СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ СИГНАЛА ШУМА ИСТОЧНИКА ИЗ СУММАРНОГО ШУМА
EXTRACTION METHOD OF SOURCE NOISE SIGNAL FROM TOTAL NOISE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в любой отрасли машиностроения для поиска доминирующих источников шумоизлучения и оценки акустической эффективности средств снижения уровней вибрации и шума.
В сложных технических системах, примером которых является современное судно, формируется вибрационное поле, обусловленное одновременной работой нескольких механизмов - насосов, двигателей, вентиляторов и т.д. При диагностическом обследовании характера шумоизлучения судна выделяется сигнал вибрации или шума источника (далее - сигнал источника) и определяются параметры его спектра: измеряются спектральные уровни в полосах частот, выделяются дискретные спектральные составляющие, оцениваются их уровень, ширина и т.д.
Известен способ, позволяющий выделять исследуемый сигнал источника из смеси с помехой, обусловленной работой посторонних источников (Б.В.Павлов. Акустическая диагностика механизмов. - М.: Машиностроение, 1971, стр.180, 181). Сущность способа заключается в полосовой фильтрации сигнала в диапазоне частот, определяемом спектром сигнала источника. Как правило, диапазон частот выбирается в окрестности частот дискретных спектральных составляющих или резонансных максимумов.
Для определения параметров спектра виброактивных механизмов в формируемом суммарном поле в ряде случаев невозможно отключать работающие механизмы, создающие сигнал помехи. Поэтому недостатком рассматриваемого способа является невозможность выделять полезный сигнал и, соответственно, определять параметры его спектра в случае наложения спектров нескольких источников. Такая ситуация характерна для нескольких, одновременно работающих однотипных механизмов. Перекрытие спектров обуславливает значительную погрешность определения спектральных параметров.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ выделения полезного сигнала, основанный на согласованном приеме суммарного шума и сигнала источника шума. (В.Ю.Гарин, Ю.П.Медведев, В.Ю.Неворотин. Способ определения полосового уровня шума в суммарном шуме. Патент на изобретение №2006072, 1994 г.). Этот способ выделения полезного сигнала принят за прототип.
Сущность способа-прототипа сводится к следующим операциям:
1) раздельный прием сигналов источника и суммарного шума;
2) фильтрация принятых сигналов в выбранной полосе частот;
3) приведение сигналов источника и суммарного шума к масштабу времени сигнала шума источника;
4) определение параметров спектра выделенного сигнала.
В последнем случае оценка параметров спектра в приведенном масштабе времени осуществляется с целью определения уровня шума. При этом сигналы, спектр которых распределен по оси частот, преобразуются в сигналы, близкие к монохроматическим.
Недостаток способа-прототипа - сжатие выделяемого сигнала по частоте и, как следствие, невозможность определения характеристик спектра выделяемого сигнала.
Задачей изобретения является выделение полезного сигнала из смеси с помехой с сохранением спектральных характеристик с использованием операций приведения временных масштабов сигналов. Это достигается дополнительной полосовой фильтрацией результирующего сигнала в приведенном масштабе времени в полосе частот, равной ширине, сформированной дискретной спектральной составляющей. Затем осуществляют инверсное преобразование масштаба времени отфильтрованного сигнала и измерение параметров спектра.
Сущность предложенного технического решения поясняется фигурами 1÷8.
Устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг.1), содержит приемник суммарного шума 1 и приемник шума источника 2, выход которого через формирователь управляющего сигнала 3 подключен к управляющему входу преобразователя временного масштаба 4. Сигнальный вход преобразователя временного масштаба соединен с выходом приемника суммарного шума. Выход преобразователя временного масштаба через полосовой фильтр 5 соединен с входом преобразователя временного масштаба 6, к управляющему входу которого через инвертор управляющего сигнала 7 подключен выход формирователя управляющего сигнала. Выход преобразователя временного масштаба соединен с входом вычислительного устройства 8 - выходом устройства в целом.
С использованием описанного устройства предложенный способ реализуется следующим образом.
Сигналы суммарного шума и шума источника принимаются приемниками раздельно. В формирователе управляющего сигнала, используемого для управления нерегулярной дискретизацией суммарного шума, сигнал шума источника подвергается полосовой фильтрации и кратному преобразованию частоты в соответствии с требованиями теоремы Котельникова.
Нерегулярная дискретизация ограниченного по частоте сигнала суммарного шума выполняется в преобразователе временного масштаба, в качестве которого рассматривается аналого-цифровой преобразователь, входящий в состав цифровых анализаторов спектра. В результате нерегулярной дискретизации при помощи преобразователя временного масштаба на выходе формируется сигнал, спектр которого сосредоточен в узкой полосе частот, существенно меньшей исходной полосы частот, обусловленной, например, влиянием собственной нестабильностью оборотных частот механизмов - источников шума. После полосовой фильтрации сигнала суммарного шума в полосе частот, сформированной дискретной спектральной составляющей, осуществляется восстановление исходного временного масштаба при помощи преобразователя временного масштаба, причем управление нерегулярной дискретизацией осуществляется управляющим сигналом, полученным в инверторе управляющего сигнала. После восстановления временного масштаба выделенного сигнала шума источника в суммарном шуме в вычислительном устройстве определяются его параметры. Для упрощения изложения при описании устройства опущены процедуры ограничения по частоте суммарного сигнала и ввода постоянной задержки, необходимой для завершения формирования управляющих сигналов.
Использование предлагаемого способа показано на примере компьютерного моделирования работы устройства.
В результате моделирования работы устройства формируется сумма двух частотно-модулированных сигналов при различном значении средних частот. Частотная модуляция имитирует влияние собственной нестабильности оборотных частот механизмов-источников шума или вибрации. Спектры моделируемых сигналов, представленные зависимостью уровня сигнала L от частоты F, сосредоточены в общем диапазоне частот (фиг.2), и, следовательно, разделение сигналов путем полосовой фильтрации невозможно. На фиг.2 обозначены фрагменты спектра: в окрестности первой дискретной спектральной составляющей 1 и в окрестности второй составляющей 2. При обработке сигналов по предлагаемому способу один из сигналов использовался в качестве опорного сигнала, из которого выделялась переменная задержка относительно стабильного сигнала и формировался управляющий сигнал для нерегулярной дискретизации. В результате преобразования временного масштаба спектры обоих сигналов сжимаются и сосредотачиваются вблизи средних частот каждого из сигналов (фиг.3). Таким образом, обеспечивается возможность выделения исследуемого сигнала путем фильтрации в полосе частот, существенно меньшей, чем полоса частот исходного сигнала (фиг.4). Ввод в отфильтрованный сигнал обратной временной задержки, реализуемый путем инверсии сформированной ранее временной задержки, формирования управляющего сигнала и дополнительной операции преобразования временного масштаба, приводит к восстановлению параметров выделяемого сигнала (фиг.5).
Таким образом, прямое и обратное преобразование временного масштаба сигналов путем нерегулярной дискретизации позволяет выделять исследуемый сигнал из сложной смеси с перекрывающимися по спектру сигналами в полосе частот меньшей, чем ширина спектра.
Сравнение приведенных примеров показывает, что спектры исходного и выделенного сигналов из смеси с сигналом помехи практически идентичны, что позволяет использовать такую процедуру при практической реализации предлагаемого способа.
Достоверность способа подтверждается результатами модельного и натурного экспериментов при следующих условиях.
Расширение спектра суммируемых сигналов на общем диапазоне частот обеспечивается амплитудной и частотной модуляцией, обусловленной относительным движением источников и приемника, находящимся на заданном расстоянии от их траектории движения. Амплитудная модуляция имитирует затухание звука при расширении фронта волны, а частотная модуляция - проявление эффекта Доплера. На фиг.6 показана сигналограмма (зависимость амплитуды сигнала S от времени t), из которой следует, что в начале выборки доминируют высокие частоты, а в конце - низкие. Сравнение спектров модулированного и немодулированного сигналов показывает, что смещение временного положения максимума сигнала относительно центра выборки приводит к формированию спектра с несимметричной формой (фиг.7). На фиг.7 обозначены спектры сигналов: - немодулированного 1 и модулированного 2. Возможность фильтрации сигналов, сосредоточенных в общем диапазоне частот, подтверждается результатами натурного эксперимента (фиг.8), в котором суммарный сигнал формируется в результате работы нескольких однотипных механизмов, расположенных на судне, двигающемся с заданной скоростью относительно неподвижного приемника. На фиг.8 обозначены спектры: суммарного шума 1 и выделенного сигнала шума источника 2. Применение заявляемого способа позволяет определять энергетический вклад исследуемого механизма в акустическое поле, формируемое совокупностью виброактивных механизмов.
При моделировании операций обработки сигналов, реализующих способ, средние частоты модулированных сигналов равнялись 99.75 Гц и 100 Гц. Спектр суммарного сигнала занимал полосу частот от 99.4 Гц до 100.3 Гц. Частота дискретизации равнялась 813.8 Гц. Для формирования временной задержки использовалось преобразование Гильберта.
Как показали предварительные исследования, эффективность предлагаемого способа выделения шума источника определяется отношением полос сигналов: исходного и полученного в результате прямого преобразования временного масштаба и фильтрации.
Сравнение спектров сигналов (исходного и полученного в результате операций по предлагаемому способу) показывает, что его основное преимущество перед способом-прототипом заключается в обеспечении возможности измерений параметров исследуемых сигналов, наблюдаемых в условиях существенного влияния помехи.
Предлагаемый способ предполагается использовать при выполнении измерений уровней гидроакустического отражения от масштабных моделей кораблей в озерных условиях при наличии помех.