Способ измерения энергетической ширины дискретной спектральной составляющей шума источника

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и решает задачу повышения точности измерения энергетической ширины дискретной спектральной шума источника при его движении. Для этого принимают сигнал шума источника и перед измерением формы и энергетической ширины дискретной спектральной составляющей сигнала шума источника формируют управляющий сигнал, зависящий от параметров относительного движения источника и приемника шума, и затем с использованием этого управляющего сигнала осуществляют преобразование временного масштаба принятого сигнала шума. Формирование управляющего сигнала и целенаправленное изменение с его помощью временного масштаба принятого сигнала шума источника позволяет существенно уменьшить искажения в этом сигнале, вызванные относительным движением источника и приемника шума, и тем самым повысить точность измерения энергетической ширины дискретной спектральной составляющей сигнала шума источника. 6 ил.

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно - к технике измерения энергетической ширины дискретной спектральной составляющей шума движущихся транспортных средств, и может быть использовано в любой отрасли машиностроения при контроле технического состояния машин и механизмов, расположенных на транспортном средстве и обуславливающих излучение шума.

Известен способ измерения энергетической ширины дискретной спектральной составляющей или "спектральной линии" принимаемого сигнала излучения, основанный на измерении его мгновенных характеристик в полосе частот, включающей дискретную спектральную составляющую, и последующем определении ее энергетической ширины с учетом измеренных характеристик (см. С.А.Ахманов, Ю.Е.Дьяков, А.С.Чиркин "Введение в статистическую радиофизику и оптику" М., "Наука", 1981). К мгновенным характеристикам относят амплитудную огибающую, мгновенную фазу и мгновенную частоту. Флюктуации мгновенных характеристик определяют форму дискретной спектральной составляющей и ее ширину, причем доминирующее влияние на значение ширины дискретной спектральной составляющей оказывают фазовые или частотные флюктуации.

Недостатком известного способа измерения ширины дискретной спектральной составляющей является недостаточная точность, так как корректный расчет ширины дискретной спектральной составляющей по результатам измерений мгновенных характеристик возможен только для идеализированных форм дискретной спектральной составляющей - гауссовой или лоренцевой. Однако дискретные спектральные составляющие шума реальных транспортных средств имеют произвольные формы, для которых не существует правил расчета.

Известен также способ измерения ширины дискретной спектральной составляющей, изложенный в статье Ю.П.Медведева “Исследование узкополосных спектров вибраций на лапах судовых дизель-генераторов” (депонированная рукопись, ЦНИИ “Румб”, Ленинград, 1976 г.), принятый за прототип, в котором принимают сигнал вибрации (шума) измерительным вибропреобразователем, и измеряют ширину дискретной спектральной составляющей в сигнале с выхода вибропреобразователя, для чего измеряют узкополосный спектр мощности этого сигнала с шагом, меньшим ширины спектральной составляющей, сглаживают форму этого спектра и определяют ширину на заданном уровне от ее максимума.

Недостатком этого способа является низкая точность измерений при относительном движении источника и приемника, при котором искажение формы дискретной спектральной составляющей и, следовательно, увеличение погрешности измерения ее ширины обусловлено, в частности, влиянием дополнительной частотной модуляции в принятом сигнале излучения источника - проявлением эффекта Доплера.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения энергетической ширины дискретной спектральной шума источника при его движении.

Это достигается тем, что принимают сигнал шума источника, перед измерением формы и энергетической ширины дискретной спектральной составляющей сигнала шума источника формируют управляющий сигнал, зависящий от параметров относительного движения источника и приемника шума, а затем с использованием этого управляющего сигнала осуществляют преобразование временного масштаба принятого сигнала шума источника. Формирование управляющего сигнала и целенаправленное изменение с его помощью временного масштаба принятого сигнала шума источника позволяет существенно уменьшить искажения в этом сигнале, вызванные относительным движением источника и приемника шума, и тем самым повысить точность измерения энергетической ширины дискретной спектральной составляющей сигнала шума источника.

Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ;

на фиг.2 представлена дискретная спектральная составляющая сигнала, принимаемого неподвижным приемником при движении мимо него источника излучения, расположенного на реальном транспортном средстве-судне;

на фиг.3 представлена дискретная спектральная составляющая сигнала, излученного источником излучения, расположенного на судне, полученная при реализации предлагаемого способа;

на фиг.4 представлен спектр модели излучаемого движущимся транспортным средством гармонического сигнала;

на фиг.5 представлен спектр модели принятого неподвижным приемником сигнала при равномерном движении мимо него по прямолинейной траектории транспортного средства с источником гармонического сигнала;

на фиг.6 представлен спектр модели излучаемого движущимся транспортным средством гармонического сигнала, полученный при реализации предлагаемого способа.

Устройство, реализующее предлагаемый способ (см. фиг.1), содержит приемник шума 1, выход которого соединен с входами формирователя управляющего сигнала 2 и блока постоянной задержки 3. Выход блока постоянной задержки 3 подключен к входу преобразователя временного масштаба 4, к управляющему входу которого подключен выход формирователя управляющего сигнала 2. Выход преобразователя временного масштаба 4 соединен с входом устройства 5 измерения формы и ширины дискретной спектральной составляющей.

С использованием описанного устройства предполагаемый способ реализуется следующим образом.

Принятый сигнал шума с выхода приемника шума 1 после необходимого усиления подается на вход формирователя управляющего сигнала 2. В блоке постоянной задержки 3 принятый сигнал шума задерживается на время, необходимое для формирования управляющего сигнала в формирователе 2, после чего задержанный принятый сигнал и управляющий сигнал подаются на соответствующие входы преобразователя временного масштаба 4. Преобразование временного масштаба может быть выполнено, например, путем управления частотой дискретизации аналого-цифрового преобразователя с использованием управляющего сигнала, получаемого через оценку текущей дистанции между излучателем и приемником, с последующим определением при известной скорости распространения шума в среде переменной задержки между излученным и принятым сигналами, обусловленной относительным движением источника и приемника шума, и преобразованием этой задержки в изменение частоты управляющего сигнала. В этом случае частотная модуляция принятого сигнала, обусловленная относительным движением источника и приемника шума и приводящая к деформации формы принятой дискретной спектральной составляющей шума источника, будет подавлена. Сигнал с выхода преобразователя временного масштаба поступает на вход устройства измерения формы и ширины дискретной спектральной составляющей 5, в котором осуществляется измерение ширины дискретной спектральной составляющей одним из известных способов. В качестве такого устройства может использоваться спектроанализатор, на выходе которого формируется сигнал, несущий информацию о форме спектра исследуемого сигнала в полосе дискретной спектральной составляющей, который далее подается на пороговые устройства, срабатывающие при пересечении заданного уровня передним и задним фронтами сигнала.

Далее приведены результаты практического применения способа.

В качестве источника шума использовался виброактивный механизм, установленный на судне, движущемся относительно неподвижного приемника шумоизлучения судна. Одна из дискретных спектральных составляющих сигнала шумоизлучения механизма, измеренного непосредственно на судне, имела среднюю частоту около 61 Гц. Судно двигалось по прямолинейной траектории относительно гидрофона со скоростью 3 м/с. Минимальная дистанция от гидрофона до траектории составляла 50 м. Ширина дискретной спектральной составляющей сигнала шумоизлучения механизма, полученного с гидрофона, измеренная на уровне –5 дБ от ее максимума, составила 0,094 Гц.

Обработка измерительных данных предложенным способом, т.е. путем введения дополнительных операций - оценки переменной задержки между сигналом приемника и источника и преобразования временного масштаба сигнала приемника в соответствии с этой переменной задержкой, позволили получить оценку ширины дискретной составляющей со значением 0,018 Гц.

Сравнение полученных оценок ширины дискретной спектральной составляющей с шириной соответствующей составляющей в спектре вибрации механизма-источника, позволило сделать вывод, что применение предлагаемого способа в данном случае снизило погрешность измерения ширины рассмотренной дискретной спектральной составляющей сигнала шумоизлучения движущегося судна в несколько раз.

На фиг.2 и 3 показан вид дискретной спектральной составляющей сигнала с приемника до преобразования временного масштаба и после него соответственно.

Из сравнения данных рисунков видно, что в сигнале с преобразованным временным масштабом дискретная спектральная составляющая значительно уже.

Достоверность предлагаемого способа измерений подтверждается также результатами следующего модельного эксперимента: вычисленная при частоте дискретизации 2,88 Гц модель излученного тонального сигнала частоты 50 Гц подвергалась модуляции движением со скоростью 3 м/с и минимальным расстоянием приемника от источника излучения 50 метров при скорости распространения излучения в среде 1500 м/с. В принимаемом сигнале осуществлялась компенсация относительного движения источника и приемника в соответствии с предлагаемым способом - т.е. путем преобразования его временного масштаба. Фрагменты спектров моделей излученного сигнала, принятого сигнала и восстановленного с применением предлагаемого способа сигнала представлены на фиг.4, фиг.5, фиг.6 соответственно. Сравнение представленных фрагментов спектров показывает, что ширина спектра тонального сигнала при конечном времени анализа определяется примерно тремя спектральными отсчетами и в данном случае составляет 0,0169 Гц. Ширина спектра модели принятого сигнала составляет приблизительно 0,177 Гц. Это значение ширины соответствует доплеровскому смещению частоты, рассчитываемому по известной формуле как где f - частота излучения, V - линейная скорость источника излучения, с - скорость распространения излучения в среде.

Ширина спектра восстановленного сигнала (см. фиг.6) практически равна ширине спектра исходного сигнала, отличия объясняются остаточным (нескомпенсированным) влиянием амплитудной модуляции, вызванной относительным движением источника и приемника. Таким образом, для данного примера применение предлагаемого способа позволило повысить точность измерений приблизительно в 10 раз.

Проведенные измерения и моделирование показали, что использование новых операций в соответствии с предлагаемым способом измерения ширины дискретной спектральной составляющей шума источника позволило повысить точность измерений.

Основное преимущество предлагаемого способа измерения ширины дискретной спектральной составляющей шума источника перед прототипом заключается в повышении точности измерений на ходовых режимах испытаний транспортных средств. Это преимущество достигается за счет того, что в принятом неподвижным приемником сигнале шума источника, спектр которого содержит дискретные спектральные составляющие, компенсируется влияние эффекта Доплера путем целенаправленного преобразования временного масштаба этого сигнала.

Способ измерения энергетической ширины дискретной спектральной составляющей шума источника, включающий прием сигнала шума источника, измерение формы и ширины дискретной спектральной составляющей сигнала шума источника, отличающийся тем, что перед измерением формы и энергетической ширины дискретной спектральной составляющей сигнала шума источника формируют управляющий сигнал, зависящий от параметров относительного движения источника и приемника шума, а затем с использованием этого управляющего сигнала осуществляют преобразование временного масштаба принятого сигнала шума.