Mô phỏng tiếng ồn phát ra từ các mục tiêu dưới nước

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 30, 04 - 2014 63 MÔ PHỏNG TIếNG ồN PHáT RA Từ CáC MụC TIÊU DƯớI NƯớC Trịnh Đăng Khánh*, Nguyễn Xuân Long**, Hoàng Mạnh Đạt***, Lâm Viết Huy**** Tóm tắt: Mô phỏng tiếng ồn phát xạ từ các mục tiêu dưới nước bao gồm tàu mặt nước, tàu ngầm, tàu chiến, tàu hàng hóa và tàu đánh cá là một trong những kỹ thuật quan trọng của hệ thống sonar thụ động và thiết bị nghi trang về âm. Bài báo này trình bày một mô hình mô tả các đặc trưng của tiếng ồn thực tế của các mục tiêu dưới nước. Các nguồn phát xạ tiếng ồn bao gồm các máy móc, chân vịt và tiếng ồn thủy động lực học của tàu. Phổ của tiếng ồn phát xạ bao gồm phổ liên tục và phổ vạch. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng có thể khôi phục lại các dấu hiệu đặc trưng âm học của tiếng ồn phát xạ từ các mục tiêu dưới nước. Từ khóa: Thủy động học, Tiếng ồn, Mô phỏng. 1. giới thiệu chung Trong lĩnh vực thủy âm học, phát xạ tiếng ồn của các mục tiêu dưới nước tập chung chủ yếu các nghiên cứu trong môi trường nước biển. Nó là nguồn thông tin của thiết bị sonar thụ động. Các thông tin có thể được sử dụng để phát hiện, đánh giá tham số và nhận dạng. Các mục tiêu dưới nước bao gồm tàu mặt nước, tàu ngầm, tàu chiến, tàu hàng hóa và tàu đánh cá [2]. Các nghiên cứu về mô phỏng tiếng ồn phát xạ của các loại mục tiêu trên có một ý nghĩa thực tế rất quan trọng. Kỹ thuật mô phỏng phát xạ tiếng ồn là kỹ thuật quan trọng của nghi trang về âm đặc biệt là biện pháp đối phó âm học. Mô phỏng phát xạ tiếng ồn của các mục tiêu dưới nước hầu hết là các nghiên cứu và phân tích đặc tính âm học của các tàu [3] và nó có thể liên quan tới mô phỏng các đặc tính này. Vì thế nó có thể sử dụng để kiểm tra hệ thống âm học và cũng sử dụng để làm các hệ thống bẫy ngư lôi và hệ thống âm học trong đối phó âm học. Tiếng ồn của mục tiêu được tạo ra dưới ba dạng, bao gồm tiếng ồn do máy cơ khí, do chân vịt, do thủy động lực học [5]. Mô phỏng phát xạ tiếng ồn được bàn nhiều trong các tài liêu [6]. Nhưng mô phỏng trong đặc tính động miền tần số ít được đề cập. Bài báo này phân tích đặc tính động âm học của tiếng ồn. Phương pháp mô phỏng đặc tính âm học cơ bản được thực hiện. Nó bao gồm mô phỏng phổ vạch, phổ liên tục và phổ điều chế đường bao. Bộ mô phỏng có thể mô phỏng thực tế đặc tính động miền tần số đối với các loại tàu thủy. Bài báo được tổ chức như sau. Trong phần 2 chúng tôi trình bày đặc tính âm học của tiếng ồn phát xạ từ các mục tiêu dưới nước. Phần 3 đánh giá mô hình toán học và mô phỏng của tiếng ồn phát xạ. Cuối cùng là phần kết luận. 2. các đặc tính âm học của tiếng ồn phát xạ Tiếng ồn phát xạ phụ thuộc chủ yếu vào kiểu loại của tàu và phần nào phụ thuộc vào khu vực biển. Hiện tại, hầu hết các phương pháp phân loại mục tiêu dựa vào phân tích chi tiết các đặc trưng của phổ công suất tiếng ồn. Vì vậy công việc đầu tiên về các mô phỏng thực tế tiếng ồn phát xạ phải là nghiên cứu các đặc tính âm học của nó, tạo tín hiệu mô phỏng có đặc tính thực tế của tiếng ồn. Tiếng ồn do máy cơ khí là tiếng ồn được phát ra do sự rung động của máy truyền qua vỏ thân tàu khi tàu chạy. Mức rung động của bề mặt tiếp xúc với nước biển đánh giá mức độ tiếng ồn phát xạ từ máy cơ khí [7]. Phổ của tiếng ồn do máy cơ khí gây ra bao gồm các phổ vạch mạnh được bổ xung phổ liên tục yếu. Tiếng ồn do chân vịt là tiếng ồn được phát ra từ các chân vịt. Nó bao gồm tiếng ồn do bọt khí và tốc độ của cánh chân vịt [8]. Đôi khi các bọt khí hình thành do hiện tượng khí Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính T. Đ. Khánh, N. X. Long, H. M. Đạt, L.V. Huy, "Mụ phỏng tiếng mục tiêu dưới nước." 64 xâm thực làm cho tiếng ồn bức xạ do chân vịt tăng lên đáng kể. Tiếng ồn do hiện tượng khí xâm thực có phổ liên tục do số lượng lớn các bong bóng có kích thước khác nhau nổ một cách ngẫu nhiên. Tiếng ồn này có dải tần rộng, trải dài từ dưới 10Hz đến hơn 20kHz. Phổ của nó cũng có các phổ vạch mạnh ở tần số thấp liên quan tới tốc độ của cánh chân vịt và các hài bậc cao của nó. Tiếng ồn thủy động lực học được hình thành từ các dòng nước biển thay đổi tác động vào thân tàu. Nó là kết quả của năng lượng thủy động lực học tác động vào bề mặt của thân tàu. Phổ tiếng ồn phát xạ bao gồm phổ liên tục và phổ vạch. Tùy thuộc vào các nguồn phát xạ tiếng ồn, phổ của nó có thể là đặc trưng của tốc độ tàu, độ sâu và các yếu tố khác liên quan tới hoạt động của tàu.Tiếng ồn phát xạ là tín hiệu bất định mà trong đó thành phần chính là tín hiệu ngẫu nhiên dải rộng, đôi khi bao gồm cả các thành phần hài. Thông thường thành phần chính của tiếng ồn phát xạ được coi như quá trình ngẫu nhiên ergodic. Các đặc tính cơ bản của tiếng ồn được thể hiện như sau. 1) Tiếng ồn có phổ liên tục là do tiếng ồn từ máy cơ khí, tiếng ồn do chân vịt và tiếng ồn do thủy động lực học gây ra. Dải tần số chính của phổ liên tục từ vài Hz tới mười nghìn Hz. Dải tần thấp có độ dốc 6dB/oct đến 12 dB/oct và dải tần cao có độ dốc -6 dB/oct. Hầu hết các đỉnh năng lượng xuất hiện trong dải từ 100Hz đến 1000Hz và thay đổi tùy theo tốc độ và độ sâu của tàu. Khi tốc độ tàu tăng hoặc độ sâu giảm bớt, các đỉnh dịch chuyển theo hướng xuống tần số thấp. 2) Thành phần phổ vạch chủ yếu phân bố ở dải tần số thấp. Trong một số trường hợp, nó có thể xuất hiện đến khoảng 1kHz. Tần số của tiếng ồn có phổ vạch thường là đều đặn và nó có thể sử dụng để nhận dạng các loại tàu. Thành phần phổ vạch liên quan tới động cơ đẩy, chân vịt, và các máy phụ. Phần phổ vạch tạo ra từ máy phụ có phổ tần số cao, ổn định và độc lập với tốc độ hành trình của tàu. Các thành phần khác của phổ vạch được tạo ra từ động cơ đẩy, chân vịt có liên quan đến tốc độ hành trình của tàu. Biên độ và tần số của phổ vạch này thay đổi theo tốc độ tàu. 3. Các mô hình và mô phỏng tín hiệu tiếng ồn của mục tiêu Cho đến hiện nay, các phương pháp mô hình hóa điển hình cho tiếng ồn phát xạ chủ yếu đang được sử dụng là phổ vạch bổ sung vào phổ liên tục. Các phương pháp mô hình hóa xem xét đặc tính âm cơ bản, nhưng chưa tính đến đặc tính miền tần số động của tiếng ồn. Đặc tính động của tiếng ồn phát xạ khi tàu hành trình thể hiện qua sự di chuyển chậm của phổ vạch, thay đổi mức nguồn âm hoặc hiệu ứng Doppler. Trên cơ sở phân tích ở trên về đặc tính âm điển hình của tiếng ồn phát xạ, bài viết thực hiện mô hình phổ vạch, phổ liên tục và phổ đường bao điều chế. Tiếng ồn do tàu phát xạ được mô hình hóa. Bài viết sẽ đưa ra cơ sở lý thuyết cho việc thiết kế bộ mô phỏng. 3.1. Mô hình và mô phỏng tín hiệu phổ vạch Để phát hiện, bám sát và nhận dạng tiếng ồn phát xạ từ mục tiêu, thành phần tín hiệu có phổ vạch đóng một vai trò quan trọng [9]. Năng lượng của thành phần phổ vạch tập trung và ổn định, vì vậy khả năng phát hiện thành phần phổ vạch có thể được cải thiện. Thông tin tần số trong phổ vạch có thể được sử dụng để đánh giá các thông số mục tiêu và nhận dạng mục tiêu. Ba loại tiếng ồn cơ khí là nguồn rung động có chu kỳ có thể tạo nên phổ vạch. Vì vậy, thành phần tín hiệu phổ vạch có thể được mô hình hóa bằng tín hiệu có chu kỳ. Thành phần tín hiệu phổ vạch có thể được mô hình hóa và mô phỏng thông qua việc tạo ra một loạt các tín hiệu sin. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 30, 04 - 2014 65     Kk k kskksl nTfAnTG 1 ]2[2sin[)(  (1) Trong biểu thức này, K thể hiện số lượng phổ vạch, Ak, fk và k là biên độ, tần số và pha ngẫu nhiên của phổ vạch thứ k. Giá trị của các thông số trên có thể được xác định như sau: 1) Nếu tần số của tín hiệu có phổ vạch nhỏ hơn 1000 Hz, tín hiệu đó liên quan đến số lượng cánh chân vịt và tốc độ quay chân vịt. Bởi vì tốc độ động cơ là không ổn định có hiệu ứng Doppler khi tàu chạy, tần số của phổ vạch có thể được tính như sau:   ccvssnmfk /)(  (2) trong đó, m là cấp số hài, n là số lượng cánh chân vịt, s là tốc độ quay của chân vịt, ((s là sự thay đổi của tốc độ quay của chân vịt, v là tốc độ tàu, c là tốc độ âm thanh trong môi trường truyền. 2) Nếu tần số của tín hiệu có phổ vạch nhỏ hơn 100 Hz, tín hiệu đó độc lập với tốc độ. Nhưng nó có liên quan đến kiểu loại của tàu. Số lượng tần số có thể được ước lượng bằng k. 3) Biên độ của tín hiệu có phổ vạch có liên quan đến thời gian, tốc độ, nhiệt độ nước biển. Các yếu tố ảnh hưởng đến biên độ phổ vạch rất phức tạp, do đó, một biến ngẫu nhiên có thể được sử dụng để mô phỏng nó. Giá trị của phổ vạch vượt quá giá trị của phổ liên tục tới 10-25 dB. Hình 1 thể hiện thành phần tín hiệu có phổ vạch trong miền thời gian. Hình 2 thể hiện thành phần tín hiệu phổ vạch trong miền tần số.
Hình 1. Thành phần tín hiệu âm có phổ vạch trong miền thời gian.
Hình 2. Thành phần tín hiệu âm có phổ vạch trong miền tần số. 3.2. Mô hình và mô phỏng tín hiệu âm có phổ liên tục Thành phần tiếng ồn có phổ liên tục có thể được mô phỏng bằng quá trình ngẫu nhiên ổn định dải rộng. Bằng cách cho tạp trắng Gauss (White Gauss Noise - WGN) đi Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính T. Đ. Khánh, N. X. Long, H. M. Đạt, L.V. Huy, "Mụ phỏng tiếng mục tiêu dưới nước." 66 qua bộ lọc FIR có đáp ứng tương ứng với đặc tính phổ của tiếng ồn, phổ liên tục sẽ được mô phỏng. Trước hết, chúng ta phải tạo ra được tạp trắng có chu kỳ. Chuỗi ngẫu nhiên WGN có thể được tạo ra bằng phương pháp Box-Muller. â1 và â2 là các số ngẫu nhiên độc lập và â1, â2~N(0,1). 2 2/1 1 2cos)ln2( n , (3) trong đó n là số ngẫu nhiên thỏa mãn N (0, 1). Biên độ của nó đáp ứng phân bố Gauss. Tiếp theo, chúng ta mô phỏng thành phần phổ liên tục của tiếng ồn phát xạ từ tàu do một số phần chức năng. Sau đó, bằng cách lấy mẫu đáp ứng biên độ tần số của bộ lọc được tạo ra. Dạng của phổ liên tục được thể hiện như sau: )()/log( )()/log( )()log(2020 /9001000 002 001 00 max0 0 0 0 ffffkSLSL ffffkSLSL fffSLSL vvf ff ff sf     (4) ở đây, f0 là đỉnh của tần số. max là tốc độ hành trình cao nhất. SLf là mức nguồn tiếng ồn. SLs là mức âm toàn phần. )log(9)10/log(60134 )log(15)10/log(50112 DTvSL DTvSL s s   (5) Với v là tốc độ và DT là trọng tải của tàu. Thiết kế bộ lọc có đáp ứng biên độ tần số phù hợp với kết quả của mô phỏng tiếng ồn liên tục. Sau đó cho WGN đi qua bộ lọc FIR, khi đó phổ liên tục đã được mô phỏng theo đặc tuyến biên độ tần số của bộ lọc. Giả sử tốc độ tàu là 20kn, tốc độ tàu cao nhất là 30kn, trọng tải 10.000 tấn. Bằng cách sử dụng phương pháp mô phỏng tiếng ồn, phổ liên tục được thể hiện trong hình 3. Hình 3. Kết quả mô phỏng của thành phần tiếng ồn có phổ liên tục. 3.3. Mô hình của điều chế phổ đường bao Tiếng ồn phát xạ hầu hết được đưa ra với nhịp điệu mạnh mẽ. Tần số liên quan đến trục và cánh chân vịt, và tần số hài của nó ở băng tần số cao thông qua điều chế. Vì vậy, hiệu quả của phát xạ âm thanh cao. Có thể tách phổ đường bao của tiếng ồn phát xạ cũng như tách phổ vạch liên quan đến loại tàu, cánh chân vịt và tần số hài của chúng. Nhờ đó có thể đánh giá tốc độ và nhận dạng mục tiêu. Điều chế đường bao của tàu có thể được mô phỏng bởi các xung quá trình ngẫu nhiên mà có biên độ ngẫu nhiên, có hình dạng và chu kỳ giống nhau. Một xung đơn có thể được xác định như sau. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 30, 04 - 2014 67 22 2/)2/()(  tetu  (6) Khi tần số của loại tàu là T, số lượng cánh chân vịt là B, L tần số lặp giữa các xung điều chế, L = T / B. Biên độ của xung # là biến ngẫu nhiên độc lập tuân theo một số phân bố xác suất. Trong mô phỏng này, phân bố xác suất có thể được xác định như phân bố đều { 3/3,2/  }.  biểu thị giá trị trung bình của biên độ. ó biểu thị độ rộng xung. Ví dụ, khi số lượng các cánh chân vịt là B, tần số lặp các xung là T/B,  = T/BD. D có thể chọn bằng 4. 3.4. Mô phỏng tiếng ồn được phát xạ Mô hình toán của tiếng ồn phát xạ theo thời gian được thể hiện như sau: )()()](1[)( slscss nTGnTGnTanTS  (7) )( snTa biểu thị hàm điều chế biên độ. )( sc nTG biểu thị phổ liên tục theo thời gian. )( sl nTG biểu thị phổ vạch theo thời gian. Hình 4 và hình 5 thể hiện mô phỏng của phát xạ tiếng ồn trong miền thời gian và tần số. Phổ tiếng ồn được mô phỏng là kết quả của phổ công suất tiếng ồn của các thành phần phổ liên tục; phổ vạch và điều chế biên độ. Hình 4. Tín hiệu tiếng ồn phát xạ trong miền thời gian. Hình 5. Phổ công suất của tiếng ồn phát xạ. Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính T. Đ. Khánh, N. X. Long, H. M. Đạt, L.V. Huy, "Mụ phỏng tiếng mục tiêu dưới nước." 68 Hình 6. Dạng sóng tonghop1.wav theo thời gian. Hình 7. Phổ của tiêng ồn Mục tiêu tonghop1.wav (biểu diễn dải phổ đến 20kHz). Hình 8. Phổ của tiếng ồn Mục tiêu tonghop1.wav 1 (biểu diễn dải phổ đến 5kHz). Kết quả mô phỏng còn tổng hợp được file âm theo định dạng tonghop1.wav. File tổng hợp này được sử dụng để so sánh biên độ phổ tần số với kết quả mô phỏng trình bày trên. Dựa vào kết quả từ hình 3 đến 8 cho ta thấy tần số f0 đạt đỉnh về năng lượng là 300Hz, độ dốc của đáp ứng tần số trước và sau f0 trong cả ba kết quả: Phổ của đáp ứng yêu cầu (hình 3); phổ của mô phỏng mophong1 (hình 5) và phổ của tonghop1.wav (hình 8) là phù hợp với nhau. Kết quả này phản ánh chương trình mô phỏng có kết quả phù hợp giữa phân tích lý thuyết theo mô hình và chương trình mô phỏng với file tín hiệu tổng hợp được. 4. Kết luận Bài báo đã trình bày một mô hình các đặc trưng của tiếng ồn thực tế của các mục tiêu dưới nước. Các nguồn phát xạ tiếng ồn bao gồm các máy móc, chân vịt và tiếng ồn thủy động lực học của tàu. Trong miền tần số, phổ của tiếng ồn phát xạ bao gồm phổ liên tục và phổ vạch. Kết quả cho thấy rằng mô phỏng có thể khôi phục lại các dấu hiệu đặc trưng âm học của tiếng ồn phát xạ từ các mục tiêu dưới nước.Tiếng ồn mô phỏng phù hợp với các tiếng ồn đo được từ các phương tiện dưới nước nhờ “Thiết bị đo tạp âm và tiếng ồn phương tiện dưới nước”[9]. Công cụ phần mềm “Mô phỏng tiếng ồn phát ra từ các mục tiêu dưới nước” cung cấp một công cụ cho phép chúng ta mô phỏng các tiếng ồn của các phương tiện dưới nước. Bằng cách thay đổi tham số phù hợp với loại mục tiêu dưới nước được cung cấp theo phần Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 30, 04 - 2014 69 mềm và file .wav tạo ra trong quá trình mô phỏng. Khi công cụ mô phỏng kết hợp với thiết bị phát thủy âm sẽ tạo cho chúng ta một công cụ khác nhau như thiết bị nghi trang về âm, kiểm tra hiệu chỉnh sonar thụ động. Tài liệu tham khảo [1]. WANG Zhicheng, and CHENG Zongqi, "Warship Noise Measuring andAnalyzing,” National Defence Industry Press" 2004, 24-27 . [2]. Urick RJ, ”Principles of Underwater Sound,” New York: McGraw-Hili, 1975. [3]. Finn B. Jensen , William A. Kupeman and Michael B. Porter, “Computational Ocean Acoustic,” American Institute of Physics, 1993. [4]. WS Burdic, "Underwater Acoustic System Analysis," New Jerzey :Prentice-Hall Inc, 1991. [5]. R Hickling and W Wei, "Use of pitch-azimuth pots indeterminingthe direction of a noise source in water with a vetor sound-intensity probe", J. Acoust. Soc. Am, 1995, 97(2) : 856-866 . [6]. Zhang Zhong, Tong Li, Ni Jin-ping , etal, "Application of simulated noise field to designing underwater acoustic array", Journal of System Simulation, 2001, 13(5): 602-604 . [7]. Stephen C Wales and Richard M Heitmeyer, "An Ensemble Source spectra Model for Merchant Ship-radiated Noise", J.Acoust. Soc. Am. 2002, 111(3) :1211- 1231. [8]. R. W. Fischer and N. A. Brown, " Factors Affecting the Underwater Noise of Commercial Vessels Operating in Environmentally Sensitive Areas", IEEE Trans . Ocean s . pp. 18-23, Sept. 2005 . [9]. Trịnh Đăng Khánh, và các tác giả, “Đo tạp âm và tiếng ồn của phương tiện hoạt động dưới nước,” Đề tài nghiên cứu khoa học cấp TCKT năm 2013. abstract Simulation Technique of Radiated Noise from Underwater Targets Simulation of noise radiated from underwater targets including surface ships, submarines, warships, cargo ships and fishing boats are one of the key techniques of passive sonar systems and acoustical decoy. In this paper, present a model describing the characteristics of the actual noise of underwater targets. The noise emission sources include machinery and propeller noise of ship hydrodynamics. In the frequency domain, the noise spectrum of the radiated consists of continuous power, and line spectruma. The results show that the simulation can restore the signal characteristics of the acoustic noise radiated from underwater targets. Keywords: Large interesting field, the particular field, interesting subject. Nhận bài ngày 13 tháng 11 năm 2013 Hoàn thiện ngày 30 tháng 12 năm 2013 Chấp nhận đăng ngày 19 tháng 03 năm 2014 Địa chỉ: * ** *** **** Học viện KTQS; Tổng cục Kỹ thuật; Viện Kỹ thuật Hải quân; Quân chủng PK-KQ.