆柱舱段模型耦合噪声源识别及空间声场定位研究 .船舶力学,2 0 2 1,2 5(2):2 38-2 45.ZHANG Lei,LI Bin,YANG Zichun,et al.Research on cou-pling noise source identification and spatial acoustic field local-ization of an underwater cylindrical cabin modelJ.Journal ofShip Mechanics,2021,25(2):238-245.3杨星瑶，卢炽华，刘志恩，等.现场测量表征激励源的部件传递路径分析方法研究 J.声学技术,2 0 2 2,41(6):8 94-90 2.YANG Xingyao,LU Chihua,LIU 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