本發(fā)明屬于噪聲控制，具體涉及一種基于匹配追蹤的參量次級聲源空間優(yōu)化配置方法。

背景技術(shù)：

1、隨著聲納探測技術(shù)向低頻化發(fā)展，水下潛器在執(zhí)行任務(wù)中暴露風(fēng)險不斷加劇。水下潛器輻射噪聲線譜的噪聲源分布復(fù)雜、線譜幅度頻率不穩(wěn)定，實現(xiàn)水下潛器噪聲控制面臨重大挑戰(zhàn)。噪聲有源控制技術(shù)在聲傳播路徑上對水下結(jié)構(gòu)輻射噪聲進(jìn)行抵消，具有較好的低頻控制效果，因而受到極大的關(guān)注。但目前噪聲有源控制領(lǐng)域中的次級聲源布局仍缺少理論性指導(dǎo)，傳統(tǒng)均勻布局方法無法充分利用每個次級源，不僅增加了次級聲源冗余量，還增加了控制系統(tǒng)計算量。

2、受系統(tǒng)實現(xiàn)代價(運算能力、硬件復(fù)雜度等)的限制，有源噪聲控制應(yīng)用于實際工程中必須優(yōu)化次級聲源布局，這一問題已成為有源噪聲控制技術(shù)實用化的關(guān)鍵性問題(陳克安,胥健,王磊等.基于聲場分解和稀疏正則化的二維空間次級聲源布局優(yōu)化[j].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2019(4):697-703.)。誤差傳感器與次級聲源的布局合理性對有源噪聲控制系統(tǒng)的控制效果具有直接影響兩者之一空間位置布局確定時，若另一個布局空間位置不合理，則系統(tǒng)穩(wěn)定性將受到影響，導(dǎo)致噪聲控制效果明顯下降。此外，二者的布局?jǐn)?shù)量也會直接影響有源噪聲控制系統(tǒng)的復(fù)雜度和控制效果(李雙,陳克安.有源聲學(xué)結(jié)構(gòu)次級聲源的布放規(guī)律研究[j].機械科學(xué)與技術(shù),2016(11):1351-1357.)。布局?jǐn)?shù)量不足時，則可能導(dǎo)致噪聲控制區(qū)域控制效果不理想。反之，可能導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度過高，進(jìn)而導(dǎo)致實際應(yīng)用成本超標(biāo)、系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性失調(diào)、控制器實時性能降低等問題(陳克安.有源噪聲控制.第2版[m].國防工業(yè)出版社,2014.)。因此，在實際應(yīng)用中，次級聲源與誤差傳感器均需要合理布局，以提高系統(tǒng)的噪聲控制性能和穩(wěn)定性。

3、本發(fā)明針對水下圓柱殼結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)場輻射噪聲有源控制中次級聲源布局問題，采用具有強指向性的參量陣聲源作為次級聲源，結(jié)合匹配追蹤優(yōu)化算法對給定數(shù)量的參量次級聲源進(jìn)行空間優(yōu)化布局。針對水下結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)場輻射噪聲在全空間范圍內(nèi)進(jìn)行定向控制，提高了次級聲源利用率的同時降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，為水下結(jié)構(gòu)有源噪聲控制技術(shù)應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對采用參量陣聲源作為次級聲源控制水下結(jié)構(gòu)輻射噪聲領(lǐng)域中參量次級聲源空間布局問題，提出基于匹配追蹤的參量次級聲源空間優(yōu)化配置方法。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、(1.1)在噪聲控制區(qū)域均勻選取m個噪聲監(jiān)測位置，并從1至m進(jìn)行編號記錄，通過布放m個誤差傳感器拾取輻射噪聲聲場聲壓，按其編號組成m維輻射噪聲向量b。

4、次級聲源與誤差傳感器布局對噪聲存在相互耦合關(guān)系制約控制效果，對二者之一進(jìn)行優(yōu)化布局時需保證另一方為固定布局。為了給次級聲源提供優(yōu)化布局參數(shù)，將在噪聲控制區(qū)域內(nèi)均勻選取誤差傳感器布放位置，采用了斐波那契網(wǎng)格劃分法在遠(yuǎn)場球形包絡(luò)面上均勻劃分出了m個網(wǎng)格交匯點，以交匯點作為誤差傳感器布放位置能夠形成密集噪聲監(jiān)測包絡(luò)面，更好的衡量全空間噪聲控制效果。

5、

6、式中，xm、ym、zm表示遠(yuǎn)場球形包絡(luò)面上均勻劃分出的網(wǎng)格交匯點位置坐標(biāo)，即誤差監(jiān)測傳感器布放位置坐標(biāo)，m表示誤差監(jiān)測傳感器布放位置數(shù)量，m表示誤差監(jiān)測傳感器編號，r表示遠(yuǎn)場球形包絡(luò)面半徑，κ表示黃金分割率。

7、通過給定誤差監(jiān)測傳感器布放位置數(shù)量m和遠(yuǎn)場球形包絡(luò)面半徑r，采用斐波那契網(wǎng)格劃分法能夠在半徑為r的球形包絡(luò)面上足夠均勻的選取出m個誤差監(jiān)測傳感器布放位置。根據(jù)其對應(yīng)標(biāo)號m，依次排序后獲得m維向量，即輻射噪聲向量b。

8、

9、式中，bm表示球面空間上(xm,ym,zm)位置處編號為m的誤差監(jiān)測傳感器拾取的聲壓信息。

10、(1.2)在水下結(jié)構(gòu)表面以等間隔的形式均勻切密集的選取出nv個參量次級聲源待選布放位置，并保證全部待選位置處布放參量次級聲源后其準(zhǔn)直方向能夠在全立體角范圍內(nèi)呈均勻分布，同時從1至nv進(jìn)行編號記錄。以待選參量次級聲源位置及對應(yīng)的準(zhǔn)直方向和m個誤差監(jiān)測傳感器位置為基本參數(shù)，結(jié)合參量陣準(zhǔn)直束模型構(gòu)建出m行nv列的參量次級聲源待選聲傳遞矩陣h。

11、在水下圓柱殼結(jié)構(gòu)表面以軸向等間距、周向等弧度間隔的形式選取出nv個參量次級聲源待選布放位置，使其能夠均勻的覆蓋在水下結(jié)構(gòu)表面，盡量使待選布放位置處的參量次級聲源準(zhǔn)直方向在全立體角內(nèi)均勻分布。

12、通過波動方程推導(dǎo)，獲得單個參量次級聲源差頻聲場解析表達(dá)式如下式所示：

13、

14、式中，pd表示參量次級聲源差頻聲場中任意觀測點位置處的復(fù)聲壓值，r為觀測點位置距參量次級聲源等效聲中心的距離，θ表示測點位置處偏離準(zhǔn)直方向偏角，β為介質(zhì)非線性系數(shù)，wd與kd分別為參量差頻聲波頻率和波數(shù)，s為參量次級聲源輻射截面面積，ρ為水介質(zhì)密度，c0為水介質(zhì)中聲速，dw(θ)與darg(θ)分別為參量次級聲源差頻聲場幅度指向性和相位指向性，其具體如下所示：

15、

16、式中，表示參量陣泵波初始相位差，φ可表示為：

17、

18、式中，αs表示參量陣泵波衰減系數(shù)之和。

19、對于水下結(jié)構(gòu)表面任意位置處布放的參量次級聲源，其在噪聲控制區(qū)域內(nèi)m個誤差傳感器位置處的聲壓貢獻(xiàn)可通過坐標(biāo)平移變換進(jìn)行表示。以水下結(jié)構(gòu)中心和參量次級聲源布放位置分別建立坐標(biāo)系，則對于編號為v的參量次級聲源帶布放位置出布放的參量陣，其在噪聲控制區(qū)域內(nèi)編號為m的誤差傳感器位置處的聲壓貢獻(xiàn)可表示為：

20、

21、

22、式中，rvm和θvm分別表示第m個噪聲監(jiān)測位置距第v個參量次級聲源待選位置的距離及偏離準(zhǔn)直方向的空間夾角，tm、pv分別表示第v個參量次級聲源待選位置和第m個噪聲監(jiān)測位置，h表示tm到第v個參量次級聲源準(zhǔn)直方向的垂直距離，為參量次級聲源準(zhǔn)直方向向量，xt、yt、zt與xt、yt、zt分別表示tv和pm位置坐標(biāo)。

23、根據(jù)參量次級聲源輻射差頻聲場解析表達(dá)式，結(jié)合上述參數(shù)可計算獲得任意位置處布放的參量次級聲源對m個誤差監(jiān)測傳感器位置出的聲壓貢獻(xiàn)。

24、

25、將參量次級聲源差頻解析式的極坐標(biāo)參數(shù)改寫為三維直角坐標(biāo)參數(shù)，具體為：

26、

27、式中，與分別表示pv位置和tm位置在以結(jié)構(gòu)中心為原點的坐標(biāo)系下的位置向量。因此，在tm位置和參量陣準(zhǔn)直方向確定的條件下，rvm和θvm均僅為pv的函數(shù)。所以，對于結(jié)構(gòu)表面任意位置處、沿任意準(zhǔn)直方向布放的參量次級聲源對tm位置處的復(fù)聲壓貢獻(xiàn)可通過下式表示：

28、

29、式中，pd_vm表示第v個待選位置的參量次級聲源對第m個噪聲監(jiān)測位置處的聲壓貢獻(xiàn)，即參量次級聲源次級聲傳遞函數(shù)，k為受介質(zhì)、聲波頻率等參數(shù)影響的常數(shù)。

30、

31、式中，β為介質(zhì)非線性系數(shù)，wd為參量次級聲源差頻聲波頻率，s為參量次級聲源輻射截面面積，ρ為水介質(zhì)密度，c0為水介質(zhì)中聲速。

32、不妨設(shè)有n個參量次級聲源需要優(yōu)化布局，采用加權(quán)系數(shù)調(diào)控后協(xié)同工作時，其對噪聲控制區(qū)域內(nèi)m個噪聲監(jiān)測位置處的次級聲傳遞函數(shù)可通過矩陣形式表示：

33、

34、式中，c為n個參量次級聲源協(xié)同工作在m個噪聲監(jiān)測位置處聲壓貢獻(xiàn)的次級聲傳遞矩陣，pmn表示第n個參量次級聲源在第m個噪聲監(jiān)測位置處聲壓貢獻(xiàn)的次級聲傳遞函數(shù)，sn表示第n個參量次級聲源的加權(quán)調(diào)控系數(shù)。

35、同理，在參量次級聲源待布放區(qū)均勻且密集地選出nv>>n個待選取布放位置，并從1至nv進(jìn)行編號，通過nv個待選取布放位置和m個誤差監(jiān)測傳感器布放位置信息，結(jié)合參量陣單個參量次級聲源輻射差頻聲場解析表達(dá)式和坐標(biāo)平移變換關(guān)系建立待選聲傳遞矩陣h：

36、h＝[h1,h2,k,hnv]m×nv

37、式中，hi為m維向量，表示第i個待選取布放位置處布放的參量次級聲源對m個誤差監(jiān)測傳感器位置處聲壓貢獻(xiàn)的傳遞函數(shù)。

38、(1.3)通過輻射噪聲b的共軛向量b*與參量次級聲源次級聲傳遞矩陣h匹配選定單個參量次級聲源布局參數(shù)信息，并計算其噪聲控制效果，將殘余噪聲作為新的輻射噪聲結(jié)合迭代計算方法逐次匹配出其余參量次級聲源布局參數(shù)信息。

39、將h中的每一列分別與輻射噪聲共軛向量b*做內(nèi)積計算并取模值，最大值所對應(yīng)h中的列選為聲傳遞函數(shù)并記為hmax，其對應(yīng)的參量次級聲源待選布放位置和對應(yīng)的準(zhǔn)直方向作為參量次級聲源實際布放位置和聲傳遞函數(shù)。通過hmax與b*向量關(guān)系計算，獲得hmax作為參量次級聲源聲傳遞函數(shù)時，b*在hmax方向上與次級聲壓疊加后模值最小的加權(quán)系數(shù)，將其作為該參量次級聲源發(fā)射權(quán)系數(shù)sn。

40、采用匹配追蹤優(yōu)化方法，將待選聲傳遞矩陣h中的所有列與輻射噪聲向量b*進(jìn)行內(nèi)積計算逐次匹配，逐次匹配出最佳傳遞函數(shù)hi及其對應(yīng)的待選布放位置，向量內(nèi)積計算公式如下所示：

41、<a,b>＝|a|·|b|·cosα

42、式中，a、b分別為同維度向量，α為二者夾角，|·|表示向量取模值，<·,·>表示向量內(nèi)積計算。根據(jù)向量內(nèi)積公式可知，兩向量內(nèi)積模值越大，代表兩向量在長度和方向上更匹配，當(dāng)兩向量重合時最相似內(nèi)積值為模長乘積。反之，兩向量垂直時內(nèi)積值為0，此時通過向量a無法模擬出向量b。通過匹配計算獲得與b*向量最匹配的待選聲傳遞矩陣h中的列向量hi，并記為通過乘以相應(yīng)加權(quán)調(diào)控系數(shù)即可表示處b*向量在方向上的分量，因此，可通過與sn相乘抵消輻射噪聲向量在方向上的分量。對于第n個參量次級聲源匹配規(guī)則如下式所示：

43、

44、式中，表示與b*內(nèi)積計算后模值最大所對應(yīng)的h中的列向量，內(nèi)積模值最大時所對應(yīng)的hi。此時，hi所對應(yīng)的第i個參量次級聲源待選位置為最佳布放位置。

45、當(dāng)參量次級聲源布放信息確定后，根據(jù)向量空間投影法則能夠獲得最佳調(diào)控權(quán)系數(shù)發(fā)射聲壓權(quán)系數(shù)sn。

46、

47、式中，θn表示b*與兩向量夾角，表示使括號中表達(dá)式計算后獲得最大值的矩陣u中的列u。

48、經(jīng)上述計算獲得第n個參量次級聲源優(yōu)化布局信息及控制參數(shù)，將其形成的次級聲場與輻射噪聲疊加得到該參量次級聲源控制后的殘余噪聲聲場。通過m個誤差監(jiān)測傳感器獲得殘余噪聲向量，將其作為新的輻射噪聲向量b，具體如下式所示：

49、

50、式中，bn表示第n個參量次級聲源加權(quán)控制前的殘余噪聲向量，bn+1表示第n個參量次級聲源加權(quán)控制后的殘余噪聲向量。n＝0時，b0＝b1＝b表示未進(jìn)行優(yōu)化。

51、采用迭代計算方法，n從1逐次遍歷至n，根據(jù)匹配追蹤優(yōu)化方法，從nv個待選取布放位置選出n個最佳位置作為n個參量次級聲源布放位置，并采用與其一一對應(yīng)的n個準(zhǔn)直方向作為各自準(zhǔn)直方向，并計算出各自發(fā)射權(quán)系數(shù)。將按編號n組成的m行n列矩陣作為次級聲傳遞矩陣c，將sn按編號n的組成的n維向量作為參量次級聲源的發(fā)射權(quán)系數(shù)s。經(jīng)n次迭代匹配后，輻射噪聲向量b更新為bn+1，bn+1中每個元素按其編號順序即表示n個參量次級聲源經(jīng)加權(quán)調(diào)控后協(xié)同控制時，球形包絡(luò)面控制區(qū)域內(nèi)m個誤差監(jiān)測傳感器位置處的參與噪聲聲壓。

52、針對參量次級聲源空間優(yōu)化布局噪聲控制效果，采用以殘余噪聲平方和為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化布局后jmp為：

53、

54、式中，jmp為控制后殘余噪聲平方和。通過定義冗余度函數(shù)，在相同全空間噪聲控制效果的條件下，給出傳統(tǒng)均勻布局的參量次級聲源冗余度，冗余度函數(shù)如下式所示。

55、

56、式中，η為參量次級聲源冗余度，nun與nopt分別表示取得相同控制效果的前提下，均勻布局和優(yōu)化布局各自所需的參量次級聲源數(shù)量。