改进的复杂噪声源识别方法

第３１卷第１４期　振动与冲击　Ｊ０ＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＶＩＢＲＡ　ⅡＯＮ　ＡＮＤ　ＳＨ０ＣＫ　

改进的复杂噪声源识别方法　

余桐奎　

（大连测控技术研究所，大连１１６０１３）　

摘　要：在原来层次分析理论的基础上，改进了判别矩阵构件方法及偏差修正方法。结合相干、偏相干理论，通过　仿真研究对比了基于相干功率谱的层次分析法和基于偏相干的层次分析法，研究结果表明基于偏相干函数的噪声源层次　诊断方法是解决具有强相干性多源系统的噪声源识别问题的一种有效方法。　关键词：层次分析方法；噪声源识别；偏相干　中图分类号：ＴＢ５３　文献标识码：Ａ　

Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｎｏｉｓｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　

ＹＵ　一ｋｕｉ　

（Ｄａｌｉａｎ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｔｅｓｔ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｄａｌｉａｎ　１　１６０１３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｎｏｉｓｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ，ｍｏｄｉｆｙｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｐｐｒｏｃｈｅｓ　ｏｆ　ｊｕｄｇｅｍｅｎｔ　ｍａｔｒｉｘ　ａｎｄ　ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ，ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ａｎａｌｙｔｉｃ　ｈｉｅｒａｒｃｈｙ　ｐｒｏｃｅｓｓ（ＡＨＰ）．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｎｏｉｓｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＡＨＰ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｏｈｅｒｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗｅｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　

ｗｉｔｈ　ｔｈｏｓｅ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＡＨＰ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐａｒｔｉａｌ　ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　Ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｎｏｉｓｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ—ｓｏｕｒｃｅ　ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｏｆ　ｓｔｒｏｎｇ　ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ，ｔｈｅ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　

ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐａｒｔｉａｌ　ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｗａｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｎａｌｙｔｉｃ　ｈｉｅｒａｒｃｈｙ　ｐｒｏｃｅｓｓ；ｎｏｉｓｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｐａｒｔｉａｌ　ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ　

水声隐身性是水下航行器最主要的性能之一。如　

何通过检测航行器的振动和噪声信号，有效估计各噪　声源对辐射噪声的贡献大小，从而有效识别主要噪声　

源是一个十分重要的问题。为了解决这一问题，国内　

外对此进行了大量的研究，并提出了许多用于主要噪　声源识别的方法。尽管如此，在实际工程中，由于水下　

航行器各声源的频率结构的复杂性、声源之间的相互　干扰及传递路径的千差万别等问题，都使得主要噪声　

源识别问题很难得到合理解决。基于此原因，本文提　出了基于相干功率谱的层次分析法和基于偏相干…的　

层次分析法，并给出了仿真研究结果及工程应用结果。　

１　断矩阵构建新方法及偏差修正　

层次分析法　的关键是判断矩阵的建立，判断　矩阵中各元素是根据两两比较法和１—９标度法确定　

的，但是，准确构造出判断矩阵是难点，这也是传统层　次分析法的一个较大缺陷，因此，有人提出了灰色层次　

分析法和模糊层次分析法，这些方法相对比较繁琐，在　

噪声源分析的实际应用中不是很适合，感兴趣者可参　

收稿日期：２０１１—０４—１１修改稿收到日期：２０１１—０６—１０　第一作者余桐奎男，工程师，１９８１年生　考文献［１４］。本文在原有两两比较法的基础上提出一　

种新的构建判断矩阵的方法，具体步骤如下：　第一步：对与本层次相关的元素，分别与评价点噪　

声作相关分析，根据它们的相关程度进行排序。　第二步：根据１～９标度法对相干程度最大的元素　重要程度定位取值，再依次对其他元素定位取值。　

第三步：用各元素的排序值两两相减后加１的原　则，来确定各元素在判断矩阵中的值。这里加１原则　是通过大量计算、检验基础上提出的，加２、加３理论上　

也可以，但是具体准确性如何还未作验算，有兴趣者可　以自行验算。　

这一思路还是比较清晰的，各层元素相互间关系　的确定相对也比较准确，而且，相对于两两比较法计算　

量也没有增加。从目前所有仿真及试验数据处理结果　来看，构造判断矩阵的成功率为１００％。但是，并不等　

于这种构建方法完全有效，如果出现构造的判断矩阵　不符合一致性检验条件，则需要对判断矩阵进行修正，　这里主要介绍两种经过检验的简便、有效的偏差修正　方法　。　

（１）偏差最大项修改法　根据判断矩阵Ａ的排序权向量Ｗ＝［Ｗ　，Ｗ　，…，　

Ｗ　］　，重新构造一个判断矩阵Ａ　：（

　）＝（Ｗ／　）计　第１４期　余桐奎：改进的复杂噪声源识别方法　１５３　

算偏差矩阵：　Ａ：（６　）＝（１　ａ　—ａ　１）　（１）　

其中６　最大项对应的０　行修正：　

ａ　＝ａｑ　，　＝　（２）　将式（２）代入原矩阵Ａ，形成新的判断矩阵。这里　需要注意的是，并不一定是将最大项的原值代人原矩　

阵Ａ，需要结合各声源（或振源）与评价点之间的相干　函数及相关的频谱分析来确定，这样判断矩阵的一致　

性可以得到明显改善，若仍不能满足一致性检验，则按　

上述操作，逐步调整，直到满足要求。　（２）偏差平方和最大行修改法　

与（１）同样的方法构造判断矩阵Ａ　，计算矩阵△　后，再计算：　

＝∑６；（ｉ＝１，２，…，ｎ）　（３）　Ｊ＝１　６　＝ｍａｘ（　１，６２，…，６　）　（４）　根据　所在行ｋ，修正判断矩阵Ａ令：　

ａ　ｆ＝ａｋ　ｊ　口　＝。　（　＝１，２，…，　）　

２仿真研究　

仿真条件：仿真模型如图１所示，　（ｔ），　（　），　

。（ｔ），　（　）分别作为输入信号，输出信号Ｙ（ｔ），输入到　输出的频率响应函数ｈ　（ｔ），ｈ　（　），ｈ，（ｔ），ｈ　（ｔ）均为　

１，　（　）为高斯白噪声，采样频率为４　０９６　Ｈｚ，时间长度　为０．５　Ｓ。　

１（ｔ）＝１．５ｓｉｎ（２，ｒ　ｔ＋（ｐ１）＋２．４ｓｉｎ（２￣Ｔｆ２ｔ＋　２）＋　１．４ｓｉｎ（２＂ｒｒｆ３ｔ＋　２）＋０．５ｒａｎｄｎ［１，ｌｅｎｇｔｈ（ｔ）］　

２（ｔ）＝２．５ｓｉｎ（２，ｒ　ｔ＋　３）＋３．１　ｓｉｎ（２丁　ｔ＋　４）＋　

２．４ｓｉｎ（２＂ｒｒｆ４ｔ＋‘Ｄ２）＋０．７ｒａｎｄｎ［１，ｌｅｎｇｔｈ（ｔ）］　

３（ｔ）＝１．６ｓｉｎ（２￣ｒｆ２ｔ＋　５）＋２．３ｓｉｎ（２　ｔ＋　６）＋　２．４ｓｉｎ（２　ｔ＋　２）＋０．９ｒａｎｄｎ［１，ｌｅｎｇｔｈ（ｔ）］　

４（ｔ）＝０．９ｓｉｎ（２１Ｔｆ３ｔ＋　７）＋１．３ｓｉｎ（２　＿厂４　＋　８）＋　１．６ｓｉｎ（２ｗｆ６ｔ＋　２）＋０．３ｒａｎｄｎ［１，ｌｅｎｇｔｈ（　）］　

Ｙ（ｔ）＝ｈ１（ｔ）　（ｔ）＋ｈ２（ｔ）　（ｔ）＋　

ｈ３（ｔ）　３（ｔ）＋ｈ４（ｔ）　４（ｔ）＋　（　）　其中　＝１０　Ｈｚ　＝６０　Ｈｚ　＝３５　Ｈｚ　＝８５　Ｈｚ　＝７０　

Ｈｚ　＝１００　Ｈｚ，　１，　２，　３，　４，　５，　６，　７，　８是以　＝　ｒａｎｄ［１，ｌｅｎｇｔｈ（１，ｔ）］的随机相位出现。　

ｙ（ｔ）　

图１多输入／输出模型　Ｆｉｇ．１　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ　ｍｏｄｅｌ　２．１基于相干分析的层次分析法　根据层次分析原理【　～　，建立层次结构图如下　

所示：　

图２噪声源层次分析结构图　Ｆｉｇ．２　ＡＨＰ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｎｏｉｓｅ　ｓｏｕｒｃｅ　

对于　一　层的判断矩阵，应根据评价点处噪声较　

大的各频带或者峰值频率所对应的声压级的大小，并　

考虑计权的影响后，按１～９标度法确定，如表１所示：　

表１　目标层与频率层的判断矩阵　Ｔａｂ．１　Ｐａｉｒ－ｗｉｓｅ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｍａｔｒｉｘ　

根据Ｃ。～Ｃ　四个声源信号与评价点Ｙ噪声相干　

函数值的大小和层次分析图，采用１—９标度法可构造　

Ｂ～ｃ层的判断矩阵。由于仿真条件理想化，Ｂ—ｃ层　

判断矩阵内元素均由１构成，因此，总的排序结果如表　

２所示。　

表２噪声源识别总的排序结果　Ｔａｂ．２　Ｐｒｉｏｒｉｔｙ　ｍａｔｒｉｘ　ｆｏｒ　ｎｏｉｓｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　

＼Ｂ　Ｂ１　Ｂｚ　Ｂ３　Ｂ　Ｂ５　Ｂ　总排序　ｃ＼　

由表２分析可得：评价点处频率为１０　Ｈｚ噪声主要　来自于输入　。，　；评价点处频率为３５　Ｈｚ噪声主要来　

自于输入　，　，，　；评价点处频率为６Ｏ　Ｈｚ噪声主要来　

自于输入　。，　：，

　。；评价点处频率为７Ｏ　Ｈｚ噪声主要来　第１４期　余桐奎：改进的复杂噪声源识别方法　ｌ５５　

图４主机层次分析结构图　Ｆｉｇ．４　ＡＨＰ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｍａｌｉｎｅ　ｈｏｓｔ　ｎｏｉｓｅ　ｓｏｕｒｃ￣　表８　目标层与频率层的判断矩阵　Ｔａｂ．８　Ｐａｉｒ－ｗｉｓｅ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｍａｔｒｉｘ　根据Ｇ　一Ｇ。振动信号与评价点辐射噪声偏相干　值的大小和层次分析图，采用１—９标度法可构造Ｂ—　ｃ层的判断矩阵，以日　因素为例，如表９所示，其余Ｂ　

一风评价因素以此相同原则构建，这里不再列出。　

表９频率层曰　因素与声源层的判断矩阵　Ｔａｂ．９　Ｐａｉｒ－ｗｉｓｅ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｍａｔｒｉｘ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｂｅｌｔ　Ｂ１　

根据上述各判断矩阵及其权值分配，噪声源总排　

序结果，如表１０所示。　

由表１０并结合主机振动特征分析可得：　

表１Ｏ噪声源总排序结果　Ｔａｂ．１０　Ｐｒｉｏｒｉｔｙ　ｍａｔｒｉｘ　ｆｏｒ　ｎｏｉｓｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　

（１）各频段的噪声来源并不相同，主机不同部分　对不同频段具有不同的贡献程度。对于２２—２５　Ｈｚ频　

段的噪声，所有振动测点都有，说明这一频段噪声是主　机的三次谐波频率激励船体辐射较强噪声；对于４６—　

４７　Ｈｚ频段的噪声，是主机的六次谐波频率激励船体辐　

射噪声。　（２）３０～３２　Ｈｚ频段主要来自于主机基架和变速　

箱；３８—４０　Ｈｚ主要与主机基架、基座、变速箱、高压油　

泵、气缸及排气管有关；５３～５６　Ｈｚ主要与主机基架、基　座、变速箱、气缸及排气管有关；６２—６３　Ｈｚ频段主要与　

主机基架、基座、变速箱及高压油泵有关；８４—８７　Ｈｚ频　段主要与电机、气缸、排气管及水泵有关，是主机的１１　倍频共振；８８～９０　Ｈｚ频段来自于高压油泵，由于高压　

油泵与主机相连的飞轮在主机内部，无法计算它的基　频，所以，这里无法判断是高压油泵的多少次谐波频　

率。对于９２—９５　Ｈｚ频段主要来自于主机基座、变速　箱、高压油泵和电机，由主机１２倍频共振产生的。　

４结论　

基于噪声源层次分析结构图，给出了具体层次分　析流程；对于判断矩阵构建问题，在两两比较法的基础　

上提出了一种新的判断矩阵构建方法，实践证明该方