СПОСОБ ЛОКАЛИЗАЦИИ ЗОН ШУМОИЗЛУЧЕНИЯ ДВИЖУЩЕГОСЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
METHOD OF LOCALISING NOISE EMISSION AREAS OF MOVING VEHICLE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для поиска зон повышенного акустического излучения по длине движущегося источника шума - на автомобильном и железнодорожном транспорте, а также на судах различного назначения при их диагностическом обследовании с целью определения эффективности средств амортизации или шумозаглушающих покрытий.
Известен способ определения зон повышенного акустического излучения по длине транспортного средства, используемый для поиска судовых шумовых источников (Р.Дж. Урик. Основы гидроакустики. Л., Судостроение. 1978. с.346÷347).
Сущность способа можно пояснить на примере ходовых испытаний кораблей, когда движущийся корабль проходит на близком расстоянии от измерительного гидрофона. В основе способа - определение звукового давления, обусловленного различными источниками - виброактивными механизмами, распределенными по длине испытуемого корабля. При этом положение источника звука, а, следовательно, и положение источника энергии гидроакустического поля, определяют сопоставлением максимумов звукового давления с частями корабля, которые в момент их возникновения оказываются ближайшими к приемнику (гидрофону).
Недостатком рассматриваемого способа является низкая разрешающая способность локализации отдельных источников, формирующих гидроакустическое поле, обусловленная применением для определения звукового давления ненаправленного приемника.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ синтезированной апертуры (А.К. Новиков. Статистические измерения в судовой акустике. Л., Судостроение, 1985, с.266÷268). Применение этого метода в акустике позволяет с использованием двух приемников определять пространственное распределение зон шумоизлучения по длине испытуемого судна. Этот способ локализации зон шумоизлучения принят за прототип. Сущность способа-прототипа сводится к следующим операциям:
- прием сигналов излучения движущегося транспортного средства в двух точках волнового поля;
- полосовая фильтрация принятых сигналов;
- задержка сигнала, снимаемого с выхода приемника, ближайшего к траектории движения судна, на величину, равную максимальной относительной задержке принимаемых сигналов;
- определение корреляционной функции полученных сигналов;
- определение корреляционной функции точечного источника акустического излучения, движущегося по траектории движения транспортного средства;
- определение опорной функции, спектр которой имеет обратную величину спектру корреляционной функции точечного источника акустического излучения;
- свертка корреляционной функции с опорной функцией.
В результате формируется функция распределения зон повышенного интенсивности излучения по длине судна, максимум которой соответствует положению источника звука.
Соответствие координат локализуемых зон и линейных размеров испытуемого судна осуществляют сопоставлением их с координатой максимума, полученного для источника, положение которого по длине судна известно. При практических измерениях таким источником является излучатель, установленный в заданном месте. Разрешающая способность способа-прототипа определяется частотой сигнала шумоизлучения и расстоянием между приемниками.
Недостаток способа-прототипа состоит в ограниченном частотном диапазоне, так как для сохранения постоянной разрешающей способности локализации зон шумоизлучения при изменении средней частоты настройки фильтра, осуществляющего полосовую фильтрацию, необходимо обратно пропорционально изменять дистанцию между приемниками, что при практических измерениях трудновыполнимо или конструктивно невозможно.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение заданной пространственной разрешающей способности в широком диапазоне частот шумоизлучения при постоянной дистанции между приемниками путем умножения частот исследуемого сигнала и опорной функции.
Это достигается тем, что после изменения частоты фильтрации принимаемых сигналов их умножают по частоте на число, равное отношению начальной и измененной частот фильтрации.
Сущность предложенного технического решения поясняется на фигурах 1÷5.
Устройство, реализующее предлагаемый способ (Фиг.1), содержит двухканальный приемник 1 узкополосных сигналов, первый выход которого через умножитель частоты 2 соединен с первым входом коррелятора 3, а второй выход двухканального приемника узкополосных сигналов через последовательно соединенные блок задержки 4 и умножитель частоты 5 подключен ко второму входу коррелятора, выход которого соединен с входом блока свертки 6. Второй вход блока свертки подключен к выходу формирователя опорной корреляционной функции 7.
С использованием описанного устройства предложенный способ реализуется следующим образом.
Сигналы шумоизлучения судна принимаются двухканальным приемником, в качестве которого рассматриваются измерительные гидрофоны, отстоящие друг от друга на расстояние, определяемое длиной волны. После полосовой фильтрации принятых сигналов и задержки одного из них на время пробега волной дистанции между измерительными гидрофонами они подвергаются умножению по частоте в блоках 2 и 5 на число, равное отношению начальной и измененной частот фильтрации, после чего сигналы подаются на входы коррелятора. Одновременно в блоке 7 определяется опорная корреляционная функция для независимого точечного источника излучения, движущегося по траектории движения транспортного средства, и производится умножение ее частоты. Далее сигналы с выхода коррелятора и формирователя опорной корреляционной функции подаются на первый и второй входы устройства определения свертки, выход которого является выходом устройства в целом.
12
Корреляционная функция узкополосных сигналов r(х) на выходе коррелятора представляет собой суперпозицию корреляционных функций звуковых давлений, создаваемых отдельными независимыми источниками:
,
3
/
/
где: t(х-х) - задержка сигнала, определяемая разностью координат двух приемников и зависящая от относительного положения источника х и системы из двух приемников х;
- суммарная мощность источников излучения;
/
I(x) - распределение интенсивности источников излучения;
а
3
3
/
/
(t) exp(iwt(х-х)) - ядро интегрального преобразования, представляющего собой корреляционную функцию поля точечного источника, расположенного в точке х на корпусе движущегося судна,
и определяемую в узкой полосе частот.
Решением этого уравнения определяется спектр функции распределения зон повышенной интенсивности шумоизлучения:
;
r
12
где: F(u) - спектр корреляционной функции r(х) отфильтрованных сигналов;
1
F(u) - спектр ядра преобразования (функции корреляции для точечного источника шумоизлучения, движущегося по траектории движения транспортного средства);
u - частота.
При этом разрешающая способность для данных условий эксперимента определяется длиной волны и дистанцией между приемникам (А.К. Новиков. Статистические измерения в судовой акустике. Л. Судостроение, 1985, 268). Следовательно, умножение по частоте узкополосных и статистически независимых сигналов эквивалентно работе системы измерительных приемников на измененной частоте, обеспечивая заданное пространственное разрешение зон шумоизлучения без изменения дистанции между приемниками.
Достоверность предлагаемого способа подтверждается результатами проведенных модельного и натурного экспериментов, обосновывающих возможность изменения разрешающей способности локализации источников при постоянной дистанции между приемниками.
/
Источники тонального сигнала на частоте 50 Гц, отстоящие друг от друга на 40 м, перемещались в пределах прямой, ограниченной размерами Х=±300 м. Исследуемый сигнал принимался антенной из 2 приемных элементов, расстояние между которыми составляло 30 м. Антенна располагалась перпендикулярно прямой прохода транспортного средства и в его плоскости. Дистанция между прямой прохода транспортного средства и ближним приемником равнялась 20 м. Оценка амплитуды сигнала на выходе антенны производилась через каждые 1 м. Сигналы с выходов приемников фильтровались в 1/3-октавных полосах частот, причем сигналы с ближнего приемника задерживались на время, равное отношению расстояния между приемниками к скорости распространения звука в воде. В результате совместного представления измерительных данных строилась функция распределения интенсивности I(х), представленная на Фиг.2. При этих же условиях моделирования в соответствии с предлагаемым способом производилось умножение сигналов по частоте в 4 раза. Результирующая функция распределения интенсивности приведена на Фиг.3.
Сравнение функций распределения интенсивности, представленных на Фиг.2 и Фиг.3, показывает, что разрешающая способность пространственной локализации источников звука по длине транспортного средства увеличилась без изменения дистанции между приемниками.
На Фиг.4 и Фиг.5 приведены результаты натурной отработки предлагаемого способа локализации зон повышенного шумоизлучения для протяженного транспортного средства при описанных выше условиях эксперимента. Из сравнения функций распределения следует, что применение способа локализации позволяет выявить существенную неоднородность зоны шумоизлучения, обусловленную взаимодействием нескольких источников.
Основное преимущество предлагаемого способа перед способом-прототипом состоит в том, что заданная разрешающая способность достигается путем умножения узкополосных сигналов источника звука по частоте. В этом случае не требуется изменять дистанцию между приемными элементами в соответствии с изменением частоты исследуемого сигнала, что обуславливает расширение области применимости способа локализации зон шумоизлучения по длине транспортного средства.