Il tempo

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 22 (2023) Citare questo articolo

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Sono stati condotti esperimenti di scariche subacquee in una piscina anecoica e l'analisi delle caratteristiche tempo-frequenza dei segnali acustici è stata condotta sulla base della decomposizione modale variazionale e della trasformata di Hilbert-Huang (VMD-HHT). Proponiamo un metodo relativo alla differenza di frequenza centrale per determinare i numeri di decomposizione K che deve essere fornito prima dell'applicazione della VMD e il risultato è soddisfacente. Si ottengono lo spettro HHT e lo spettro marginale, quindi si traggono alcune conclusioni preziose. Le componenti ad alta frequenza del segnale acustico sono attribuite principalmente all'onda d'urto, mentre le componenti a bassa frequenza risultano principalmente dall'impulso della bolla. La gamma di frequenza del segnale acustico va fondamentalmente da 0 a 90kHz e il rapporto tra l'energia nella banda delle basse frequenze (0–4kHz) e quella del segnale acustico totale arriva fino al 55,56%. Inoltre, viene esplorato anche questo rapporto rispetto agli spazi vuoti e presenta un minimo in corrispondenza dello spazio vuoto di 1,5 mm che è lo spazio ottimale per la pressione di picco e l'energia irradiata del segnale acustico. Pertanto, non possiamo ottenere contemporaneamente l'energia massima del segnale acustico e il rapporto massimo nella banda delle basse frequenze.

Forti segnali acustici ampiamente applicati nell'esplorazione marina, nella comunicazione subacquea, nel rilevamento di bersagli, nel trattamento dell'acqua e in altri campi possono essere indotti da esplosioni1, fucili ad aria compressa2, trasduttori3, laser4,5,6,7, scariche subacquee8,9 e così via. Questo articolo si concentra sui segnali acustici provenienti dalle scariche subacquee. Un elevato campo elettrico agisce sugli elettrodi immersi nel liquido e fa sì che l'energia elettrica immagazzinata venga istantaneamente rilasciata nel canale di scarica formato tra gli elettrodi, che provoca il plasma ad alta temperatura e alta pressione insieme all'emissione ottica10, specie attive11 e diffusione termica12,13. Quando il canale del plasma si espande verso l’esterno, si forma l’onda d’urto. Per una migliore applicazione di questo segnale acustico è di grande importanza ottenere le caratteristiche precise dei segnali acustici prodotti nelle scariche subacquee, in particolare la distribuzione del tempo e della frequenza. Alcuni ricercatori14 forniscono le caratteristiche di ampiezza-frequenza dei segnali acustici mediante FFT. Tuttavia, la FFT, insieme ad alcuni metodi di analisi tempo-frequenza basati sulla trasformata di Fourier, come la trasformata di Fourier a breve termine (STFT), la trasformata di Gabor e la distribuzione di Wigner-Ville, è adatta per l'elaborazione di segnali lineari e stazionari. Per quanto riguarda i segnali non stazionari, non sono in grado di fornire l'esatta caratteristica nel dominio della frequenza. Pertanto, dovrebbero essere presi in considerazione metodi di elaborazione del segnale adeguati, come Wavelet e HHT.

Wavelet15 è un potente strumento per analizzare segnali transitori e non stazionari. Sfortunatamente, la funzione base wavelet deve essere selezionata manualmente e non può essere modificata durante l'elaborazione del segnale. Se la funzione base wavelet non è appropriata, il risultato dell'analisi non è soddisfacente. Rispetto all'analisi wavelet, l'HHT ha una buona adattabilità, il che significa che non è necessario scegliere in anticipo una funzione di base per la scomposizione dei segnali. Come metodo nuovo e valido nell'elaborazione dei segnali non stazionari, l'HHT, proposto da Huang nel 199816, è ampiamente utilizzato per analizzare segnali sismici17, segnali ECG18, segnali di esplosione esplosiva subacquea19 e così via. Anche il segnale acustico generato dalle scariche subacquee è transitorio e non stazionario proprio come quello generato dalle esplosioni subacquee. Pertanto, in questo articolo viene utilizzato l'HHT. La chiave dell'HHT risiede nel metodo di decomposizione del segnale, che viene eseguito principalmente mediante la decomposizione in modalità empirica (EMD)20. Liang Qiao21 fornisce gli spettri tempo-frequenza dei segnali acustici prodotti dalle scariche subacquee basati su HHT. Tuttavia, un grave svantaggio dell'EMD è il mixaggio delle modalità, scoperto per primo da Huang durante la scomposizione di segnali discontinui. Nello specifico, la stessa scala temporale caratteristica esiste contemporaneamente in più FMI, oppure più scale temporali caratteristiche convivono in un unico FMI. Il mix di modalità porta all'incapacità dei FMI di rappresentare un processo fisico reale, il che non ha senso per lo spettro HHT. Pertanto, eliminare validamente la miscelazione delle modalità è di grande importanza.