码头系泊舰艇机械噪声源测试分析方法研究

许刚

（上海船舶电子设备研究所，上海 201108）

我们都知道，这艘船的体积很大。内部安装有各种各样、数量众多的机械设备。各机械设备的振动特性不同且相互耦合，振动信号频谱信息非常丰富。在低速隐蔽状态下，船舶的主要噪声源是机械噪声。船舶机械噪音就是指由于船舶机械设备打开后,机械设备的振动被传递至船舶壳体并将其辐射至水声场而产生的水下辐射噪音。船舶内部的机械设备至船体的振动传输路径主要有两种:通过沿船舶支撑式机械设备底座传输的振动,通过船舶浮筏隔振器等元件或其他与机械设备相互连接的船舶支座传输的振动,等;同时,船舶外部的声场、两侧的声场和船体振动之间也会存在较强的耦合;艇体的振动及其传递的路径和方式,以及其受到的影响有着错综复杂的。以上几种原因造成了各种机械器具之间的振动耦合不均匀、振动传输特性繁琐。基于声学角度考虑,舰艇是一个复杂的振动和噪音源分布物,这就为舰艇的机械声源做出了定量分离提供了很大的困难。所以，通过对不同方法的振动噪声源分析结果进行综合集成，从而实现对舰艇机械噪声源的准确识别是很有必要的。

一、基于偏相干分析的层次诊断方法

（一）层次分析法

层次性分析法(ahp)是一种由运动物理学领域的著名学者、thomas l.saaty 在20 世纪70 年代中期首先提出的一种多准则复杂体系的科学决策分析方法。这样的方法在我们面前有着坚实的数学理论依据和广泛应用领域。层次性因子分析法将较难且复杂的决策问题进行逐步排序分析,得到各个问题的构成和要素,根据各个决策要素之间的互相支配关系得到清晰的层次性结构,然后对本层次的各个决策要素受上一层次的某一个决策要素的支配,并在1-9 的尺度上建立判断矩阵,适当地结合各个层次的排序结果,可以直接得到各个决策要素的设计思路在特确定决策对目标下工作的重要性。层次分析法也可以在定性判断的基础上完成定量分析，用具体的数值表示每个决策方案相对于决策目标的重要性。它是复杂问题科学决策的有效方法。在分离和量化复杂振动噪声源时，需要处理大量具有复杂相关性的振动噪声诊断相关因素，如多种信号频域特征提取方法、丰富的特征线谱信息或特征频带信息，并有多个振动和噪声源。

1.适用性：层次分析法的数学理论基础虽然比较简单却又不失其严谨性和系统性，采用层次分析法解决具体问题时决策者并不需要掌握高深的数学理论知识，仅要求决策者在对各个决策方案进行两两比较的过程中，能够给出可以表示各个方案之间相对重要性的判断矩阵即可；

2.系统性：在采用层次分析法分析问题的过程中，是从系统的角度来看待决策问题，考虑的是系统各个组成要素之间的两两相互关系，这种处理方式是分析复杂问题时非常行之有效的思维决策方式；

3.工程实用性：与其他决策方法不同的是，层次分析法采用的缩放算法与层次结构相结合的处理方法可以根据分析的具体问题灵活调整，在复杂问题的决策过程中，可以把定性判断与定量分析相结合起来，其得出的结果也令人满意，因此层次分析法是水下复杂结构振动噪声源分离与量化过程中较为合适的综合集成方法。

采用层次分析法解决具体问题可被分为四个步骤进行：

①明确所需解决的问题，对系统进行分解得到其各组成要素，并对各组成要素之间的相互支配关系进行分析，建立起可以对具体问题进行充分描述的递阶层次结构；

②在以上一层次中某个元素作为准则的情况下，对本层次中受其支配的各元素之间的相对重要性进行两两对比分析，再利用适用于所解决问题的标度算法对其重要性程度进行量化取值，并完成判断矩阵的构造；

③对判断矩阵进行特征分解，从而得到在该准则下的各元素相对权重向量，并对单准则下的判断矩阵相同性进行检验；

④计算各层元素相对于决策目标的组合权重，从而针对特定决策问题实现各方案层元素的重要性排序，并对总体一致性进行检验。

（二）递阶层次结构的建立

层次分析法通过对待解决问题进行合理分解可以得到调理清晰的递阶层次结构，在从最高级别到最低级别的每个级别中，任意两个相邻级别的上一级别依次控制下一个级别。上述层中的一个元素是准则，通过比较该层中受其支配的元素，可以确定准则下每个元素的重要性排序。最后，根据各层次之间的层次关系，计算该层次中各要素相对于决策目标的组合权重向量。层次分析法中采用的层次结构需要满足以下特性：

1.所有元素只能属于一个层次，并且由上一层次中的部分或所有元素控制；

2.要使用的层数取决于要分析的问题的复杂性。层次分析法对层次结构的层数没有严格的限制；

3.目标层中只能有一个元素；

4.为了使所构建的判断矩阵满足一定的一致性，其他层次的元素数不能超过9 个。组成层次结构的级别可以分为以下三类：

①目标层：该层次有且只有唯一的元素，它是决策问题需要实现的目标；

②准则层：该层次包括了实现目标过程中所涉及到的各中间环节，根据待分析问题的复杂程度它还可以被进一步划分为若干个层次，包括在对问题进行分析过程中需要考虑的准则和子准则。

③方案层：方案层中的元素由可以实现目标的各决策方案组成，进行层次分析的目的就是得到各方案的重要性排序。

二、改进的噪声源分离量化方法

复杂振动噪声源分级诊断的一个重要基本原则就是根据待识别系统的具体结构和工作原理,合理地划分系统零件,建立复杂振动噪声源的分级诊断模型。该模型主要用于识别一个系统,从而把振动和噪声来源之间的分离与量化等复杂问题变换成能够识别每一个零件对整体系统有重大贡献率所占比例的问题。

（一）关于递阶式层次结构的确定和建立:为了更好地使得层次诊断技术能够被广泛运用到对振动和噪声源的分离测量,有必要确定并且建立一种合理的层次结构。根据对振动噪声源的分析辨认过程及其层次分析方法的基础理论,将用于对振动噪声源的层次辨认诊断的层次结构划分为四个主要的层次:目标层、准则性层、子准则性层和方案性层。

分层诊断系统中每个层次的含义如下：目标层是待分析问题的预设目标。针对振动噪声源分离量化的具体问题，目标层表示各振动噪声源对水声场评价点声信号的贡献率，用a表示；标准层包括各种信号特征提取技术，包括相干分析和部分相干分析，这些技术用M 表示；子准则层由评价点处声信号的每个特征线谱或特征频带组成，用F 表示；方案层指每个主要振动和噪声源，用S 表示。

（二）构造判断矩阵：分层诊断需要在单准则条件下，借助具有实际物理意义的标度算法构造判断矩阵，以获得以上一级元素为准则的各级元素的权重向量。传统的层次分析法中使用的1-9 量表是根据人们基于主观感受的判断建立的。在振动噪声源分级诊断过程中，比较了各振动噪声源对评价点信号的贡献能量。对测量对象进行信号处理得到的结果具有明确的物理意义。传统的1-9 标度不能用于定量值。鉴于层次分析法在振动和噪声源分离和量化方面的局限性，本节将从标度算法方面对层次分析法进行改进，并给出具体的解决方案。

三、网络化层次诊断流程

（一）确定层次诊断系统中间传递节点

组合水听器阵列主要用于检测船舶水下辐射噪音,近场聚焦波束形成技术主要用于定位和识别船舶外部的机械噪音,即水面。通过结合对船舶表面振动能量的分布进行研究和分析,我们可以得到一个关于外部声辐射子系统中的声源层元素(外部声辐射子系统输入信息)和内部结构振动能量子系统的评估点(外部结构振动能量子系统的输出信息),即,壳体的测量点则是分层诊断系统的中间传输节点。

（二）确定内部结构振动子系统的频率层元素以及权重向量

在一个内部结构振动电路子系统中,机械设备检测到各个壳体接触点的振动信号便是它们所输入的振动信息,而壳体检测到各个接触点的振动信号便是它们所输入的振动信息。对壳体检测点振动电路信号进行了1/3倍频程的功率光谱分析和1/3 倍频程下的能量光谱分析,得到它们的特征线谱和一个特殊频带作为内部结构中振动电路子系统的频率层元素。计算了炮弹的特征值评估节点信号位于特征电子线谱和特征频带上的能量,利用本文研究者提出的一种改善尺度方法来建立了一个基于目标层和频率层之间的判断矩阵,采用这种特征值方法可以通过计算得出该结构内部振动电路和子系统中各个频率层单元的权向量。

四、结论

针对船舶机械结构声源进行了定量识别问题,根据船舶机械结构在内部振动及噪声传播方式的变化,本文提出了一种网络化的分级判断系统,大致可划分为内部结构振动子系统和外部声波辐射子系统。网络化的分级诊断系统的输入信息是作为一个机械装置脚的震荡信息,输出是作为水声场测试点的音频信号。根据对机械音频声源进行空间定位的研究结果及壳体在表面振动能量的分布研究,确定了壳体在各个部位之间的强辐射,该区域的壳体振动信息作为一个网络化的分级诊断节点。机械装置的振动资料、壳体振动信息和水声场信息构成一个完整的网络化分级诊断系统。将两个子系统中获得的噪声源排名结果进行融合，以获得各机械设备对水下声场评估点的贡献。