автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка нелинейного корреляционного метода и электротехнического измерительного комплекса локализации источников шумов и вибрации применительно к судовым условиям

г; - ; и Н . . ^

^ '3 НОЯ ®

санкт-петербургскии государственный

морской технический университет

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА НЕЛИНЕЙНОГО КОРРЕЛЯЦИОННОГО МЕТОДА И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ЛОКАЛИЗАЦИИ ИСТОЧНИКОВ ШУМОВ И ВИБРАЦИИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К СУДОВЫМ УСЛОВИЯМ

Специальность 05.09.03—электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

санкт-петербург 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

ПАНТЮШОВ Виктор Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

НОВИКОВ Андрей Константинович; кандидат технических наук, доцент МИНИН Вадим Васильевич.

Ведущая организация — Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии (ЦНИИ СЭТ).

Защита состоится « 1995 г. в 44 ч.

на заседании диссертационного совета Д 053.23.02 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу: 190008, Санкт-Петербург, Лоцманская ул., дом 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью предприятия (организации), просим направлять в адрес специализированного совета.

Автореферат разослан « 3 . » Н&М^Ш- 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д. т. н., профессор

А. Н. ДЯДИК

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное состояние проныаленно-развигых стран характеризуется широким внедреншн новых технологических процессов, ув&штаэнизм знергоешсости и кощности прошшлениых установок, использованием средств названого, водного.воздупного и других видов транспорта. Это неиабеано приводят к увзличэнив уровня шума и вибраций всех типов и оказывает негативное влиянгз на экономическую обстановку в стране. ВяСрзцян механизмов и машин приводят к их износу, что с одно! стороны приводят к кзэенэнпя их качественных и эксплуатационных характеристик, а с другой стороны увеличивает уровень излучаемого идо шума на человека. Он, как никогда равэе, находятся в настоящее время в условиях воздействия повышенных уровнен шумов и визрация, которья зачастую выходят за предела биологическоа гореносиности.

Щи обследовании населения развитых стран бол» чем у 2/3 наблюдалось повышение кровяного давлэнкя и пульса, прп увеличении уровня шума на 10 процентов, от уровня установленных нор», 0,5 миллиона рабочих в Англии и 3 мдыиона в СТА подвержены серьезным заболеваниям органов слуха в следствие повышенного .уровня шуиа на производстве. Это явление наблюдается тага» на территории стран СНГ у 20 - 50 ялн. работающих. В США от 10 до 15 млн. подвергаются воздействию шума, превышающего допустимые норны. На предприятиях ткзалла промышленности Индии уровни шума колеблются от 83 до ПбдЗ. В Италии в 1982 году удовлетворено около 2000 исков предъявленных из-за погори слуха от воздействия шума на производстве. Только в одной области страны в условиях повышенного уровня шума работают более 260 тыс.человек. Постоянный комитет по безопасности, гигкэне труда и благосостоянию в Англии отмечает, что свыше 900 рабочих на 14 заводах с литейным производством подвершены воздействию уровня шума свыше 90 др. Там т приведены данные, что из-за повышенных уровней шумов промышленность ежегодно теряет 535 трудовых ресурсов, а затраты, связанные с компенсационными выплатами, (складывающиеся из вышит за потерю трудоспособности от воздействия повышенного уровня шума и затрат из-за потерь рабочего вревени и снижения производительности труда по зто2 не причине) составляют в США 730 млн.долларов в год. Можно

считать, что увеличение уровня шума свыше 80Д5 на каждые 1-2дб приводит к снижению производительности труда на IX.

Воздействию повышенного уровня шума годверюены не только рабочие промышленных предприятии. Гам же приводятся данные о том, что население крупных городов мира проживает в условиях чрезмерного шума. Средние значения эквивалентного уровня шума в городах Испании, Гонконга, Китая, Вьетнама составляет 60-85дЗ, а около 60S населения Мехико подвергается воздействие шума свыше 7QOJ.

В нашей стране, в Иордании, в последнее десятилетие такое интенсивно развивается промышленность. Был построен ряд предприятия различных отраслей,значительно увеличилось число транспортных средств. При атом, вопросам исследования вредного воздействия шумов и вибрации создаваемых предприятии удаляется недостаточное внимание, следствием чего явилось превышение допустимых ISO норм уровней шумности. Из 26 исследованных предприятии на 16 уровень шума превышает 80дб, а на некоторых 100ДЗ. Учитывая экономическую важность проблемы исследования шумов и вибрации, ряд исследовательских центров Иордании начали разработки по данной проблеме. в хода этих исследовании были намерены такие параметры как интенсивность, продолжительность времени воздействия шумов и уровень яж^рягрт» промышленных объектов различного назначения. Учитывая важность проблемы воздействия шума и вибрации на человека, экономический и моральный факторы от снижения их уровней, исследованием проблемы шумов и вибрации, а тахае причт их образования, цутех сшвения уровней шумов и виЗрации, в настоя-цэе время занимается ученые ряда стран и международных организации, таких как hdo/isd, ocxascsna и др.Важной частью этих исследовании является получение экспериментальных данных до воздействию шума и виЗрации на творческие способности человека. В работе приведены данные по уровням шумов в 50-60 года, 80-90 годы и приводятся прогнозируемые уровни шумов во втором десятилетии 21 века. Из таблиф видно, что проводимые мероприятия по снижению уровня вдма является очень эффективными, а прогнозируемые уровни шума дают основание на расширение их исследовании. При этом основной задачей исследователей, работающих в данной области является разработка и совершенствование экспериментальных методов измерении шума и вибраций, выявление источников шума и вяЗрация, измерение уровня шума каждого источника и определение вклада

кавдого источника в общий уровень пуна и виЗрациа прошшвнного или технического средства с использованиэм современноа малогабаритной аппаратуры, доступной для применения на фирмах частного, среднего и мелкого производства.

Таблица I

Источник шума Уровень шума <дб)

БО-бОгт. 80-90ГГ. 20гг 21века

Реактивные самолеты 15

( в салоне) 90-100 80-85

Реактивные авиационные до 20

двигатели — -

легковые автомобили

( в салоне) 90-95 72-75 18-20

Тяяелые машины 105-115 80-85 25-30

Тракторы (в кабине) 95-100 75-80 20

Строительные машины 95-105 80-85 15-20

Машинные отделения 15-30

теплоходов 95-115 80-86

Лифты (внутри) 60-70 40-50 Б20

Холодильники 55-70 30-35 25-35

Кондиционеры 80-65 45-50 35

Дзревообраоатыващйэ 10-15

станки 95-100 85-90

Передвижные компрес- 95-100 75-85 10-20

сорные станции

Все вытекзлоаэннов убедительно показывает актуальность рассматриваемой задачи и подтверждает необходимость проведения дополнительных исслэдований в этой направлении. В данной работе рассмотрены источники шумов и вибрация отдельных наиЗолэе интенсивных источников шумов и вибрация различных объектов, так или иначе, связанных с судостроением. Рассмотрены основные метода определения и диагностики уровней шумов и вибрация, проанализированы нетода построения основных типов систем диагностики и на основании этого предлагается один из перспективных методов, позволяющий выявлять и определять направлен® на источник шума и вибрации, произвести локализации каждого из источников шума и вибрации, а такие оценить их вклад в общую интенсивность.

Цель работы - разработка методов и технических средств, позволяющих выделить источник шума и вибраций;

-определение направления, на которой источник иуяа произведет иаксияальное излучение-,

-оценка вклада каждого из нескольких источников пума и вибраций;

- пространственная локализация источников шумов при помощи малогабаритно* современное аппаратуры применительно к условиям судостроительной промышленности.

Иными словами, цэльо данное работы является теоретическое обоснованна и разработка нового нвливееного корреляционного метода вадэленяя и локализации источников шума и виЗрацие, разработка опытного макета электротехнического комплекса, реали-зуяцего првдломвнные в работе метод, а тага» фактическая апробация его в судостроительное прошшленносги.

Нвтодяка выполнения работы. Теоретически обосновывается воз-коиныя путь модернизации корреляционного метода выявления источников шумов и вибрация, известного как метод Гоффа. на основания использования шешметричное корреляционное функции Гванвллы нелинейного типа. С цэлью повышения разрешался способности метода прэдхагээтея в процедуре оценки направления на источник шума или вяЗрацие использовать вепараметрическуи обработку кли! п ицшялных сигналов, связанных преобразованием Гильберта посредством импульсного дифференцирующего звена. Рассматривается возможность определения местополояенин источников шума и вибрации путем локализации его триангуляционным способом с исгользованаэм в измэригадьнкх -средствах бинарных приемных акустических систем. Предлагаемый метод выгодно сочетает аналоговую и цифровую обработку сигналов и отличается возможностью построения аппаратуры с малыми массо-габаритными показателями. Это делает ее удобное для оценки шумовых и низрационных характеристик судрвых средств и систем с высокое точностью, а такие применять ее на движущихся транспортных средствах и установках.

Ясазанные метод целесообразно применять в случаях когда:

- источники шума и виЗряции работают одновременно, близки по сгоктру и применить измерение гидроакустического и шумового спектра каждого источника существующий методами невозможно;

- виброахустичаскиэ и шумовые источники размещены в замкнутом объеме, что затрудняет определение направления -звука на каждые ИСТОЧНИК;

- спектры шума отдельных источников имеют широкую полосу излучаемых частот.

Научная новизна. Разработан новые нелинейные метод измерения шумов и вибрации, которые отличается высокое разрешающее способ-

ностьо определения направления на источник шума и виЗрацн* естественного и искусственного происхождения при отношении сигнал/Помеха не менее 1,0.

Разработан и исследован метод локализации, основанных на триангуляции, который позволяет определить местоположение источника шума и вибрации на дистанциях др 1500 метров.

Предювено устройство и макетный образец электротехнического изаврительного комплекса, получена заявка на изобретение на основное звено, работающее ш предложенному методу.

Разработана методика оцэнки точности предюяенного метода, проведаны лабораторные исследования, которые подтвервдапт его правомерность.

Разработана методика и проведены натурные испытания на акватории Ладожского озера, которые показали работоспособность метода и возможность разделения источников при установке приемников с фиксированная базоэ на акватории.

Основными новыми научными результатами, выносимыми на защиту,

являются:

- анализ основных типов источников шума и вибрация в различных отраслях промышленности и транспорта для выявления их весто-

прлрдэния;

- опенка возможности использования известных методов выявления и локализации источников оуна и вибраций;

- разработка нового метода выявления и локализации источников шума и вибрации, создание методики анализа и расчета параметров источников шумов и вибрациа по принятому методу и апробация предяовенноа методологии в судо строении;

- разработка метода и диагностики, построенной с использованием опытного макета электротехнического измерительного комплекса, по определенно координат и интенсивности источников шума и виЗрации, выделение наиболее интенсивных источников шума и вибрациа дхя обеспечения возможности принятия мер по снижении уровня шума и вибрации.

Практическая данность работы состоит в создании новой методологию! принципов действия апнвратуры для выявления и локализации источников шумов и виЗраций.

Реализация и внедрение научных результатов работа. Результаты испытаний внедрены в методику измерения и локализации источников шумов и виЗрации, проводешх на фоне шумов приЗрежноа полосы,

судов - объектов различного тала.

Апробация работы. Основные голоаения работы докладывались и обсуждались на Первое научной конференции молодых ученых "Научно-технические продлены конверсии в морском приЗоро строении" ( г. С.-Петербург, 1992 г. ), на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПйГМТУ в 1993 г,, на Иещцународвои конференции но борьбе с шумом и виЗрацива "Nois* аз- ( г. 0.-Петербург, 1993 г. ), на втором Международном симпозиуме «Шум и нитрация на транспорте" ( г. С.-Петербург, 1994 г. ).

Разработано "Устрохство для определения знака временного рассогласования двух сигналов" I 94-023231 от 17.06.94.

Дубликата. По материалам диссертации опубликовано 2 работы, получено I авторское свидетельство на шлэгнув модель.

Объем диссертации. Содержание диссертации ивлпяено на 169 страницах, вкшчащих 122 листов машинописного текста, 56 рисунка, 7 таблиц и список литературы ив 51 наименования.

СОДЕМАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация содержит введение, четыре главы и основные результаты.

Во введении обоснована актуальность работы; сформулированы ее главные цели; изложены основные положения, выносимые на ващЕгу; освещены научная новизна и практическая ценность; приведены данные о реализации работы.

В первой главе анализируется большое количество источников шумов и вибрации различал отраслей народного хозяйства, в судостроении, промышленности, автомобилестроении. Показаны различные характеристики (спектры и уровни) шумов и вябрацл для различных типов судов, автомобиле! и в промышленности в разных режмах работа. Приведены шумовые и вибрационныо характеристики источников шумов и ячрнцио в виде таблиц и графиков.

В результате обработки информации большого количества источников шумов и вЮрацш различных отраслей промышленности, били получены обобщенные - спектры шумов и виЗраци? и их корреляционные функции.

Ди дальнейших расчетов шумов и виДрящи необходимо определить корреляционные функции различных шов случахных процессов различного спектрального состава шумов и ви5рация для

судостроительной промышленности.

Проводить корреляционные исследования с шумами гармонического типа иди шума с ограниченной полосы частот оказывается практически затруднительно, т.,к. их корреляционные функции имеют добавочные или побочные максимумы. Это приводит к возможно! неоднозначности в определении направления на источник шума или виЗра-ций. Поэтому целесообразно использовать в этом случае, так называемые "гладкие" спектры, которые южно получить, если учесть затухай» звука (особенно в водной среде), ми ввести в измерительный тракт специальные "обеляпцвэн фильтры. В атом случае корреляционные функции имеют только один отрицательный побочный максимум, который мояет бьггь устранен схемным путем (например, оценкой знака производной корреляционной функции). Это позволяет полностью устранить неоднозначность измерений и, соответственно, повысить эффективность корреляционных методов измерений.

Во второй гллве рассматриваются различные метода диагностики источников шумов. На рис. I. приведена классификация методов диагностики шумов и вибраций, которые могут быть разделены на две большие группы. К группе стандартных методов относятся -энергетические и спектральные методы, к группе специальных -метода пространственной фильтрации и корреляционные метода. В настоящей главе кратко рассмотрена сущность данных катодов.

Рис.1. Классификация методов диагностики шумов и виЗрациа

Развитие методов диагностики шумов и вибраций можно увидеть у

многих авторов, таких как Попков, новиков, Клюкин, Храбровицкая,

Пышкина и др. Разнообразие объектов диагностики и задач, решаемых

рядом методов диагностики шумов и вибраций, определяют и

значительное разнообразие и постоянное развитее этих методов, в

которых прослеживается тенденция к увеличению и усложнению

информативных признаков шумов и вШраций.

Суцествупцие и рассмотренные в диссертации метода диагностики

шумов и виЗрациа, такие как энергетические, спектральные,

пространственно! фильтрации и многие другие, обладает рядом существенных недостатков, ограничивающих или деляпцих вевозможным их применение в практике измерения реальных объектов судостроения, к ним относятся:

-нвобходмюсть использования дорогостоящих звуковых камер, наличвв которых исключает возможность измерения крупных объектов;

-невозможность измерений в присутствии высоких уровне! постороннего шума, излучаемого другими источниками помех, обусловленных отраженными волнами;

-трудность создания замкнуто! поверхности, что ограничивает размеры исследуемых объектов и делает невозможным исследования движущихся объектов;

Широкое применение в на стоячее время получили корреляционные методу измерения шумов и вябрацга. Цри атом в применения корреляционных методов в технике акустических измерении различают следующие направления:

-оценка качества звукового поля в закрытых помещениях; -выделение полезного сигнала на фоне помех; -выявление роли и значимости отдельных источников в общем шумовом сигнале;

-ивнеренив коэффициентов отражения, звукоизоляции и т.п.; -определение типов волн и ивмереняе скорости распространения звука в материалах.

О помощью функции взаимно! корреляции между звуковыми давлениями в двух точках шля могут бьггь решены вадачи по определению направления на источник шума, в случае, когда плоскиэ звуковые волны приходят от большого числа статистически независимых источников шума, расположенных ш всем азимутальным направления».

Пространственно-временная функция корреляции такого шля в направлениях, пврпвндикулярных к фронтам волн, определяется выра-«вниэм

00

ВИ(Г) - | <«>-»„( Со«ш- сЬ> .

_ __О ____( _

Пространственная функция корреляции диффузного поля со сферической симметрией, когда плоские волны распространяются от бесконечного числа независякых источников, расположенных равномерно на поверхности аферы большого радиуса, определяется аналогично

мг

31 п =— с

в (г) = i в (и) - сосиг <1ы.

11' ' i и4 ' шг

о

С помощью приведенных выражений могут быть вычисляли все представляющие интерес характеристики акустического поля.

Развитие корреляционных кэтодэв приобрело новый характер с использованная кетода Гванвллы.

Этот метод обеспечивает независпзость от аффективного значения сигнала и более высокую точность определения характеристик шумового поля.

Максимальное значение автокорреляционной функции наеет иесто щи т » о (если не существует пэриодического процэсса) и соответствует эффективному значения временной функции:

т

*-(о> « Ит. * I аь - у(т)„„.

т—к» J

-т

Если вместо автокорреляции, ввести взаимную корреляций временной функции с одной из ее производных та времени,

о

полученных посредсвом поворота на 90 схокоа пирокополосного фазовращателя, то,та методу Гванвллы, нояно добиться того, чтобы при т « о вместо максимального значения был минимум (прохождение через нуль). Рассматривая этот вопрос со спектральной точки зрения, мошо сказать, что в этом случае образуется взаимная корреляция всех спектральных составляющих с одинаковыми но сдвинутыми та фазе на 90° составляющими. ,

При этом внесто активной мощности при т - о изнеряется реактивная мощность. Среднее значение реактивной мощности за период наблюдения, который должен быть значительно больше триода самоа низкочастотной составляющей, оказывается равным нулю. Поэтому измеряемая функция, названная несимметричной автокорреляционной функцией, щи т=о проходит через нуль. Справа и слева от нуля на расстоянии то /4 (что соответствует го фазе 90° ) находятся максимум и минимум. Лить в точка т«о нулевые значения всех спектральных составляющих совпадают.

Структурная схема аппаратуры для определения направления на источник шума по ветоду Гванвллы и графики сиязеоричной и не симметричной автокорреляционной функции приведены на рис.2.

Необходимо заметить, что симметричная автокорреляционная

Yft)

/l/З

Y (t+D

>

w&f ТсШ

Y(t+t)

> 1

g

um

л А .

fr с. 2.СХЕМА ГВАНЕЛПЫ

функция получается из сгоктрз нощности тсредсггвон косинус -преобразования Фурье, а несикаэтричная автокоррэяцюнная функция - посредством синус-преобразования Оурье.

Наилучшие результата использование ветода при определении направления на источник пука достигается в тех случаях, когда автокорреляционная функция быстро спадает к нуля.

Поэтому ресенЕЭ этоа задачи являзтся одаоа ев главных задач, рассматриваемых в следующая главе.

В третьей глава на база ланеаного кото да Гванэлш предлагается нелинейная диагностическая сгстеза с ШЕЬпенноа разренг»-цэа способностью ш углу. Дана теория ото да, приводятся структура голезноа гадала, вапатвнтованноп в ИГУ и вероятностные характеристики реагирования. В концв раздала приводятся соображения по создашао системы локализации источников щука по дшнэ судна. Инструментальная точность схевд Гвапзлш определяется крутизной этоа характеристики, т.е. второй прогзводноа взаггнокоррэля-цвснноа функции процзсса

оо

в' <°> - - -55 | »^О»)«1" - - вк. <°>- (I)

Из ( I > слэдует, что т.к. ДЕСгорсия производной сдучазного процесса является конвчноа вэличкноа, то точность схекы опредалвэт-ся такта конечной величиной. Она зависит от интенсивности сигналов и их флюктуация.

Дм эффективности работы порогового индикаторного устройства требуется нормировка ашшгтуд. В корреляционных систеаах типу Гванелш это достигается процедурой нелинейной обработки сигналов. Сущность этоа процедуры захшчгэтся в тон, что здесь одновременно используется полярная взагянокорреляцтнная функция (2) знакового случайного процесса и ого производной (3).

В^) = Баи хЦ) ВвР- ЦЪ) (2)

{-1. при Х< о

1. прих>о- <3)

На входа нультипликатора подается клиппированныа случайный процесс хт(«.) и производная знакового процесса ^ (ъ+т), которая представляет собоа, в случае идеального ДЕффе-ренцнрования, знакогореиеннуп <5 - функция вида

f+l при ягд ж » аСяг

О ДХЯ are х * Kit (4)

-1 При are sc - (2К+1 )rt,

ПО к = 0,1,2,... - числа натурального рада. Мультипликатор производит полярное перемножен» процессов ( 3 ) и ( 4 ) и средний аффект на щдур определяется вероятностью возможных сочетании полярностей ограниченного сигнала в виде знакопеременной в - функции.

Таким образом, выходная характеристика нелинейного дифференциального измерителя ( Б ) представляет собой релейную знакошре-ианнур функцию (рис.3.>.

0,(т>- к^звп т , (5)

где К,- новый коэффициент пропорциональности. Зона нечувствительности такого измерителя при больших отношениях сигнал/помеха становится чрезвычайно малой. Характеристика типа (Б) является, ш нашему мнение, идеальной. Если сопоставить ее с линейной корреляционной функцией Гваналлы

0(т) = X(t) - x{t-r) = В„{т) - В(Т) - 0*<О)-К<~Г) (б) то видно, что чувствительность и точность таких систем будет существенно выше. Это обстоятельство позволяет нам рекомендовать нелинейную дифференциальную процедуру обработки для современных и перспективных электронных морских систем. Данная процедура оценки представляет особый интерес для исследования нестационарных случайных процессов и электрических сигналов сложного спектрального состава, т.к. она является вепа-раметрической и инвариантна законам распределения исследуемых процессов.

Приведено краткое изловешю сущности заявки на модель "Устройство для определения знака временного рассогласования двух сигналов" Т 84-023231 от 17.06.94.

Известны различные метода и устройства дхя определения знака цененного рассогласования сигналов, например устройство приведенное в статье Theaon Usher I. Random Boarlsg Errors in Spleet-Beaa System IASA,to1.37,N 5 ши устройство, приведенное в и."Электроника", 1964г. т.37 т1б, с.Б2-56.

Известно,что на выходе подобных устройств формируется выходная функция в виде знаковой' функции в зависимости от нормированного времени рассогласования между входными сигналами в соответствии с формулой

Ric.3. НЕЛИНЕЙНЫЙ ИИНИШЫШЙ КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ МЕТОД . ГВАНЕЛЛЫ

т ыК

г - -

или дхя узкополосных сигналов с независимыми шумами

Ч**51п(2Лп) у - - а^ -ж -

(1+ч) Уня-Сев1 (г/»У(1+ч)* где ь>1 - средняя частота переходов через о:

к1а- нормированная взаимная корреляционная функция

входных сигналов; к'1Х - производная от нормированной взаимной корреляционно! ФУНКЦИИ; тк - длительность импульсов с выходов блока выделения СрОНТОВ; а « - нормированное время рассогласования;

о

б>а - центральная частота спвктра входных сигналов; ав - «а т /г - амплитуда выходной функции; я - отношение сигнал/помеха, а крутизна дискриминационной характеристики определяется

по формуле:

J(a.О)----.

А

откуда видно, что максимальное и минимальное значения выходное функции устройства щи положительном и отрицательном времени рассогласования выходных сигналов зависит от средней частоты спектра входных сигналов.

На рис.4.а приведена структурная схема устройства дхя определения знака временного рассогласования двух сигналов, на рис.4.6 - структурная схема триггерного блока.

Неливеанык корреляционный метод очень удобно использовать дхя выделения дискретных или отдельных локальных источников шума и вибрациа, располоаенных в пространстве. В случав непрерывного распределения источников (особенно шумового типа), измерительная аппаратура существенно усложняется. В этом случае целесообразно сочетание данного метода с другими, например, с методом восстановления углового спектра шума и оценки характера распределения источников шума в пространстве.

В общем случае акустическое поле в точке приема может быть описано угловой спектральной плотностью шумов ы(ы,а,р), где ы-уг-

а)

1 1/5

1 7

Блок. Триггер-

^ перемно- ный

жения Блок

* 5 б

иб

Интегратор 7

V?

б)

Рис.4, а - СТЕШУШЯ СХЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАКА ВРЕМЕННОГО РАССОГЛАСОВАНИЯДВУХ СИГНАЛОВ

б - СТЕШУШАЯ СХЕМА ТРИГТЕНЮГО БЛОКА

ловая частота; а.р -утла, задающие направдвниэ ив точки призма. Эта величина описывает плотность потока энергии на частоте <•> с направления а, р. в соответствии с определением угловой спектральной плотности прямой способ ее измерения заключается в формировании веера острых диаграмм направленности на частоте « и измерений уровней сигналов с каждого направления. Такой способ измерения требует чрезвычайно сложных и громоздких антенн и большого объема аппаратуры.

Многочисленные данные по результатам измерения шумов указывает- на то, что сшктр шумов различного происхождения имеет непрерывный характер (без дискретных мощных составляющих) и характеризуется спадам 5 - 8ДБ на октаву. Это позволяет представить угловой сшктр в виде произведения двух функций, одна из которых является функцией только частота, а другая - только угловой координаты, то есть

Ы(ш,а )=<3(<о)Ы(а ).

В этом случае представляется возможность реального измерения спектральной плотности е(ы) и углового спектра ы(а).

Измерение значений ^(т) и к41(т) наиболее удобно для дальнейшей обработки с помощью параллельных коррелометров, измеряющих значения корреляционных функций с равномерным шагом по задержке. В этом случае интегральное уравнение может быть переписано следующим образом

Г к«-)

К (т) 11' '

/г?ь

I "(О

л

Обозначим —через и О-) , тогда

/щ

I'н'(Ъ) к44(т-ъ) «и.

77

а решение системы линейных уравнений в матричном виде относительно ы(ь)будзт иметь вид

N

ЖГ-

где n' -вектор оцзнок углового сшятра;

Лг -шаг дискретизации при вадервив;

1 -шприца значена! автокорреляцгонной нормированной функции;

й1Ж -вектор отсчетов нервированной взаикно-корреляциснной функции.

Такая задача мояет быть решена с помощью ЭВМ по стандартам програние, путей решения систви линейных уравнений. Следует завепггь.что эта задача относится к числу некорректных задач, то есть таких, при решении которых каше ошибки в измеренных значениях могут привести к произвольно большим ооазкаи в решении.

Описанный нетод грлвсообразно использовать одновременно с нелинейной корреляционной обработкой. Однако, в этом случае ш не 1зэеем возможности определить точное вестоголииенлэ источников □ума н вибраций в исследуемом пространстве, рассмотренный ранге нелинейный корреляционный измеритель позволяет точно определить направление на источник звука, в то время как дхя процесса локализации источника требуется определить его пространственные координаты. Этого новно достигнуть, используя, например, хорошо известный метод триангуляции, когда одновременно определяется направление на источник звука из двух точек, разнесенных в пространстве на определенное расстояние, составляющее измерительную баэу.

Рассмотрены особенности использования этого ибтода в судостроении, в частности при исследовании распределения источников пуна по дойне судна (рис.5). Линейная измерительная база устанавливается либо на грунте, либо на обесгочиваодей платфорюе с нестко связанными координатами. Если этого обесточить нельзя, то производится жесткая привязка курса судна и его основных ннзэре-зий в пространстве при помощи РЛС, лагерных дальношров, K9I и т.п.

При проведения замеров траверзное расстоянвэ обычно составляет * 100м., а разэер ивверительной базы IO-5CH. НапЗавю точные нзгэрвнпя производятся на траверзе. Точки отсчота синхронизируется го времени с координатами судна ш йго характерной точкп(нос, кораа, рубка, антенна РЛО п т.п.). Измерения угловых координат производятся одаоврззенно дхя всех, источников (напрпйзр дхя трех, са.рпс.5). Рсгая треугольвоса.

определят-, например, дхя второго источника величины од, т и о о,. Тогда пространственное тлояенш источника 2 составляет ш дхивв судна величину ха»д- о о ,.

Оценивается точность локализации лоточника иуна или вж?рацнж при наличии случашоз фяактуационноа авибхя в процессе измерения угловых координат, полагая, что величина измерительной базы фиксирована и измерена с достаточное точностью. Характер перемещения судна в пространстве является квазшггацгонарньа и в коиент намерения оно павет в пространстве фиксированные координаты. Это позволяет исключить на расснотрения траекторию олиЗки, которые носят снстенатнчэскня характер и 13017т бйгь учтены использованием линекных ишрадиа при обработке результатов измерения.

Структурная схеаа системы локализации источников иувов и влЗ-рация, предназначенная дхя диагностики судов предстандана на рас.в.

Сигналы с пресхЗразователва 1-2, 3-4 шетутаят на уенхаге-ли-ограннчителн 70 и черва дискретные линии задэрвки (ЛЗ) на еэ-линеиные корреляционные ивзврзгелн направления на источники звука. Через устройство согласования (УС) пзгзрвнньав значения госту-пгпт в паалть ШВЫ. где производится их попарный ататпя и они располагается вдоль диаметральное пдкликгш судна, тт,тго"п о координатах поступают в ШВУ от систеш воепветраокторных ивзэарениз. Вэаультаты измерение синхронизируется ш врвкени и заносятся в память ШВЫ, которая определяет местополояенив источника по длина судна в диаметрально! плоскости.

В четвертой глзве приведены результаты натурных исследования. Цэлъп предварительных натурных испытании являлась оютвая проверка разработанное методики определения вз&шного расположения одновременно нескольких Езлучащих источников пука по давне сссгчдуеиого судна в диаметратнтоя плоскости, а таксе угловое распределено» источников пуыа в пространстве (угловой сгоятр) и их относительная копность. Данные, голу чинные в результате нзкерениа, гатей нормировались, заносились в згаять ШШ и анализировались. Шред проведенгоа вачэтных страна проводилась оценка гокеховоз ситуации, т.к. пзштзЗпя проводились в зове, где проявляется интенсивные пс^эш, возникащив при разрувэнии волн на берэговоя креако. В работе. приводится состав и структура корреляционного козшэвса,

ряс.е. стштутля схема локализации источников звука движущегося судоГ^

3- задержка; Ф- фильтр; И- интегратор; УС- устройство согласования.

ксгшьзукзэго нолшшгныа катод обработки акустичэскоа нпфораац-ш и его технические характеристики, а такие ветодика проээдвння натурных ксслэдованпа на акватории Ладозского оетра. В захдвченпэ обсувдзптся результаты эксперимента и оценивается эффективность предюэенного в работа мотода. Учитывая, что исслэдовання проводились без цзлевого финанспровання, испытания носили ограниченный характер и их следует рассыатргоать как прэдаярительные.

Согласно предловеннону алгоротиу определения углового сгак-тра шунов изкерятелыша гсоишвкс долен содержать бкзлэкантную базу, блок фильтров, параллельный коррелометр, устройство согласования с ЭВМ и casos ПЭЕЧ типа С1. Крота того козтэко долган содержать канал св^эрэния интегрального уровня пуков и канал оп-рэдэгзнпя взаинного ползгения Еззерагельноа базы и изгеряеного объекта.

Цэльао испытания являлось определена в натурных условиях точностных характеристик измерительного кояшекса лжалпзацкл источников пуна по длине судна при его двшении.

К кспытаняяа пртагэкалссь два судна. Судно обеспечения (ОС) использовалось для раг^»;зэння антенных устройств, кзаеригвльноа и рэгкстрнрукзза аппаратуры козшэксг, судно- объект кзаерениа (СЛ)-опытовое судно пр.254лк (водоЕгавцвнпв ббОг., длина 65 ветров) и НПА разработки МТУ (надводном и подводноа пологенш). В ходе работ производились замеры пунностп судов типа реадовыа катер пр.367, проходящих в района проведения работ.

Прл проведании испытания ОС устанавливался в полигоне на якорь,глубина сеста 35 ветров. Антенные устройства с предварз-тольнызи уснлитолями и блисоа согласования закрепляюсь на поворотном устрогстве и опускались за борт на углубление 5 еэтров. Взгпстрарущая аппаратура размещалась на боргу ОС (рис.7).

Объект измерения - выполнял пряяые галсы в дистанции от ОС 0,1 0,3....0,5 воли, длина галса 0,5 мили, скорость на галоэ 4,8...14 узлов. Выполнение галсов начиналось с ниншалъноа дистанции на ниниаальноа скорости.

В ходе испытаниа с гоеодью опытного электротехнического кз^эрэтольного коахиекса производилось. кзазренЕЭ дастанцаи' и угла на источник шуна по длине объекта изкеренна, результаты измерения обрабатывались ЭЕН, экспресс информация шводилась на. экран дасшвя и записывалась на нагнигофон для гюследухцэго

¡..галса = 0,5 мили

Н~35н

Л0 =50н том \ =

где п° (£,...,40.

/////////////////////////

Берег

СХЕМА РАСПОЛОЖЕНИЯ И МАНЕВГИРОВАНИЯ СУДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПН! ОПРЕДЕЛЕНИИ ХАРАКТЕРА ИСТОЧНИКОВ ШУМОИЗЛУЧЕНИЯ

анализа.

Для объективной оценки результатов измерений измерительным конплексом, в едином насгггабе врекени с борга ОС фиксировалась дистанция да объекта с гонощьп лазерного дальновера ДДИ-3 (точность измерений 0,5 ветров) и направления на объект пеленгатором ОС, по данным которых составлялась карта ыанэвраро-вания ОИ.

Аппаратура, представленная на испытания позволяла определить распределение отдельных источников шума в широкой полосе частот, определэнноа угловом секторе (так называемый угловой спектр). Интегральный уровень пума измерялся птатпой аппаратурой ОС. Одновременно оценивался вклад (мощность) кгддого отдельного источника пума и его временное (угловое) взаооползгешэ по фиксированной оката линий задерган. Затея производилась норнировка интенсивностей пума и оценка их взагмного распо-лозения по длине ОИ.

На втором этапе испытаний проводились измерения прз прохождении ОИ паралсэльныаи галсами на заданном расстоянии от ОС и определенных скоростях хода. Отдельные опыты проводились с по обитаемым подводаьа аппаратом в надводном и подводном положении, а такса судами проходощсги в районе работ.

Все измерения проводилась при расползмэшш ОС параллельно бэ-рэговой линии. Для устранения влияния цлйре^ных пуков сзади щгтл'тпнх гццрофонов устанавливались пазсксэ звукопзох!] 1увдэ гидроакустические экраны. Результаты опытов с надводными судами палого водоЕзгецэния (типа рейдовый катер, водолазный бот н т.п.) показали, что устойчивого разделения источников пумоизлучэнпя в пространств (го углу) по происходит, так как длина судна го даа-гэтрзльноя плоскости пэвалика. Указанные типы судов могло отпасти а точэчныа источника пувоиздучэнпя, которые в основном располагается в корковой часта (вблизи винта).

В отдельных опытах го исследовании характера распределения источников пусопзлученпя подводного еэ обитаемого аппарата установлено, что в интегральную совокупность пуков аппарата входят составлять, находгсзэся в вертикальной плоскости, которые обусловлены переотргмэнпгм звука (в основном пуна винтов) от поверхности вода (особенно при динмэшщ его на иалл глубинах) и, в отдельных случаях - от дна, в зависимости от ого акустических ха-. рактористЕС. Во всех случаях пегользуомая при проЕэденгш пяыта-

них аппаратура давала возможность выделить прямой и отраженный сигналы в общем интегральном составе шума подводного необитаемого аппарата. Это еще раз подтверждает теоретическую правомерность и практическую пригодность рассматриваемого в работе метода выделения и, соответственно, возможности локализации отдельных источников пума ив суммы их независимых компонент по принципу суперпозиции.

Обработка результатов испытания показала потенциальные возможности комплекса и практическую ценность предлагаемого метода выделения источников пума с высокой разрешающей способностью в интегральной картине новообразования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты настоящего исследования могут быть сформулированы, по нашему мнению, следующим образом:

- в работе проанализированы основные типы источников шумов и виЗраций в различных отраслях промышленности, проведены исследования и показана необходимость принятия мер го уменьшении уровня шумов и вибраций. Получены обобщающие спектры шумов и виЗраций и их корреляционные функции;

- установлено, что проводить корреляционные исследования с шумами гармонического типа или шума с ограниченной полосы частот оказывается практически затруднительно, так как их корреляционные функции имеют добавочные или побочные максимумы. Это приводит к появлэнию неоднозначности в определении направления на источник шума и виЗрации, поэтому целесообразно использовать, так называемые "гладкие" спектры, которые можно получить, если учесть затухание звука (особенно в водной среде), или ввести в измерительный тракт специальные "обеляющие" фильтры. В этом случае корреляционные функции имеют только один отрицательный побочный максимум, который может быть устранен схемным путем;

- теоретически обоснован возможный путь модернизации

корреляционного метода" выявления источников шумов и вибраций. На основании использования несимметричной функции Гванеллы, с целью повышения разрешающей способности метода, предложено в процедуре оценки направления на источник шума и виЗрации использовать нелинейную (непараметричвскую) обработку клишированных сигналов, связанных

преобразованлзя Гильберта посредством пзпульсного днМвренцирупцего звена;

-на основе использования триангуляционного метода предлагается кетод локализации источников пуна и впбрацга, с использованием в измерительных средствах бинарных приемных акустических систем. Такоа подход позволит выгодно сочетать аналоговую и шаровую обработку сигналов и обеспечит возиовность построения аппаратуры с палыми массо-габаритными показателями. Это обстоятельство делает аппаратуру удобной дхя оценки шумовых и вибрационных характеристик судака средств и систем с высокой точностью, а такав дает возможность располагать и применять аппаратуру на движущихся транспортных средствах и установках;

показано, что выходная характеристика нелинейного дифференциального изкоротвля представляет собой релейную знакопеременную функцию скачка. Зона нечувствительности такого измерителя при больших относениях сигнал-потеха обеспечивает максимальную точность измерений. Это обстоятельство позволяет рекомендовать нелинейную дифференциальную процедуру обработки для современных и перспективных электронных морских систея оцзнки. Она представляет особый интерес дхя исследования нестационарных случайных процзссов и электрических сигналов сложного спектрального состава, так как она является непаранетриче скоа и инвариантна к законам распределения исследуемых процессов;

предложено устройство и макетный образец электротехнического измерительного комплекса, получено положительное решение на изобретение основного звена, обеспечивающего работ? измерительных диагностических систем по предложенному методу. Предлагаемый метод обладает расширенными фу ни р<пття.»тлшпс возможностями за счет увеличения области рабочих частот. Технико-экономическое преимущество предлагаемого устройства в сравнении с известными состоит в возможности использования его для работы с узкополосными сигналами неизвестной частота, а такие со сложными широкополосными сигналами при сохранении точности изнерений;

- разработана процедура оценки точности предложенного кетода. Одновременно разработана методика и проведены натурные испытания на акватории Ладожского озера, которые показали

работоспособность метода и возможность разделения источников шума я виЗрацив при установке приемников с фиксированной базов на акватории;

- щмнципияльныв положения работы дэдомены на Международном Симпозиуме (inter-мыс«- 94) и подучили положительную оценку специалистов по ж;следованию шумов и вибрации в судостроении.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Аль-Дканайде A.M. Об использовании метода Гоффа для измерения шумов и вибрации в морском приборостроении. Труды СПБГЫТУ, 1992 г.

2. Аль-Дканаиде A.M., Пантшов В.П. Нелинейный корреляционный метод выявления источников шума и вибраций транспортных средств. Второй международный симпозиум "Шум и вибрация на транспорте" 1994 г.

3. Аль-Джанайде A.m., Кулигин С.А., Пантшов В.П. Свкдельство на полезную модель. Заявка №94,023231/^0 (022059), ВНИИГПЭ, 1995 г.

Щ СПбГМТУ Зак. 561 Тир. .100