Время

Том 13 научных докладов, номер статьи: 22 (2023 г.) Цитировать эту статью

908 Доступов

Подробности о метриках

Проведены эксперименты с подводными разрядами в безэховой ванне и проведен анализ частотно-временных характеристик акустических сигналов на основе вариационного модового разложения и преобразования Гильберта–Хуанга (VMD-HHT). Мы предлагаем метод относительной разности центральных частот для определения чисел разложения K, которые необходимо задать перед применением VMD, и результат является удовлетворительным. Получены спектр HHT и предельный спектр, а затем сделаны некоторые ценные выводы. Высокочастотные составляющие акустического сигнала в основном связаны с ударной волной, а низкочастотные — с пузырьковым импульсом. Диапазон частот акустического сигнала составляет в основном от 0 до 90 кГц, а отношение энергии в низкочастотном диапазоне (0–4 кГц) к энергии общего акустического сигнала составляет до 55,56%. Кроме того, также исследуется это соотношение в зависимости от зазоров, и оно имеет минимум при зазоре 1,5 мм, что является оптимальным зазором для пикового давления и излучаемой энергии акустического сигнала. Поэтому мы не можем одновременно получить максимальную энергию акустического сигнала и максимальное соотношение в низкочастотном диапазоне.

Сильные акустические сигналы, которые широко применяются в морских исследованиях, подводной связи, обнаружении целей, очистке воды и других областях, могут быть вызваны взрывами1, пневматическими пушками2, преобразователями3, лазерами4,5,6,7, подводными разрядами8,9 и т. д. В данной статье основное внимание уделяется акустическим сигналам, возникающим в результате подводных разрядов. Высокое электрическое поле действует на электроды, погруженные в жидкость, и вызывает мгновенное высвобождение накопленной электрической энергии в разрядный канал, образованный между электродами, что приводит к образованию плазмы высокой температуры и высокого давления вместе с оптическим излучением10, активными частицами11 и термодиффузия12,13. Когда плазменный канал расширяется наружу, возникает ударная волна. Для лучшего применения этого акустического сигнала важное значение имеет получение точных характеристик акустических сигналов, создаваемых подводными разрядами, особенно распределения времени и частоты. Некоторые исследователи14 дают амплитудно-частотные характеристики акустических сигналов методом БПФ. Тем не менее, БПФ вместе с некоторыми методами частотно-временного анализа, основанными на преобразовании Фурье, такими как кратковременное преобразование Фурье (STFT), преобразование Габора и распределение Вигнера – Вилле, подходит для обработки линейных и стационарных сигналов. Что касается нестационарных сигналов, они не могут обеспечить точную характеристику частотной области. Таким образом, следует принять во внимание подходящие методы обработки сигналов, такие как Wavelet и HHT.

Wavelet15 — мощный инструмент для анализа переходных и нестационарных сигналов. К сожалению, базовая функция вейвлета должна выбираться вручную и не может быть изменена во время обработки сигнала. Если базовая функция вейвлета не подходит, результат анализа неудовлетворительный. По сравнению с вейвлет-анализом HHT обладает хорошей адаптивностью, а значит, нет необходимости заранее выбирать базовую функцию для разложения сигналов. В качестве нового и действенного метода обработки нестационарных сигналов HHT, предложенный Хуаном в 1998 году16, широко используется для анализа сейсмических сигналов17, сигналов ЭКГ18, сигналов подводных взрывных взрывов19 и т.д. Акустический сигнал, генерируемый подводными разрядами, также является переходным и нестационарным, как и сигнал, генерируемый подводными взрывами. Таким образом, в данной статье используется HHT. Ключом к HHT является метод декомпозиции сигнала, который в основном осуществляется с помощью эмпирической модовой декомпозиции (EMD)20. Лян Цяо21 приводит частотно-временные спектры акустических сигналов, создаваемых подводными разрядами на основе HHT. Однако серьезным недостатком EMD является смешивание мод, которое впервые было обнаружено Хуангом при разложении прерывистых сигналов. Точнее говоря, один и тот же характерный временной масштаб существует одновременно в нескольких IMF или в одном IMF существует несколько характерных временных масштабов. Смешение мод приводит к тому, что IMF не могут представлять реальный физический процесс, что делает бессмысленным спектр HHT. Поэтому эффективное устранение смешивания мод имеет большое значение.