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Relatórios Científicos volume 13, Número do artigo: 22 (2023) Cite este artigo

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Detalhes das métricas

Os experimentos de descargas subaquáticas em uma poça anecóica foram realizados e a análise das características tempo-frequência dos sinais acústicos foi realizada com base na Decomposição de Modo Variacional e na Transformada de Hilbert-Huang (VMD-HHT). Propomos um método de diferença de frequência central relativa para determinar os números de decomposição K que devem ser dados antes da aplicação do VMD e o resultado é satisfatório. O espectro HHT e o espectro marginal são obtidos, então, algumas conclusões valiosas são tiradas. Os componentes de alta frequência do sinal acústico são atribuídos principalmente à onda de choque, e os componentes de baixa frequência resultam principalmente do pulso de bolha. A faixa de frequência do sinal acústico é basicamente de 0 a 90kHz, e a relação de energia na faixa de baixa frequência (0–4kHz) para o sinal acústico total é de até 55,56%. Além disso, essa relação versus gaps também é explorada e tem como mínimo o gap de 1,5 mm que é o gap ideal para o pico de pressão e energia irradiada do sinal acústico. Portanto, não podemos obter a energia máxima do sinal acústico e a relação máxima na banda de baixa frequência simultaneamente.

Sinais acústicos fortes que são amplamente aplicados na exploração marinha, comunicação subaquática, detecção de alvos, tratamento de água e outros campos podem ser induzidos por explosões1, airguns2, transdutores3, laser4,5,6,7, descargas subaquáticas8,9 e assim por diante. Este trabalho enfoca os sinais acústicos provenientes de descargas subaquáticas. O alto campo elétrico atua nos eletrodos imersos no líquido e faz com que a energia elétrica armazenada seja liberada instantaneamente no canal de descarga formado entre os eletrodos, o que provoca o plasma de alta temperatura e alta pressão juntamente com a emissão óptica10, espécies ativas11 e difusão térmica12,13. Quando o canal de plasma se expande para fora, a onda de choque surge. Para uma melhor aplicação deste sinal acústico, a obtenção da característica precisa dos sinais acústicos produzidos em descargas subaquáticas, principalmente a distribuição de tempo e frequência, é de grande importância. Alguns pesquisadores14 fornecem características de frequência de amplitude de sinais acústicos por FFT. No entanto, a FFT, juntamente com alguns métodos de análise de tempo-frequência baseados na transformada de Fourier, como a transformada de Fourier de curto prazo (STFT), a transformada de Gabor e a distribuição de Wigner-Ville, é adequada para o processamento de sinais lineares e estacionários. Quanto aos sinais não estacionários, eles são incapazes de fornecer a característica exata do domínio da frequência. Assim, métodos adequados de processamento de sinal, como Wavelet e HHT, devem ser levados em consideração.

Wavelet15 é uma ferramenta poderosa para analisar sinais transitórios e não estacionários. Infelizmente, a função de base wavelet deve ser selecionada manualmente e não pode ser alterada durante o processamento do sinal. Se a função de base wavelet não for apropriada, o resultado da análise não é satisfatório. Em comparação com a análise wavelet, HHT tem boa adaptabilidade, o que significa que não há necessidade de escolher uma função base para decompor os sinais com antecedência. Como um método novo e válido no processamento de sinais não estacionários, o HHT, proposto por Huang em 199816, é amplamente utilizado para analisar sinais sísmicos17, sinais de ECG18, sinais de explosão explosiva submarina19 e assim por diante. O sinal acústico gerado por descargas subaquáticas também é transitório e não estacionário, assim como o gerado por explosões subaquáticas. Assim, o HHT é empregado neste artigo. A chave do HHT está no método de decomposição do sinal, que é feito principalmente pela decomposição em modo empírico (EMD)20. Liang Qiao21 fornece os espectros de tempo-frequência de sinais acústicos produzidos por descargas subaquáticas com base em HHT. No entanto, uma grave desvantagem do EMD é a mistura de modos, que foi encontrada pela primeira vez por Huang durante a decomposição de sinais descontínuos. Especificamente falando, a mesma escala de tempo característica existe em vários IMFs simultaneamente, ou múltiplas escalas de tempo características vivem em um IMF. A mistura de modos leva à incapacidade dos IMFs de representar um processo físico real, o que faz sentido para o espectro HHT. Portanto, eliminar o modo de mixagem de forma válida é de grande importância.