基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法，属于水下目标声辐射【技术领域】。本发明的方法包括以下步骤：首先基于研究对象的不确定性，确定研究频段的范围；其次基于模态分解理论以及不同的模型结构，确定模拟声压方程；再次基于模态截断理论，采用较高的周向模态阶数，计算合适的较低阶轴向模态阶数；然后采用较高的轴向模态阶数，计算合适的较低阶周向模态阶数；最后计算得到仿真计算的辐射信号，从而对水下目标声辐射情况进行分析。本发明技术方案通过利用较少的模态阶数来准确模拟径向振动引起的水下目标声辐射信号，因而其计算复杂度低、准确性高。
【专利说明】基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于模态分解的水下目标壳体径向振动声福射信号模拟方法，属于水下目标声辐射【技术领域】。
【背景技术】
[0002]基于模态分解理论的声辐射信号研究在水下目标分析中被广泛应用。理论认为只有轴向和周向模态都选取无穷阶叠加时才能真正模拟辐射信号。但是关于水下目标分析，实时性又是其重要指标，而无穷阶叠加就做不到实时性的要求。同时关于模态阶数选取的问题一直没有解决，没有一个灵活多变的模态阶数方法，导致水下目标声辐射信号计算复杂度较高和准确性较低。
【发明内容】
[0003]本发明针对上述问题的不足，提出一种基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法，本发明不仅能够根据研究频段以及研究模型的不同，灵活的选取模态阶数，用最少的模态模拟最真实的辐射信号，而且其计算复杂度低、准确性高。
[0004]本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是:一种基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法，其特征包括以下步骤:第一步:根据研究对象的模型结构，确定研究对象的频段范围；第二步:基于模态分解理论，确定该研究对象所对应模型结构的模拟声压方程；第三步:基于模态截断理论，分别计算周向模态阶数、轴向模态阶数，其中，采用较高的周向模态阶数，计算合适的较低阶轴向模态阶数；采用较高的轴向模态阶数，计算合适的较低阶周向模态阶数；第四步:由第一步中所确定的研究对象的频段范围、第二步中确定的声压方程、第三步中确定的轴向模态阶数、周向模态阶数仿真计算出水下目标的声辐射信号；通过对声辐射信号进行分析，实现研究对象的目标识别。
[0005]优选的:在第一步中，当所述研究对象的模型涉及到少数肋骨、加肋平板、舱板时，所述频段选用高频段，此时所述频率范围为波长
对应频率到20KHz ;当所述研究对象的模型涉及到在刚性柱面障板上的柱形壳体共振的重要性时，所述频段选用中频段，此时所述频率范围为波长A 二 ￡/2到波长I 二 a相对应频率；当所述研究对象的模型涉及整个船体、刚体平移或旋转梁的弯曲振动、手风琴式振动时，所述频段选用低频段，此时所述频率范围为IHz到波长1=￡/2对应频率；其中尤代
表目标的长度，?代表有效横截面积半径，频车￡与波长a对应关系为:/ = 4，为声音
在水中传播速度。
[0006]优选的:在第二步中，采用单层圆柱壳体作为水下目标声辐射模拟的基本模型，在基本模型上附加子结构即构成研究对象的结构模型，所附加的子结构包括肋、舱板；对于前述单层圆柱壳体基本模型，基于模态分解理论，以圆柱壳体的几何中心为坐标原点￡>，以圆柱壳体的中心轴为z轴，以观测点与z轴之间的距离为;r轴，同时结合观测角度炉，该观测角度角是指观测点沿圆柱壳体半径方向与竖直方向的夹角，建立柱坐标系，则观测点 (dfj的声压方程如下:
r
【权利要求】
1.一种基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法，其特征包括以下步骤:第一步:根据研究对象的模型结构，确定研究对象的频段范围；第二步:基于模态分解理论，确定该研究对象所对应模型结构的模拟声压方程；第三步:基于模态截断理论，分别计算周向模态阶数、轴向模态阶数，其中，采用较高的周向模态阶数，计算合适的较低阶轴向模态阶数；采用较高的轴向模态阶数，计算合适的较低阶周向模态阶数；第四步:由第一步中所确定的研究对象的频段范围、第二步中确定的声压方程、第三步中确定的轴向模态阶数、周向模态阶数仿真计算出水下目标的声辐射信号；通过对声辐射信号进行分析，实现研究对象的目标识别。
2.根据权利要求1所述基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法，其特征在于:在第一步中，当所述研究对象的模型涉及到少数肋骨、加肋平板、舱板时，所述频段选用高频段，此时所述频率范围为波长对应频率到20KHz ;当所述研究对象的模型涉及到在刚性柱面障板上的柱形壳体共振的重要性时，所述频段选用中频段，此时所述频率范围为波长A二￡/2到波长l = a相对应频率；当所述研究对象的模型涉及整个船体、刚体平移或旋转梁的弯曲振动、手风琴式振动时，所述频段选用低频段，此时所述频率范围为IHz到波长1=￡/2对应频率;其中i代表目标的长度〃代表有效横截面积半径，频率￡与波长3对应关系为= f，为声音 MJAA C在水中传播速度。
3.根据权利要求2所述基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法，其特征在于:在第二步中，采用单层圆柱壳体作为水下目标声辐射模拟的基本模型，在基本模型上附加子结构即构成研究对象的结构模型，所附加的子结构包括肋、舱板； 对于前述单层圆柱壳体基本模型，基于模态分解理论，以圆柱壳体的几何中心为坐标原点 o，以圆柱壳体的中心轴为2轴，以观测点与z轴之间的距离为r轴，同时结合观测角度货，该观测角度角是指观测点沿圆柱壳体半径方向与竖直方向的夹角，建立柱坐标系，则观测点(df)的声压方程如下:
4.根据权利要求3所述基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法，其特征在于:在第三步中，确定轴向模态阶数的公式为:
5.根据权利要求4所述基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法，其特征在于:在第三步中，确定周向模态阶数的公式为:
6.根据权利要求5所述基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法，其特征在于:所述声压采用声压级SPL的方式处理，该声压级SPL的公式为:
【文档编号】G06F19/00GK103593571SQ201310597616
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月22日 优先权日:2013年11月22日
【发明者】方世良, 安良, 程强 申请人:东南大学