碼頭系泊艦艇機械噪聲源測試分析方法研究

許剛

（上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108）

我們都知道，這艘船的體積很大。內(nèi)部安裝有各種各樣、數(shù)量眾多的機械設(shè)備。各機械設(shè)備的振動特性不同且相互耦合，振動信號頻譜信息非常豐富。在低速隱蔽狀態(tài)下，船舶的主要噪聲源是機械噪聲。船舶機械噪音就是指由于船舶機械設(shè)備打開后,機械設(shè)備的振動被傳遞至船舶殼體并將其輻射至水聲場而產(chǎn)生的水下輻射噪音。船舶內(nèi)部的機械設(shè)備至船體的振動傳輸路徑主要有兩種:通過沿船舶支撐式機械設(shè)備底座傳輸?shù)恼駝?通過船舶浮筏隔振器等元件或其他與機械設(shè)備相互連接的船舶支座傳輸?shù)恼駝?等;同時,船舶外部的聲場、兩側(cè)的聲場和船體振動之間也會存在較強的耦合;艇體的振動及其傳遞的路徑和方式,以及其受到的影響有著錯綜復(fù)雜的。以上幾種原因造成了各種機械器具之間的振動耦合不均勻、振動傳輸特性繁瑣?；诼晫W(xué)角度考慮,艦艇是一個復(fù)雜的振動和噪音源分布物,這就為艦艇的機械聲源做出了定量分離提供了很大的困難。所以，通過對不同方法的振動噪聲源分析結(jié)果進行綜合集成，從而實現(xiàn)對艦艇機械噪聲源的準(zhǔn)確識別是很有必要的。

一、基于偏相干分析的層次診斷方法

（一）層次分析法

層次性分析法(ahp)是一種由運動物理學(xué)領(lǐng)域的著名學(xué)者、thomas l.saaty 在20 世紀(jì)70 年代中期首先提出的一種多準(zhǔn)則復(fù)雜體系的科學(xué)決策分析方法。這樣的方法在我們面前有著堅實的數(shù)學(xué)理論依據(jù)和廣泛應(yīng)用領(lǐng)域。層次性因子分析法將較難且復(fù)雜的決策問題進行逐步排序分析,得到各個問題的構(gòu)成和要素,根據(jù)各個決策要素之間的互相支配關(guān)系得到清晰的層次性結(jié)構(gòu),然后對本層次的各個決策要素受上一層次的某一個決策要素的支配,并在1-9 的尺度上建立判斷矩陣,適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合各個層次的排序結(jié)果,可以直接得到各個決策要素的設(shè)計思路在特確定決策對目標(biāo)下工作的重要性。層次分析法也可以在定性判斷的基礎(chǔ)上完成定量分析，用具體的數(shù)值表示每個決策方案相對于決策目標(biāo)的重要性。它是復(fù)雜問題科學(xué)決策的有效方法。在分離和量化復(fù)雜振動噪聲源時，需要處理大量具有復(fù)雜相關(guān)性的振動噪聲診斷相關(guān)因素，如多種信號頻域特征提取方法、豐富的特征線譜信息或特征頻帶信息，并有多個振動和噪聲源。

1.適用性：層次分析法的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)雖然比較簡單卻又不失其嚴(yán)謹(jǐn)性和系統(tǒng)性，采用層次分析法解決具體問題時決策者并不需要掌握高深的數(shù)學(xué)理論知識，僅要求決策者在對各個決策方案進行兩兩比較的過程中，能夠給出可以表示各個方案之間相對重要性的判斷矩陣即可；

2.系統(tǒng)性：在采用層次分析法分析問題的過程中，是從系統(tǒng)的角度來看待決策問題，考慮的是系統(tǒng)各個組成要素之間的兩兩相互關(guān)系，這種處理方式是分析復(fù)雜問題時非常行之有效的思維決策方式；

3.工程實用性：與其他決策方法不同的是，層次分析法采用的縮放算法與層次結(jié)構(gòu)相結(jié)合的處理方法可以根據(jù)分析的具體問題靈活調(diào)整，在復(fù)雜問題的決策過程中，可以把定性判斷與定量分析相結(jié)合起來，其得出的結(jié)果也令人滿意，因此層次分析法是水下復(fù)雜結(jié)構(gòu)振動噪聲源分離與量化過程中較為合適的綜合集成方法。

采用層次分析法解決具體問題可被分為四個步驟進行：

①明確所需解決的問題，對系統(tǒng)進行分解得到其各組成要素，并對各組成要素之間的相互支配關(guān)系進行分析，建立起可以對具體問題進行充分描述的遞階層次結(jié)構(gòu)；

②在以上一層次中某個元素作為準(zhǔn)則的情況下，對本層次中受其支配的各元素之間的相對重要性進行兩兩對比分析，再利用適用于所解決問題的標(biāo)度算法對其重要性程度進行量化取值，并完成判斷矩陣的構(gòu)造；

③對判斷矩陣進行特征分解，從而得到在該準(zhǔn)則下的各元素相對權(quán)重向量，并對單準(zhǔn)則下的判斷矩陣相同性進行檢驗；

④計算各層元素相對于決策目標(biāo)的組合權(quán)重，從而針對特定決策問題實現(xiàn)各方案層元素的重要性排序，并對總體一致性進行檢驗。

（二）遞階層次結(jié)構(gòu)的建立

層次分析法通過對待解決問題進行合理分解可以得到調(diào)理清晰的遞階層次結(jié)構(gòu)，在從最高級別到最低級別的每個級別中，任意兩個相鄰級別的上一級別依次控制下一個級別。上述層中的一個元素是準(zhǔn)則，通過比較該層中受其支配的元素，可以確定準(zhǔn)則下每個元素的重要性排序。最后，根據(jù)各層次之間的層次關(guān)系，計算該層次中各要素相對于決策目標(biāo)的組合權(quán)重向量。層次分析法中采用的層次結(jié)構(gòu)需要滿足以下特性：

1.所有元素只能屬于一個層次，并且由上一層次中的部分或所有元素控制；

2.要使用的層數(shù)取決于要分析的問題的復(fù)雜性。層次分析法對層次結(jié)構(gòu)的層數(shù)沒有嚴(yán)格的限制；

3.目標(biāo)層中只能有一個元素；

4.為了使所構(gòu)建的判斷矩陣滿足一定的一致性，其他層次的元素數(shù)不能超過9 個。組成層次結(jié)構(gòu)的級別可以分為以下三類：

①目標(biāo)層：該層次有且只有唯一的元素，它是決策問題需要實現(xiàn)的目標(biāo)；

②準(zhǔn)則層：該層次包括了實現(xiàn)目標(biāo)過程中所涉及到的各中間環(huán)節(jié)，根據(jù)待分析問題的復(fù)雜程度它還可以被進一步劃分為若干個層次，包括在對問題進行分析過程中需要考慮的準(zhǔn)則和子準(zhǔn)則。

③方案層：方案層中的元素由可以實現(xiàn)目標(biāo)的各決策方案組成，進行層次分析的目的就是得到各方案的重要性排序。

二、改進的噪聲源分離量化方法

復(fù)雜振動噪聲源分級診斷的一個重要基本原則就是根據(jù)待識別系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)和工作原理,合理地劃分系統(tǒng)零件,建立復(fù)雜振動噪聲源的分級診斷模型。該模型主要用于識別一個系統(tǒng),從而把振動和噪聲來源之間的分離與量化等復(fù)雜問題變換成能夠識別每一個零件對整體系統(tǒng)有重大貢獻率所占比例的問題。

（一）關(guān)于遞階式層次結(jié)構(gòu)的確定和建立:為了更好地使得層次診斷技術(shù)能夠被廣泛運用到對振動和噪聲源的分離測量,有必要確定并且建立一種合理的層次結(jié)構(gòu)。根據(jù)對振動噪聲源的分析辨認(rèn)過程及其層次分析方法的基礎(chǔ)理論,將用于對振動噪聲源的層次辨認(rèn)診斷的層次結(jié)構(gòu)劃分為四個主要的層次:目標(biāo)層、準(zhǔn)則性層、子準(zhǔn)則性層和方案性層。

分層診斷系統(tǒng)中每個層次的含義如下：目標(biāo)層是待分析問題的預(yù)設(shè)目標(biāo)。針對振動噪聲源分離量化的具體問題，目標(biāo)層表示各振動噪聲源對水聲場評價點聲信號的貢獻率，用a表示；標(biāo)準(zhǔn)層包括各種信號特征提取技術(shù)，包括相干分析和部分相干分析，這些技術(shù)用M 表示；子準(zhǔn)則層由評價點處聲信號的每個特征線譜或特征頻帶組成，用F 表示；方案層指每個主要振動和噪聲源，用S 表示。

（二）構(gòu)造判斷矩陣：分層診斷需要在單準(zhǔn)則條件下，借助具有實際物理意義的標(biāo)度算法構(gòu)造判斷矩陣，以獲得以上一級元素為準(zhǔn)則的各級元素的權(quán)重向量。傳統(tǒng)的層次分析法中使用的1-9 量表是根據(jù)人們基于主觀感受的判斷建立的。在振動噪聲源分級診斷過程中，比較了各振動噪聲源對評價點信號的貢獻能量。對測量對象進行信號處理得到的結(jié)果具有明確的物理意義。傳統(tǒng)的1-9 標(biāo)度不能用于定量值。鑒于層次分析法在振動和噪聲源分離和量化方面的局限性，本節(jié)將從標(biāo)度算法方面對層次分析法進行改進，并給出具體的解決方案。

三、網(wǎng)絡(luò)化層次診斷流程

（一）確定層次診斷系統(tǒng)中間傳遞節(jié)點

組合水聽器陣列主要用于檢測船舶水下輻射噪音,近場聚焦波束形成技術(shù)主要用于定位和識別船舶外部的機械噪音,即水面。通過結(jié)合對船舶表面振動能量的分布進行研究和分析,我們可以得到一個關(guān)于外部聲輻射子系統(tǒng)中的聲源層元素(外部聲輻射子系統(tǒng)輸入信息)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)振動能量子系統(tǒng)的評估點(外部結(jié)構(gòu)振動能量子系統(tǒng)的輸出信息),即,殼體的測量點則是分層診斷系統(tǒng)的中間傳輸節(jié)點。

（二）確定內(nèi)部結(jié)構(gòu)振動子系統(tǒng)的頻率層元素以及權(quán)重向量

在一個內(nèi)部結(jié)構(gòu)振動電路子系統(tǒng)中,機械設(shè)備檢測到各個殼體接觸點的振動信號便是它們所輸入的振動信息,而殼體檢測到各個接觸點的振動信號便是它們所輸入的振動信息。對殼體檢測點振動電路信號進行了1/3倍頻程的功率光譜分析和1/3 倍頻程下的能量光譜分析,得到它們的特征線譜和一個特殊頻帶作為內(nèi)部結(jié)構(gòu)中振動電路子系統(tǒng)的頻率層元素。計算了炮彈的特征值評估節(jié)點信號位于特征電子線譜和特征頻帶上的能量,利用本文研究者提出的一種改善尺度方法來建立了一個基于目標(biāo)層和頻率層之間的判斷矩陣,采用這種特征值方法可以通過計算得出該結(jié)構(gòu)內(nèi)部振動電路和子系統(tǒng)中各個頻率層單元的權(quán)向量。

四、結(jié)論

針對船舶機械結(jié)構(gòu)聲源進行了定量識別問題,根據(jù)船舶機械結(jié)構(gòu)在內(nèi)部振動及噪聲傳播方式的變化,本文提出了一種網(wǎng)絡(luò)化的分級判斷系統(tǒng),大致可劃分為內(nèi)部結(jié)構(gòu)振動子系統(tǒng)和外部聲波輻射子系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)化的分級診斷系統(tǒng)的輸入信息是作為一個機械裝置腳的震蕩信息,輸出是作為水聲場測試點的音頻信號。根據(jù)對機械音頻聲源進行空間定位的研究結(jié)果及殼體在表面振動能量的分布研究,確定了殼體在各個部位之間的強輻射,該區(qū)域的殼體振動信息作為一個網(wǎng)絡(luò)化的分級診斷節(jié)點。機械裝置的振動資料、殼體振動信息和水聲場信息構(gòu)成一個完整的網(wǎng)絡(luò)化分級診斷系統(tǒng)。將兩個子系統(tǒng)中獲得的噪聲源排名結(jié)果進行融合，以獲得各機械設(shè)備對水下聲場評估點的貢獻。