一种多线谱水声参量阵时空域联合声发射系统及方法

本发明属于有源噪声控制，涉及非线性声学、线谱跟踪、水声参量阵、主动控制、小数时延等多个方向，具体涉及一种多线谱水声参量阵时空域联合声发射系统及方法。背景技术：：：1、在水下，声波是最重要的信息传播载体。研究表明，水下航行器会发出低频线谱作为其声纹特征，因此，对低频线谱噪声的有效控制，是提高水下航行器声隐身性能的关键。传统的被动控制方法对于低频段噪声的控制效果差，可控频段窄，且大尺寸的声学材料或结构会对可应用条件产生负面影响。反之，采用参量阵作为次级源对线谱噪声的主动控制方法具有低频效果好、宽频带、小尺度等技术优势，因此，设计一套完整的水下参量阵声发射系统具备重要研究意义和应用价值。这套系统一般包含参量阵发射波形设计、相控参量阵处理等模块，其中，参量阵发射波形设计应对目标线谱的数量、频率、幅度和相位进行估计，并设计发射信号的包络，同时，相控参量阵可以使主波束产生任意角度偏移。2、tanaka n和tanaka m在空气中使用相控参量阵作为次级源进行了局部声场控制，使控制点始终在声轴附近，实现了精确的有源噪声控制而不造成声能溢出《tanaka n,tanaka m.active noise control using a steerable parametric array loudspeaker[j].journal of the acoustical society of america,2010,127(6):3526.》。叶超、吴鸣等使用参量阵扬声器进行有源噪声控制，控制点处的声压级降低了35db《叶超,吴鸣,杨军.利用参量阵扬声器进行有源噪声控制的研究[j].电声技术,2011,35(03):61-63》。tanakak等使用前馈anc系统，使用参量阵扬声器作为次级源对生产线上工人双耳处的区域进行了定点降噪《3.tanaka k,shi c,kajikawa y.binaural active noise control usingparametric array loudspeakers[j].applied acoustics,2017,116:170-176.》。liy等在空气中验证了以参量声源作为次级源具有良好的降噪效果，同时拥有更长的可控距离、更小的声音反馈和更规则的安静区域分布等优点《li y,zheng w.a noise control methodusing adaptive adjustable parametric array loudspeaker to eliminateenvironmental noise in real time[j].international journal of environmentalresearch and public health,2021,19.》。顾瑜钧将分数时延引入参量阵相控，实现了参量阵系统的任意整数角度偏转《顾瑜均.基于分数时延的相控参量阵的研究与实现[d].武汉理工大学，2017.》。3、以上这些研究主要分析了各自在其特定研究领域中的理论与应用，但并未提出一种完整的、具有应用价值的水下参量阵声发射系统，且空气声学领域的研究较多，水声学领域较少。技术实现思路1、本发明的目的是提供一种多线谱水声参量阵时空域联合声发射系统及方法，以解决水声学领域研究的空白。2、本发明的目的在于设计一款能够针对多线谱噪声、使用水声参量阵作为次级源，实现任意角度相控偏转的主动控制系统和方法，该系统不仅将传统的单频噪声推广到多频，拓宽了应用范围，还消除了采样频率对最小相控角度的约束，实现了时空域联合控制，增加了应用价值。此外，系统充分考虑了高实时性和低复杂度的要求，进一步提升了其实用性。3、本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：4、本发明的一种多线谱水声参量阵时空域联合声发射系统，包括：5、da模块，用于将水听器在远场控制点处采集的多线谱噪声进行数模转换，并将转换结果传输给多通道自适应陷波滤波器；6、快速傅里叶变换模块，用于对多线谱噪声数据进行频率估计，获取目标线谱的数量和频率；7、多通道自适应陷波滤波器，用于构建次级目标信号；8、周期补偿积分器，用于对次级目标信号进行波形预处理，获取原波包络；9、三次样条插值进行升采样模块，用于对原波包络使用三次样条插值进行升采样，得到待调制包络，然后将待调制包络乘以载波，得到系统待发射的信号；10、参量阵小数时延相控系统，由基于拉格朗日插值的farrow结构小数时延滤波器实现，用于对待发射的信号进行处理，得到系统最终输出。11、进一步的，所述多通道自适应陷波滤波器包括控制器、发射换能器和误差传感器；所述控制器用于完成自适应陷波控制算法，利用误差信号计算次级目标信号的各项参数；所述发射换能器用于发射次级目标信号；所述误差传感器用于获得实际声误差信号。12、本发明提供的一种多线谱水声参量阵时空域联合声发射方法，采用所述的一种多线谱水声参量阵时空域联合声发射系统实现，该方法包括以下步骤：13、步骤一、利用水听器在远场控制点处以接收采样频率fs采集一定时间的多线谱噪声数据x(n)，并对前1s的多线谱噪声数据使用快速傅里叶变换进行频率估计，得到目标线谱的数量和频率14、步骤二、根据多线谱噪声数据x(n)，利用多通道自适应陷波滤波器构建次级目标信号y(n)；15、步骤三、使用参量阵作为次级源，利用周期补偿积分器对次级目标信号进行波形预处理，获取原波包络yenv；16、步骤四、对原波包络yenv使用三次样条插值进行升采样，得到采样频率为fs′的待调制包络yenv′；将待调制包络yenv′乘以载波，得到系统待发射的信号s′；17、步骤五、将待发射的信号s′输入参量阵小数时延相控系统，通过基于拉格朗日插值的farrow结构小数时延滤波器处理后，得到系统输出s′d。18、进一步的，步骤一中，针对水下环境的多线谱噪声，有：19、20、其中，t是时间变量，nd是线谱数量，ai、和分别是第i个线谱的幅值、频率和初相位；目标线谱信号s(t)与环境噪声n(t)叠加后，得到系统输入的待处理信号，如下：21、x(t)＝s(t)+n(t)                          (2)。22、进一步的，步骤一中，所述目标线谱的频谱频率分辨率不大于1hz，通过快速傅里叶变换得到的频谱频率分辨率为信号时间长度t的倒数，则信号时间长度t大于1s，即多线谱噪声数据的采集时间大于1s。23、进一步的，所述目标线谱信号s(t)用正交基组合进行表达：24、25、其中，ωi是目标角频率；定义t时刻的正弦基xsi(t)＝sinωit、余弦基xci(t)＝cosωit、正弦基权系数wsi和余弦基权系数wci，则多通道自适应陷波滤波器第n时刻的正弦基矢量和余弦基矢量分别为：26、xsi(n)＝[xsi(n),xsi(n-1),...,xsi(n-l+1)]t                  (4)27、xci(n)＝[xci(n),xci(n-1),...,xci(n-l+1)]t                  (5)28、正弦基权系数矢量和余弦基权系数矢量为：29、30、31、其中，xsi(n),xsi(n-1),...,xsi(n-l+1)分别是第n,n-1,…,n-l+1时刻的正弦基，xci(n),xci(n-1),...,xci(n-l+1)分别是第n,n-1,…,n-l+1时刻的余弦基；分别是第n时刻的正弦基权系数，分别是第n时刻的余弦基权系数。32、进一步的，步骤二中，所述次级目标信号y(n)的计算公式为：33、34、其中表示对目标线谱信号真值s(n)的估计，xsi(n-l+1)表示第n-l+1时刻的正弦基，xci(n-l+1)表示第n-l+1时刻的余弦基。35、进一步的，步骤三中，首先利用周期补偿积分器对次级目标信号y(n)进行二次积分，并对二次积分后的信号添加直流偏置，随后进行平方根处理，得到原波包络yenv。36、进一步的，步骤五中，所述基于拉格朗日插值的farrow结构小数时延滤波器的传递函数为：37、38、所述基于拉格朗日插值的farrow结构小数时延滤波器由一组滤波器实现，这组滤波器的系数h是时延量d的p阶多项式，即：39、40、其中，ck是系数，是一个实数；将式(37)带入到式(36)中得到farrow结构小数时延滤波器的传递函数为：41、42、其中，z表示复平面上的变量，ck为实数序列ck(n)的时延线性组合，是一个n阶多项式。43、进一步的，步骤五中，使用拉格朗日多项式对式(37)进行近似，得：44、45、将式(39)带入式(38)后获得基于拉格朗日多项式的farrow结构小数时延滤波器的系统函数。46、本发明的有益效果是：47、(1)次级源选择上，本发明使用水声参量阵代替传统声源作为次级源，具备高指向性、小尺寸、低频性能好等优点；48、(2)时域上，本发明使用了多通道自适应陷波滤波器(通道notch滤波器)算法，将针对单频噪声的控制系统推广到多频上，扩大了应用范围；同时该算法在多通道条件下处理速度快，实时性好；49、(3)空域上，本发明采用参量阵的分数时延相控方法，不受最小采样间隔对相控角度的约束，消除了最小偏转角度的约束，可实现任意角度的偏转以及连续角度的相控偏转，提高了实用能力；50、(4)系统复杂度上，本发明采用的算法实时性强，复杂度低，具备一定的应用价值。51、综上，本发明的一种多线谱水声参量阵时空域联合声发射系统及方法，对多线谱噪声的控制效果良好，且处理速度快、结构复杂度低，实用能力强，可以偏转任意角度，符合实际应用环境，具备一定的应用价值。当前第1页12当前第1页12