基于信息相似性的振动噪声源主要传递路径应用研究

2015-12-20余桐奎江向东

舰船科学技术 2015年9期

余桐奎，江向东

(1.哈尔滨工程大学，黑龙江哈尔滨150001;2.大连测控技术研究所，辽宁大连116013;3.系统工程部，北京100036)

0 引言

舰船是一个复杂的噪声源分布体，主要存在三大类噪声:机械噪声、螺旋桨噪声及水动力噪声。在低航速状态下，舰船的总体噪声主要来源于机械噪声，而机械噪声主要来源于舰船内部的主、辅机和轴系。机械设备产生水下噪声的途径是多种多样的，其机械设备的振动通过弹性安装、基座等支撑结构和管道、电缆等非支撑结构传递到船体上，从而引起结构振动并向周围水介质中辐射噪声。因而，船体结构不仅是振动能量的载体，也是振动能量和声能量传递的主要通道。

由于舰船机械噪声源众多，传递通道的千差万别，且各通道之间存在相互耦合作用，致使机械噪声源振动主要传递路径识别的难度增大。因此，采用不同信息处理方法综合分析振动噪声源的主要传递路径很有必要，但是各方法间的综合集成思路是难点。本文基于多种分析方法，建立了基于信号频域相似性的信息处理方法，实现了实船机械噪声源主要传递路径的判断。

1 理论分析

信息相似性是指利用信号间频域或时域上的相似程度来判断相互之间的权重。具体来说，就是利用相干函数/偏相干函数(条件谱)等信息处理方法对某些信号在特定频段上对总体噪声的贡献大小进行判断分析。

噪声与振动信息在频域上的相似程度可以用相干函数表达，相干函数的表达式为:

当输入测点信息之间相互独立时，分析系统可用单输入单输出模型来近似描述，由式(1)进行相干计算可得到各输入测点信息与输出测点信息在某些频段上的信息相似程度。

为避免分析系统中重要的输入信息被遗漏，在信息源进行深入分析前要检测系统的完备性，尤其对于非独立信号源，如果在进行偏相干分析前不对其因果关系进行判断，可能导致错误的结论。进行输入信息完备性分析，须引入重相干函数。

对于独立信号源，重相干函数的表达式为:

对于非独立信号源，重相干函数的表达式为:

式中下标. (i－1)!表示xi，y 去掉输入信号x1，x2，…，xi－1的线性影响后xi和y 之间的关系，i = 1，2，…，q。

通过相干函数分析可以部分排除与输出信息相干性较小的输入信息。而确定相干系数接近的各测点信息对输出的影响，则需排除各个测点信息间的相互影响，须引入偏相干分析方法，偏相干函数的表达式为:

由于相干、重相干、偏相干分析等方法在振动噪声源分析领域应用已经相对比较广泛，但是在传递路径识别方面应用尚少，因此，本文主要从试验及工程应用的角度，对基于多相干分析的信息相似性方法在振动噪声源主要传递路径识别上的可行性进行系统研究，并对实船海上航行数据进行分析处理。

2 试验研究

2.1 试验实施情况

以某双体船作为试验平台，选择其双体水下部分背景相对安静的泵舱，安装耦合声源数量已知、传递路径清晰、耦合作用明确的激励源，同步获取激励源振动和水下声辐射信息，分析噪声源的主要传递路径，并与设定试验工况进行对比分析。

试验设备有3 台，分别为2 台同型变频电机和1 台砂轮机，其中变频电机工作频带20 ～58 Hz，砂轮机工作频率为50 Hz，试验设备如图1 所示。

图1 试验设备Fig.1 Test equipment

图2 试验设备安装方式及传递路径设置示意图Fig.2 The sketch map of fixing mode and setting transfer path of the test equipment

图2 给出了砂轮机、1#变频电机及2#变频电机的安装方式及空间位置，由图可见1#变频电机和2#变频电基座在同一筏架上，筏架通过3 条弹性支撑和1 条刚性支撑与壳体相连，其中右下支撑为刚性支撑;1#变频电机的右下通过刚性支撑与筏架相连，从而形成“三弹一刚”四条振动传递通道;2#变频电机的安装方式与1#变频电机相比，不同之处在于刚性通道的设置为左上机脚，其他3 路为弹性支撑。

下面以砂轮机(50Hz)、1#变频电机(30Hz)和2#变频电机(30Hz)同时开启工况为例，依据信息相似性理论，分析振动噪声源主要传递路径。

2.2 数据分析情况

图3 为水下辐射噪声功率谱图。由图可见，存在30 Hz，50 Hz，100 Hz 等强线谱，经分析可知，频谱构成主要体现为30 Hz 和50 Hz 特征线谱及其系列倍频，因此主要以30 Hz 特征线谱作为研究对象，进行主要传递路径分析。

图3 水下辐射噪声功率谱图Fig.3 Spectrum of underwater radiated noise

依据图2 给出的设备位置及布放方式，分别从“辐射—壳体”、 “壳体—筏架”及“筏架—基座”3 个层次来逐层进行分析振动噪声源主要传递路径的识别。

1)辐射—壳体主要传递路径分析

试验中沿船对应水井一侧的壳体共布置7 个振动测点，如图2 所示，从左至右依次表示为K1 ～K7，图4 给出了壳体上各振动测点与辐射声场的相干分析情况，可见相干系数均较大，需进一步采用偏相干分析方法，分析壳体测点与辐射声场的信息相似情况。

图4 壳体上各振动测点与辐射声场的相干分析情况Fig.4 Coherence function chart between body vibration signals and underwater radiated signal

图5 为壳体上各振动测点与水下辐射噪声的重相干函数图。由图可见，30 Hz 特征频谱的重相干系数为0.998 1，说明选取的壳体振动信息完备。

图5 壳体上各振动测点与辐射声场的重相干函数图Fig.5 Multiple coherence function chart between body vibration signal and underwater radiated signal

通过对壳体振动测点与辐射声进行偏相干分析，判别壳体振动至水声场的主要传递途径。利用偏相干分析所给出的相对独立贡献，对比发现存在1 个较大值，表明30 Hz 特征频谱主要通过变频机所在筏架对应的壳体向辐射声场传递。

图6 壳体振动测点与辐射声场的偏相干分析Fig.6 Partial coherence value between body vibration signals and underwater radiated signal

2)壳体—筏架主要传递路径分析

在上述分析的基础上，以变频机所在筏架对应壳体振动测点作为参考点，分析壳体与筏架测点的相干分析情况(图7);由图可见，相干系数均较大，需进一步采用偏相干分析方法，分析筏架测点与壳体振动测点的信息相似情况。

图7 壳体与筏架测点的相干分析情况Fig.7 Coherence function chart between body vibration signal and shelf vibration signals

在偏相干分析之前，对筏架测点与壳体测点进行重相干分析，30 Hz 特征频谱的重相干系数为0.99，表明选择的测点信息完备。再进一步通过对筏架上各振动测点与壳体进行偏相干分析，判别壳体振动至水声场的主要传递途径。利用偏相干分析所给出的相对独立贡献，如图7 所示，对比发现存在1 个较大值，表明30 Hz 特征频谱主要通过筏架的刚性支撑传递至壳体。

图8 壳体与筏架的偏相干分析情况Fig.8 Partial coherence value body vibration signal and shelf vibration signals

3)筏架—基座主要传递路径分析

在上述分析的基础上，以筏架刚性支撑的振动测点作为参考点，分析筏架与基座的相干分析情况。由于基座—筏架振动测点信息相似度非常高，因此，这里给出30 Hz 特征频谱的相干系数(见图9)。由图可见，相干系数值均非常大，需进一步采用偏相干分析方法，分析筏架测点与2 台变频机基座振动测点的信息相似情况。

图9 筏架与变频机基座的相干分析情况Fig.9 Coherence function value between shelf vibration signal and electromotor vibration signals

经重相干分析表明变频电机基座与筏架测点的信息完备之后，再通过对1#、2#变频电机基座振动测点与筏架振动测点的偏相干分析，判别2 台变频电机振动至壳体的主要传递途径。利用偏相干分析所给出的相对独立贡献，对比发现存在2 个较大值，分别为1#变频电机右下基座和2#变频电机左上基座，说明30 Hz 特征频谱主要由1#变频电机通过刚性支撑传递至筏架刚性支撑;其次是2#变频电机通过刚性支撑传递至筏架刚性支撑。

图10 筏架与变频机基座的偏相干分析情况Fig.10 Partial coherence function value between shelf vibration signal and electromotor vibration signals

综上所述，从信息相似性的角度来看，30 Hz特征频谱是由1#和2#变频电机共同作用产生的，这种振动主要通过1#变频电机刚性支撑及2#变频电机的刚性支撑传递至筏架，再通过筏架下方刚性支撑传递至壳体，从而将激励壳体振动形成水声场中的强辐射声，与试验设置的刚性传递通道相符合，从而说明了分析结果的合理性。

图11 主要传递路径识别结果(30 Hz)Fig.11 The identification result of main transfer path (30 Hz)

3 实船应用研究

依托某双体船作为试验研究对象，开展海上锚泊状态下组合单机试验，试验开启设备以左舷为主，主要包括1#柴油发电机、空压机、2#主海水冷却泵和空调海水冷却泵，具体分布位置示意图如图12 所示。

图12 试验船单机设备位置示意图Fig.12 The sketch map of the equipment on test ship

由于各开启设备均为独立安装方式，通过机脚—基座单层隔振链接于船舱底部壳体，而且基座—壳体为刚性连接，因此，依据振动至声的传递过程，可将分析过程分解为“辐射—壳体”、 “壳体—机脚”2 个层次。

图13 水下辐射噪声频谱图Fig.13 Spectrum of underwater radiated noise

图13 为该组合工况水下辐射噪声频谱图。针对辐射噪声中存在的0.2 Hz (归一化频率值)强特征线谱，利用建立的信息相似性方法分别从“辐射—壳体”、“壳体—机脚”2 个层次分别进行振动主要传递路径判别，具体分析过程如下。

1)辐射—壳体主要传递路径分析

图14 给出了各设备对应壳体振动测点与水下辐射声的相干分析情况。由图可看出，对于0.2 Hz 特征频谱，空压机、2#主海水泵和空调海水泵与辐射声的相干系数均超过0.9，1#柴发与辐射声的相干系数相对较小(0.73)，因此，选择相干系数较大的壳体测点，进一步采用偏相干方法分析壳体测点与辐射声的相似情况。

图14 壳体与辐射声场的相干分析情况Fig.14 Coherence function chart between body vibration signals and underwater radiated signal

在进行偏相干分析之前，对这些选择的测点进行重相干分析。分析图15 可知，0.2 Hz 特征频谱的重相干系数为0.99，说明选取的壳体振动信息完备。

图15 壳体上各振动测点与辐射声场的重相干函数图Fig.15 Multiple coherence function chart between body vibration signal and underwater radiated signal

图16 给出了双体船右舷下层壳体测点与水下辐射声的偏相干分析结果。由图可看出，在特征频谱0.2 Hz 处，2#海水泵对应壳体测点与辐射声的偏相干系数为0.6806，而空调海水泵为0.528，空压机为0.045，说明设备振动产生的0.2 Hz 特征频谱能量主要经2#主海水泵附近壳体向水中辐射，空调海水泵附近壳体次之。

2)壳体—机脚的主要传递路径分析

图16 壳体与辐射声的偏相干分析情况Fig.16 Partial coherence function chart between body vibration signals and underwater radiated signal

依据上述分析结果，以2#主海水泵附近壳体作为评价点，分析其与各设备机脚振动的信息相似程度，如图17 所示。由图可以看出，在0.2 Hz 特征频谱处，2#主海水泵、空调海水泵和空压机机脚振动与2#主海水泵附近壳体的相干系数均大于0.8，而柴油发电机与壳体的相干系数非常小，说明该船壳体振动存在的0.2 Hz 特征频谱可能来源于2#主海水泵、空调海水泵和空压机，因此，下面采用偏相干理论进一步分析这3 台设备机脚振动与壳体的信息相似情况。