基于人耳听觉模型的船舶辐射噪声相似度分析

田 文,戴跃伟,王 彪

(江苏科技大学 电子信息学院，镇江 212003)

船舶辐射噪声作为水声对抗研究主要对象,广泛应用于通信、声诱饵等领域．在水声对抗技术中,船舶辐射噪声特征重构模拟技术是声诱饵的关键技术．船舶辐射噪声模拟主要研究和分析船舶的声学特征,并能够高逼真地将这些特征模拟出来,用于对付各种声学系统的测评以及诱骗鱼雷和声呐．船舶辐射噪声重构技术的好坏对于声诱饵的性能具有很大的影响．因而,船舶辐射噪声的相似度分析,成了一个不容忽视且亟需解决的问题．

船舶辐射噪声[1-3]主要由机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声3部分组成，其中机械噪声和螺旋桨噪声是辐射噪声最主要的两个成分,其影响大小取决于船舶的航速、长度、排水量以及噪声的频率．当船舶高航速行驶时,螺旋桨极易发生空化,螺旋桨一旦发生空化[4],螺旋桨噪声就成为辐射噪声的主要噪声源,螺旋桨噪声表现在频谱上就是高耸的线谱．当船舶低航速行驶时,机械噪声往往就上升为主要噪声源,机械噪声在频谱上表现为宽带连续谱，因此船舶辐射噪声在频谱上由宽带连续谱和一系列线谱组成[5]．由于船舶辐射噪声频谱有一定的规律,所以各种基于频谱的建模重构方法也应运而生．文献[6]对船舶辐射噪声进行了双谱分析处理,能有效地提取出舰船噪声的连续谱和线谱特征并进行重构．除此以外,文献[7]利用经典的ROSS经验模型,在分别重构线谱和连续谱并最终在时域合成出船舶辐射噪声．

以上重构方法可以看出当前研究主要集中于频谱上的线谱和连续谱,因此相似度分析研究也将频谱相似度作为研究热点．频谱上的分析方法主要有：① 利用梅尔倒谱系数对噪声进行分析,其本质是通过选定功率谱中各频带能量大小作为目标特征进行噪声识别;② 利用高阶统计量对噪声进行分析,其本质是利用高阶统计量对于背景噪声的抑制,提高特征提取的鲁棒性并根据特征进行识别．然而,船舶噪声识别仅能判断两个样本是否为同一个目标,并不能判断两者相似度大小,因此需要借助经验人员用听觉进行进一步分辨,这种方式存在效率低的问题．因此,如何建立一套可量化的人耳听觉特征分析方法成为研究者关心的问题．文中结合人耳听觉与频率方面的对应关系建立一种基于人耳听觉模型的重构分析方法．

1 自适应FIR滤波器船舶辐射噪声生成

为了验证分析方法的有效性,采用目前最为可靠的模拟生成方法——自适应FIR滤波器法[8]．文中利用自适应FIR滤波器技术构造一个具有与期望船舶辐射噪声频率响应相似的FIR滤波器[9],通过激励高斯白噪声得到与所期望的船舶辐射噪声(图1)．理论分析表明,通过采用自适应方法,使得FIR滤波器的幅频响应更加拟合的设计指标,从而避免数值方法的稳定性问题,具有更高的灵活性[7]．

图1 船舶辐射噪声生成原理Fig.1 Theory in ship radiated noise

该滤波器选择的具体算法是:首先根据期望的幅频响应进行插值,然后进行傅立叶反变换得到理想滤波器的单位脉冲响应,最后利用窗函数对理想滤波器的单位脉冲响应进行截短处理,由此得到数字滤波器的系数．其中幅频响应的自适应算法可采用任何一种适用于横向结构的自适应迭代算法，当自适应收敛的时候就可以得到指定的幅频响应．

幅频响应是通过声源级函数得到的,采用的声源级函数为:

S(t)=SLf+Si(t)

(1)

式(1)是根据最常使用的,Wales改进后的ROSS统计函数,S(t)为声源级大小,SLf为连续谱函数,Si(t)为线谱函数．

船舶辐射噪声的频谱是由线谱和连续谱组成的,因此重构船舶辐射噪声需要将其分开进行重构再最终合成．

其中连续谱函数的形式为:

(2)

式中：SLs为100 Hz以上的总声源级[11],f0为峰值频率．其中总声源级的函数式为:

SLS=60lgv+9lgT-20lgf+20lgD+35

(3)

式中：V为船速(节),T为排水量(t),f为频率(kHz),距离为D(码)．式(1)中线谱Si(t)的函数表达式为:

(4)

式中：k为线谱数；Ak，fk，φk分别为第k条线谱对应的幅度,频率和相位．

2 基于人耳听觉模型的船舶辐射噪声重构分析方法

从对抗角度来讲,船舶辐射噪声模拟生成的逼真效果是衡量水声对抗各种武器性能好坏最为关键的风向标．其中人的听觉特性对模拟生成的船舶辐射噪声相似度高低的判断在实际应用中最为广泛(例如声纳兵),然而主观的感受很难作为一个判断的具体标准,因此还需要进行一些可以量化判断的手段，因此，文中利用人耳听觉对频率的灵敏度来进行区分．

2.1 人耳听觉模型

人类听觉系统可以分为外围系统和中心系统．外围听觉系统由外耳、中耳、内耳以及与大脑相连接的耳蜗神经束组成．人耳听觉感知系统是内耳的临界频带分析,原因是当音频声波段耦合到内耳后,会沿着耳蜗基底膜产生一系列频率-位置的变换,完成对音频信号的时-频分析．在耳蜗基底膜上功率谱不再以线性频率尺度，而是以称为临界频带的有限频段来表达．因此参考耳蜗的构成可以将耳朵描述为一个带通滤波器组,由一系列高度重叠的带宽从0～5 000 Hz的带通滤波器组成．人对声音的主观感受主要由响度、音调、音色等特征来描述,其中音调为人耳感受音调的高低就是频率的影响,响度为人耳感受声音大小的强弱也就是能量的大小．

从这一角度出发,将船舶辐射噪声信号看成是多个频带上的能量的组合,通过对试验数据的子带分析,可以得到每个频带上的平均能量谱系数．将n个分析子带上的能量谱系数分别为(p1,p2,…,pn),人耳在这些子带的感知敏感度水平分别为(w1,w2，…,wn),则可以形成加权特征矢量P=(w1p1,w2p2,…,wnpn)．其中人耳在这些子带的感知敏感度水平可以参考文献[10]．除了能量定量以外,正常的人耳可以听到的频率范围是20～20 000 Hz,由于人耳对不同频段的灵敏度不近相同,为了将人耳对于音调进行定量,参考文献[10]得出灵敏度的大小．例如200 Hz以下是低频段,人耳对其灵敏度极低定为30左右,4 000 Hz以上是中频上段,在这一块距离的影响会造成人耳听觉感受很强烈定为100,因此灵敏度的区间从0～100,越大说明灵敏度越高．结合文献[10],得出量化分析结果如表1．

表1 人耳对不同频段的听觉灵敏度Table 1 Ear hearing sensitivity for different frequencies

2.2 基于人耳特性的分析模型

基于人耳特性的分析建模方法及相似度阈值定量步骤为：

(1) 逐个将实测采集船舶辐射噪声样本计算加权特征矢量Xi=P;

(2) 将实测采集的全部同类船舶辐射噪声样本互相计算Minkowski距离[12]后取平均值S;

(3) 计算出全部实测采集的船舶辐射噪声中Minkowski距离最大的Smax作为相似度比较的阈值基准采用相似度公式计算出相似度Q．

其中Minkowski距离为：

(5)

式中：n为分析子带的个数.从式中，当p取2的时候dist对应的是欧氏距离(Euclideandistance)[13]．

将所有的实测样本的欧氏距离S1带入此公式就得到其相似度．其中S1=S时得到的相似度Q是同类船相似度的基准．

(6)

3 仿真结果分析

3.1 仿真生成

根据文中滤波器建模方法,建模FIR滤波器[14]的阶数选择为2 000阶,以A型船举例,它的船体参数为实际速度9.2节,叶片数4,转速175转,距离28链．原始噪声的采样频率为44 100 Hz,噪声采集是在海上通过专业定向记录设备进行记录的．图2为文中实测的渔船船舶辐射噪声时域图．

图2 实测船舶辐射噪声时域图Fig.2 Actual ship radiated noise time domain plot

为了能方便看出原始实测船舶辐射噪声和仿真后的船舶辐射噪声的相似度差异,重点观察100～5 000 Hz频段(图3),因为线谱和宽带连续谱主要集中于此频段．

图3 实测和仿真船舶辐射噪声的频谱图Fig.3 Actual and simulated ship radiated noise domain plots

由图3可以看出线谱在频段上主要集中于100～1 800 Hz,超过1 800 Hz的部分几乎没有高能量的线谱．从实录的原始船舶辐射噪声谱图中可以看到连续谱和线谱的叠加效果．实际上频谱里的一些线谱在不同海况下并不固定在一个频率上,其漂移相位相差较大．因此需要一个更加科学的判断机制来评估原始船舶辐射噪声和仿真后的船舶辐射噪声是否相似(或者证明是否为同一条船)．

3.2 结果分析

为了有效分析重构的船舶辐射噪声与原始船舶辐射噪声的相似度,将100～5 000 Hz的频率范围内分成10个子带(由图3可见此频段集中了船舶辐射噪声的几乎全部能量,大于5 000 Hz以后的部分所含能量很少),频谱图中每个子带的面积为其能量谱系数．基于人耳听觉模型的能量谱特征分析方法,将该仿真结果与两个聚类中心进行对比,其一是不同船的辐射噪声信号之间的比较,另一个是原始的船舶辐射噪声信号与重构后的船舶辐射噪声信号之间的比较．实验中A1船为渔船,A2船为货船,A3船为油轮．A1船的参数同上文;A2船为5叶浆,转速98转,距离30链,吃水9.7 m;A3船距离29链,速度13节．评估体系需要有一个判断标准[15],为了给分析结果设定一个基准,将同类船型不同个体的欧氏距离做个比较,如表2．

表2 渔船船舶辐射噪声信号的欧氏距离大小Table 2 Euclidean distance between similar ship radiated noise

由上表可知,3艘同类船之间的欧氏距离分别为136.596,148.909和129.727,由此可以发现同类船的欧式距离十分接近,说明同类船从理论上欧氏距离差别不大，同时证明文中方法具有一定的可靠性．为了以进一步验证此分析方法的可靠性,取此同类A1的平均欧氏距离为S=138.41,同时将全部实验样本数据中计算得出的最大欧氏距离定为Smax．由此计算S/Smax=0.105定为分析判断相似度的基准,其相似度Q经过计算为89.5%．其余实验样本的相似度也可参照此公式得出．根据Q的定义,相似度Q从0～100%．其中Q低于89.5%表示相似度低,Q高于89.5%表示相似度高．数值越大相似度越高,数值越小相似度越低．

根据相似度计算方法,计算不同类型船之间的相似度大小,其结果如下表3.

表3 不同船舶辐射噪声信号的相似度比较Table 3 Comparison about similaritybetween different ship noise %

由表3，A1船和B船的相似度Q为21.55%,A2船和A3船的相似度Q为45.38%,A1船和A3船的相似度为37.79%,可以发现不同种类的船利用文中算法计算得出相似度很低,这与理论预期的一致，证明文中分析相似度方法的可靠性．将重构后的船舶辐射噪声与原始船舶辐射噪声进行比较,试验判断其相似度的高低．结果如表4.

表4 仿真船舶噪声信号与原始信号的仿真度比较Table 4 Similarity between simulation and original noise

从表中可以发现A1船和仿真A1船的相似度为94.59%,A2船和仿真A2船的相似度为93.62%,A3船和仿真A3船的相似度为95.05%,均大于89.5%,说明重构的噪声信号与原始的噪声信号差别不大，说明成熟的船舶辐射噪声重构方法得到的重构信号与原始采集信号相似．由于船在航行中周围环境复杂,所以相似度大小被认为是仿真度高低的表现．该重构方法不但可以判断两条船相似度高低,也可以为根据辐射噪声判断船型提供指导．

4 结论

文中基于经典的时频域重构船舶辐射噪声法重构出船舶辐射噪声，并提出一种新型基于人耳听觉模型的相似度分析方法对海上实测船舶辐射噪声和重构噪声进行了相似度分析,结论如下:

(1) 分析结果表明所提出的分析方法可以有效的分析相似度的高低．

(2) 基于人耳听觉的模型的相似度分析方法可以为后面判断船型提供了帮助．

未来将主要研究人耳对于频率灵敏度的精确区别及其人耳对于其他声音特征,例如音色、响度等的区别．