课题进度21-舰船辐射噪声
课题进展21-舰船辐射噪声
1. 舰船辐射噪声的组成
根据大量的舰船噪声数据分析，可确认噪声源主要由三部分组成，分别是水动力、机械振动和螺旋桨
1.1 机械振动噪声
机械噪声指的是航行或作业船上的各种机械的振动，通过船体向水中辐射而形成的噪声，是低航速时舰船辐射噪声的主要成分。
频谱特征：以低频线谱为主，集中在1kHz以下，具有显著的周期性。
识别价值：这些线谱如同舰船的“声学指纹”，是进行目标分类和识别（判断舰船类型）的关键特征
1.2 螺旋桨噪声
螺旋桨在旋转过程中与水流相互作用直接产生并辐射的噪声，主要还是空化噪声。
1.3 水动力噪声
水动力噪声是由不规则的水流流过运动船只表面而形成，一般情况下，舰船水动力噪声在强度方面往往被机械噪声和螺旋桨噪声所覆盖。
频率特征：连续谱，通常类似于“白噪声”
2. 噪声特征提取方法
2.1 LOFAR谱分析（Low Frequency Analysis and Recording）
低谱分析与记录谱，通过短时傅里叶变换对输入的舰船辐射噪声进行分析，从而得出其时频变化数据。
LOFAR 直接对原始声信号的低频段做频谱分析，捕获舰船机械设备产生的离散线谱和宽带连续谱。
为什么是线谱？ 机械设备的振动通常是周期性的（旋转、往复、啮合），在频域中表现为窄带离散峰。这些峰就像舰船的”机械指纹”——同一型号的船用同一批设备，线谱结构高度相似；不同型号搭载不同设备，线谱集合差异显著。
2.2 DEMON谱分析（Detection of Envelope Modulation On Noise）
噪声包络调制检测法，主要处理的是噪声调制信号，从舰船辐射噪声的高频宽带成分中提取螺旋桨旋转产生的周期性调制。处理流程分为四个部分：
（1）带通滤波：截取具有调制分量的频带信号
（2）包络检波：提取幅度变化，获取包络信息，通常采用平方解调和绝对值解调的方法进行。
绝对解调：先对带通信号取绝对值（全波整流），会产生直流分量+调制频率分量，然后再进行低通滤波去除载波残余，保留调制包络
平方解调：平方后低频调制分量出现在差频处，经低通滤波提取，等效于“能量包络”而非“幅度包络”
（3）低通滤波：因为舰船辐射噪声的轴频、叶频及其谐波分类引起的调制主要分布在 0-100Hz范围内所以需要再采用低通滤波器对信号进行处理以截取有效信息。
2.3 MFCC梅尔倒谱分析（Mel-Frequency Cepstral Coefficient）
梅尔刻度以平均刻度出现在各个频段，与人耳听觉的吻合程度更高。MFCC 模拟人耳对声音的感知方式来表征音频信号。
人耳对频率的感知不是线性的
- 对低频信号更敏感：能轻易区分 500Hz 和 1000Hz 的差别。
- 对高频信号较迟钝：很难区分 10000Hz 和 10500Hz 的差别。
梅尔刻度是一个非线性频率刻度，它模拟了这种听觉特性。频率 f（Hz）与梅尔频率 m（Mel）的近似转换公式为：
简单理解：在低频区域，梅尔刻度变化快（分辨率高）；在高频区域，梅尔刻度变化慢（分辨率低）。
2.4 噪声特征综合构建
将LOFAR谱分析和DEMON谱分析结合起来，综合构建噪声特征
核心差异：LOFAR 告诉你”船上装了什么设备”（机械特征），DEMON 告诉你”螺旋桨怎么转”（推进特征）。同型号船装同样设备→LOFAR 线谱接近；但螺旋桨磨损程度和转速不同→DEMON 谱仍有差异。两类特征互补是天然成立的。
