《水下噪声》PPT课件.ppt

第八章 水下噪声,College of Underwater Acoustic Engineering,2,本章主要内容,噪声的基本概念（了解） 噪声是一种随机过程 噪声的频谱分析 水下噪声的指向性特性 海洋环境噪声（了解） 深海中的环境噪声源 深海环境噪声谱 自然噪声的间歇源及自然噪声的变化特性 海洋环境噪声的振幅分布和空间相关,College of Underwater Acoustic Engineering,3,本章主要内容,海洋环境噪声（了解） 海洋环境噪声的指向性 舰船和鱼雷的辐射噪声（了解） 舰船辐射噪声的声源级和噪声谱（重点） 舰船辐射噪声源及其一般特性 机械噪声 螺旋桨噪声 水动力噪声,College of Underwater Acoustic Engineering,4,本章主要内容,舰船和鱼雷的辐射噪声（了解） 辐射噪声源概要 舰船、潜艇、鱼雷的辐射噪声级 辐射噪声的测量 舰船、潜艇和鱼雷的自噪声（了解） 舰船自噪声源及其一般特性 自噪声的传播路径 自噪声级 舰船自噪声的测量,College of Underwater Acoustic Engineering,5,本章主要内容,舰船噪声控制简介（了解） 舰船噪声控制方法分类 机械噪声的控制 螺旋桨噪声的控制 水动力噪声的控制,College of Underwater Acoustic Engineering,6,噪声的基本概念 噪声的定义：是指在特定条件下不需要的声音。 水下噪声 海洋环境噪声和舰船自噪声 它们是声纳系统的主要干扰背景之一，限制装备性能。 目标（舰船、潜艇、鱼雷等）辐射噪声 它是被动声纳系统的声源，通过接收该噪声实现目标检测。 水下噪声研究的意义（对抗与反对抗） 提高设备性能、提高自身隐蔽性,College of Underwater Acoustic Engineering,7,噪声的基本概念 噪声是一种随机过程 描述噪声的统计量有：概率密度函数、概率分布函数。 平稳随机过程 描述：如果一个随机过程经过时间平移后，其统计特性保持不变，即 则称这过程为平稳随机过程。 提示：平稳随机过程的概率密度函数与时间无关，为处理上的方便，往往把水中噪声视为平稳随机过程,College of Underwater Acoustic Engineering,8,噪声的基本概念 高斯噪声 若噪声的声压概率密度函数表示为： 上述概率密度函数为高斯分布，相应的噪声称为高斯噪声。其均值和方差为： 提示：水下噪声研究中经常将某一类干扰假定为高斯噪声。,College of Underwater Acoustic Engineering,9,噪声的基本概念 噪声是一种随机过程 一般，表征噪声统计特性的统计量：概率密度函数、数学期望、方差、相关函数、功率谱。 白噪声 由随机过程理论可知，噪声自相关函数的傅立叶变换即为功率谱密度函数： 功率谱是均匀的噪声，则称之为白噪声。,College of Underwater Acoustic Engineering,10,噪声的基本概念 噪声是一种随机过程 噪声声压有效值 定义：等于介质阻抗为单位值时平均声强 的平方根。 如果假设噪声的平均值为零，介质阻抗为单位值，则它的方差便等于平均声强：,College of Underwater Acoustic Engineering,11,噪声的基本概念 噪声的频谱分析 噪声声压是一个随机量，与时间量之间不存在确定关系，因此分析噪声声压幅值的频谱没有意义； 随机过程的功率谱函数是一个确定的统计量，反映了该过程的各频率分量的平均强度。 根据信号频谱曲线形状划分： 线谱：数学上能够用傅氏级数来表示，水声中周期、准周期信号的频谱就是线谱信号； 连续谱：频谱分析用傅氏变换来表示，水声中瞬态非周期信号的频谱就是连续谱。,College of Underwater Acoustic Engineering,12,噪声的基本概念 噪声的频谱分析 声强平均频谱密度 声强频谱密度函数 带宽内的总声强： 提示：连续谱某确定频率分量上的声强贡献无限小。,College of Underwater Acoustic Engineering,13,噪声的基本概念 噪声的频谱分析 海洋环境噪声级 假设水听器工作带宽内噪声谱为 、且其响应是均匀的，则有： 因此有 提示：水下噪声是多种噪声源的综合迭加，每种噪声源的激励不尽相同，因此，它可能是线谱，也可能是连续谱，甚至是两种的迭加。,College of Underwater Acoustic Engineering,14,噪声的基本概念 水下噪声的指向性特性 水下噪声具有指向性 原因：噪声源具有指向性、噪声源空间分布、海洋传播条件等。 提示：工程上将噪声视为各向同性的，便于处理。 常识：海面噪声（风浪噪声）垂直指向性； 远处航船的辐射噪声水平指向性。,College of Underwater Acoustic Engineering,15,海洋环境噪声 海洋环境噪声也称自然噪声，研究环境噪声的目的：解决NL及其时空统计特性与环境因素之间的依赖关系，找出其规律，并由此作出必要的预报，为声纳设备设计、制作提供必要的数据。 深海中的环境噪声源 从低频到高频次序讨论噪声源及其特性： 潮汐和波浪的海水静压力效应 潮汐和海面波浪是海洋内部海水静压力变化的原因，它们是低频噪声源。,College of Underwater Acoustic Engineering,16,海洋环境噪声 深海中的环境噪声源 地震扰动 地震是海洋中的极低频噪声源。 海洋湍流 湍流产生噪声的方式： 湍流使水听器、电缆等颤动或作响自噪声（不是自然噪声）； 湍流压力变化辐射噪声四极子源，随距离迅速衰减，不是主要源；湍流区内部压力的声效应。海洋湍流是海洋中的低频噪声源。,College of Underwater Acoustic Engineering,17,海洋环境噪声 深海中的环境噪声源 行船 行船是50Hz500Hz频率范围内的主要噪声源，与风和天气无关。 海面波浪 海面波浪噪声是500Hz 25000Hz频率范围内的噪声 源，与海况直接相关。 Kundson海洋环境噪声谱,College of Underwater Acoustic Engineering,18,海洋环境噪声 深海中的环境噪声源 热噪声 海洋分子的热噪声限制水听器的高频灵敏度，等效热噪声谱级： 式中，DI为指向性指数，单位dB； E为转换效率，单位dB； f 为频率，单位kHz。,College of Underwater Acoustic Engineering,19,海洋环境噪声 深海环境噪声谱 Wenz谱级图：在一般 情况下，它能够比较细致 地描写出环境噪声的普遍 规律性，被认为最具代表 性的深海噪声谱曲线。,College of Underwater Acoustic Engineering,20,海洋环境噪声 深海环境噪声谱 深海环境噪声谱的例子 如右图，谱由斜率不同的 五部分组成，解释如下： 1）1Hz以下，这段谱至今 还不为人所知。估计该噪 声来源于海水静压力效应 或是地球内部的地震扰动。,College of Underwater Acoustic Engineering,21,海洋环境噪声 深海环境噪声谱 2）谱斜率为-8-10dB/倍频 程，与风速仅有很微弱的关 系，最可能的噪声源是湍流。 3）自然噪声谱变平，远处 行船是主要噪声源。 4）具有-5-6dB/倍频程，噪 声源是不远处的粗糙海面。 5）海水介质分子热运动噪 声，谱线斜率为6dB/倍频程。,College of Underwater Acoustic Engineering,22,海洋环境噪声 深海环境噪声谱 工程上，为预报海洋环境噪声级，需要不同条件下的平均典型自然噪声谱，见下图。 图中画出了不同航 运和风速条件下的预报 用曲线。使用时，选择 适当的航运和风速条件 曲线，和相邻频段的曲 线连接起来，近似地预 报自然噪声谱。,College of Underwater Acoustic Engineering,23,海洋环境噪声 自然噪声的间歇源及自然噪声的变化特性 间歇源的噪声源 1）它是一种暂时存在的噪声源，如能发声的海洋生物、降雨等。 2）海洋生物：甲壳类、鱼类和海生哺乳类特殊的鸣声、嘈杂声等； 3）降雨：提高自然噪声级，与降雨率和面积有关在1kHz10kHz频段接近于白噪声。 变化特性 自然噪声具有易变性。产生原因：噪声源的易变性和传播条件的改变。,College of Underwater Acoustic Engineering,24,海洋环境噪声 海洋环境噪声的振幅分布和空间相关 振幅分布 根据中心极限定理，海洋环境噪声的振幅分布是高斯分布，但在近海面其分布比高斯型尖，原因是噪声源数目不够大。 空间相关性 噪声的空间相关：指海中相隔开的水听器接收到的噪声的乘积对时间的平均。两个相距为 的各向同性单频噪声的相关系数为,College of Underwater Acoustic Engineering,25,海洋环境噪声 海洋环境噪声的振幅分布和空间相关 Cron和Sherman研究了具有 指向性的单频噪声源构成的界面噪声场的相关系数。 （B. F. Cron, C. H. Sherman. Spatial-correlation functions for various noise models. J. Acoust. Soc. Am.,1962,34(11)。 当 时， 当 时，水平方向： 垂直方向：,College of Underwater Acoustic Engineering,26,海洋环境噪声 海洋环境噪声的振幅分布和空间相关 海面粗糙度形成的噪声场具有 的指向特性。单频各向同性噪声和辐射特性为 的面声源噪声空间相关系数曲线如下图：,College of Underwater Acoustic Engineering,27,海洋环境噪声 深海环境噪声的指向性 深海自然噪声具有指向性： 低频噪声来自远处水平指向性 高频噪声源来自顶部的海面垂直指向性 提示：海面辐射噪声具有 的指向特性（噪声源和海面上虚源干涉效应引起的）。,College of Underwater Acoustic Engineering,28,舰船和鱼雷的辐射噪声 舰船、潜艇和鱼雷的辐射噪声是被动声纳系统赖以探测、跟踪的信号。 舰船辐射噪声的危害： 破坏了舰船的隐蔽性； 可能引爆某些水中兵器； 干扰本舰的水声设备（自噪声）。 舰船、鱼雷辐射噪声特点 噪声源繁多、集中，噪声强度大，频谱成分复杂。,College of Underwater Acoustic Engineering,29,舰船和鱼雷的辐射噪声,College of Underwater Acoustic Engineering,30,舰船和鱼雷的辐射噪声,College of Underwater Acoustic Engineering,31,舰船辐射噪声的声源级和噪声谱 舰船辐射噪声声源级 在远场测得噪声级后，再修正传播损失，归算到离声源声中心1米处，并计算出1Hz带宽内的声强，则声源级（谱级）为： 式中， 是换能器工作带宽， 为参考声强， 为距声源声中心1米处的噪声声强。,College of Underwater Acoustic Engineering,32,舰船辐射噪声的声源级和噪声谱 噪声谱基本类型 连续谱； 线谱； 舰船辐射噪声为线谱和连续谱的迭加。,College of Underwater Acoustic Engineering,33,舰船辐射噪声源及其一般特性 舰船辐射噪声源分为三大类 机械噪声 主机：柴油机、主电动机、减速器 辅机：发动机、泵、空调设备 螺旋桨噪声 螺旋桨空化 螺旋桨叶片振动 水动力噪声 水流辐射噪声；空腔、板和附件的共振；支柱和附件的空化,College of Underwater Acoustic Engineering,34,舰船辐射噪声源及其一般特性 机械噪声 机械噪声是航行或作业舰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。 产生机理： （1）不平衡的旋转部件（电机电枢等）； （2）重复的不连续性（齿轮、涡轮机叶片等）； （3）往复部件（汽缸的爆炸）产生线谱噪声，其成分是振动基频及其谐波分量 （4）流体空化和湍流及排气（泵、管道、凝汽器等）； （5）机械摩擦（轴承等）产生连续谱噪声。,College of Underwater Acoustic Engineering,35,舰船辐射噪声源及其一般特性 机械噪声 结论： （1）舰船辐射噪声为强线谱加弱连续谱的迭加，与舰船航行状态及机械工作状态密切相关，一般较复杂、多变； （2）机械噪声是舰船辐射噪声低频段主要成分。 螺旋桨噪声 螺旋桨噪声：螺旋桨空化噪声和螺旋桨叶片振动辐射噪声。,College of Underwater Acoustic Engineering,36,舰船辐射噪声源及其一般特性 螺旋桨噪声 螺旋桨空化噪声 螺旋桨旋转时，叶片尖上和表面上产生空化。,Blade Tip Cavitation,Sheet Cavitation,College of Underwater Acoustic Engineering,37,舰船辐射噪声源及其一般特性 螺旋桨噪声 螺旋桨空化噪声 1）螺旋桨空化噪声是舰船辐射噪声高频段主要成分，且为连续谱，其典型频谱如下图。,College of Underwater Acoustic Engineering,38,舰船辐射噪声源及其一般特性 螺旋桨噪声 螺旋桨空化噪声 2）频谱特点：在高频段，谱级随频率以6dB/Oct斜率下降；在低频段随频率增高而增高；谱峰（100Hz1000Hz）随航速和深度而变化，当航速增加和深度变浅时，谱峰向低频移动。 3）原因：高航速和浅深度时，易产生空化气泡，产生低频噪声，使谱峰向低频端移动。,College of Underwater Acoustic Engineering,39,舰船辐射噪声源及其一般特性 螺旋桨噪声 螺旋桨空化噪声 1）空化噪声产生条件：航速大于舰船临界航速。,College of Underwater Acoustic Engineering,40,舰船辐射噪声源及其一般特性 螺旋桨噪声 螺旋桨空化噪声 2）螺旋桨空化噪声与航速关系： a）航速低于临界航速，空化噪声级很低（未发生空化）； b）航速增大至临界航速，空化噪声级急剧增大（空化发生、发展）； c）航速继续增大，空化噪声级基本趋于稳定（空化充分）。,College of Underwater Acoustic Engineering,41,舰船辐射噪声源及其一般特性 螺旋桨噪声 螺旋桨空化噪声 3）螺旋桨空化噪声与航深关系： a）航行深度增加，临界航速提高，空化噪声级增加。 4）螺旋桨空化噪声还与其它因素有关，例如螺旋桨损坏、加速、转向等因素。 常识：水面舰船的螺旋桨空化噪声航速关系不是S形，关系复杂。,College of Underwater Acoustic Engineering,42,舰船辐射噪声源及其一般特性 螺旋桨空化噪声,College of Underwater Acoustic Engineering,43,舰船辐射噪声源及其一般特性 螺旋桨噪声 螺旋桨唱音 螺旋桨唱音是螺旋桨叶片拍击、切割水流而引起的，也称为旋转噪声，它为线谱噪声分量。其频谱的频率： 式中，n是螺旋桨叶片数；s是螺旋桨转速；m是谐波次数。 螺旋桨唱音是潜艇低频段（1100Hz）噪声的主要成分。 常识：频谱特性是声纳识别目标和估计目标速度的依据。,College of Underwater Acoustic Engineering,44,舰船辐射噪声源及其一般特性 螺旋桨噪声方向性 船首和船尾方向比正横方向辐射的噪声小；在船首船尾方向成30o角度内，指向性凹进去，船首方向比船尾方向凹进略少些。,College of Underwater Acoustic Engineering,45,舰船辐射噪声源及其一般特性 水动力噪声 水动力噪声是由不规则的、起伏的海流流过运动船只表面而形成的，是水流动力作用于舰船的结果。产生机理： 1）水流激励壳体振动或壳体上某些结构（叶片、空穴腔体等）共振； 2）湍流附面层产生的流噪声（粘滞流体特性）； 3）航船拍浪声（船首、船尾）、船上循环系统进水口和排水口的辐射噪声。,College of Underwater Acoustic Engineering,46,舰船辐射噪声源及其一般特性 水动力噪声 根据布洛欣采夫理论，水动力噪声强度主要与航速有关： 式中，k为常数，v是航速，n是与航船水下线形等因素有关的一个量。 提示：一般情况，舰船水动力噪声小于机械噪声和螺旋桨噪声。,College of Underwater Acoustic Engineering,47,辐射噪声源概要 舰艇的辐射噪声主要噪声源是机械噪声和螺旋桨噪声，二者贡献的大小取决于频率、航速和航深。对于给定的航速和航深，存在一个临界频率，低于此频率时，谱的主要成分是机械和螺旋桨的线谱；高于此频率时，谱主要成分是螺旋桨空化的连续谱。 提示：通常舰艇的临界频率为100Hz1000Hz，取决于船的种类、航速和航深。鱼雷的临界频率比较高（机械速度高）。,College of Underwater Acoustic Engineering,48,舰船、潜艇、鱼雷的辐射噪声级 教材中所列的数据是第二次世界大战期间的舰船辐射噪声水平，现代的舰船辐射噪声水平明显低于教材所列的数据，但教材所介绍的辐射噪声级随航速变化规律具有普遍性。,College of Underwater Acoustic Engineering,49,舰船、潜艇、鱼雷的辐射噪声级,College of Underwater Acoustic Engineering,50,舰船、潜艇、鱼雷的辐射噪声级,College of Underwater Acoustic Engineering,51,辐射噪声的测量 测量方法：让被测船航行通过远处的测量水听器来实现测量。 按照测量水听器、设施布放方式：固定式和活动式。 水听器阵形式：潜艇和鱼雷深海（海深大于60米）、垂直阵；水面舰船浅海（海深大于30米）、水平阵。,College of Underwater Acoustic Engineering,52,辐射噪声的测量 用于测量辐射噪声的水听器布设,College of Underwater Acoustic Engineering,53,辐射噪声的测量 辐射噪声通常以1Hz带宽内谱级表示，但对于测量仪器设备工作带宽为W，该带宽内噪声级为BL，则1Hz带宽内的谱级为BL-10lgW。 提示：上述噪声为白噪声，如果被测带宽内有线谱噪声，则该归算方法不再适用。 通常测量是在远场，一般按照球面波扩展规律进行修正，归算到离声源声中心1米处。因此，需要精确知道水听器与被测舰船之间的距离，一般采用同步钟测距装置（主动声纳）。,College of Underwater Acoustic Engineering,54,辐射噪声的测量 目前，舰船辐射噪声测量是一项专门测量技术，随着潜艇隐身技术水平的提高，对测试技术和设备提出更高的要求。国内有多家单位从事这方面的研究工作。,College of Underwater Acoustic Engineering,55,辐射噪声的测量,澳大利亚安静潜艇辐射噪声测量系统SAUR,College of Underwater Acoustic Engineering,56,辐射噪声的测量,美国潜艇辐射噪声测量系统（高增益系统）,College of Underwater Acoustic Engineering,57,辐射噪声的测量,美国潜艇辐射噪声测量系统,College of Underwater Acoustic Engineering,58,辐射噪声的测量,美国PSI潜艇辐射噪声测量系统(PVLAMS垂直阵),College of Underwater Acoustic Engineering,59,舰船自噪声源及其一般特性 自噪声是本舰声纳的一种特殊干扰背景，表现为声纳方程中的NL，是舰船上各种声源产生的。 自噪声与辐射噪声的异同点： 相同点：声源基本相同； 不同点： 1）在声纳方程中的作用不一样，辐射噪声为SL，自噪声为NL； 2）自噪声的传播路径复杂，而且可变； 3）自噪声为近场噪声，辐射噪声为远场噪声。,College of Underwater Acoustic Engineering,60,舰船自噪声源及其一般特征 噪声源：机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声。水动力噪声，特别是流噪声，对声纳设备的影响是十分严重的。 机械噪声和螺旋桨噪声 它们是自噪声的主要声源。 机械噪声：是噪声低频段的单频分量，在低速航行时，舰船的辅机是主要的自噪声源，与航速几乎无关。 螺旋桨噪声：在高航速、高频/浅海和艇尾方向，它才是主要自噪声源。,College of Underwater Acoustic Engineering,61,舰船自噪声源及其一般特征 水动力噪声 水动力噪声：水流流经水听器、水听器支架座和船体外部结构所形成的噪声源，如湍流附面层水听器上产生湍流压力、流激壳体振动、空化和涡流辐射噪声。水动力噪声随速度增长快。 流噪声（一种特殊的水动力噪声）：是由水听器附近的湍流附面层中的湍流作用在水听器表面上的压力。为了减小流噪声的干扰，一般安装流线型导流罩，降低水流的直接撞击和防止空化噪声的产生。,College of Underwater Acoustic Engineering,62,舰船自噪声源及其一般特征 水动力噪声 一般声纳设备安装在舰首，海水波浪冲击船身形成自噪声，它随航速增大很快。综上所述，舰船自噪声与航速密切相关，见下图。,College of Underwater Acoustic Engineering,63,自噪声的传播路径 自噪声是近场噪声，传播路径复杂而多变。船壳传递、水中直接路径、散射体反射、海底和海面的反射等路径。 自噪声级 教材中所列的数据是二次世界大战期间的舰船自噪声水平。 舰船自噪声的测量 由于自噪声的声源众多、路径复杂多变，声场不稳定，因此准确测量自噪声比较困难。测量结果与水听器安装位置、安装方式及其指向性有关。,College of Underwater Acoustic Engineering,64,自噪声级 参考数据取自二战时期的测量结果。 舰船自噪声的测量 为使用上的方便，引入等效各向同性自噪声级：用无指向性水听器测量结果表示舰船自噪声级。设指向性水听器测得声级为 ，则等效各向同性自噪声级NL： 提示：两种水听器的灵敏度必须相等。,College of Underwater Acoustic Engineering,65,舰船噪声控制方法分类 降低舰船噪声，一方面提高舰船自身的隐蔽性，另一方面提高舰载声纳的作用距离，从而可以提高舰船的对抗能力。 按照控制对象的不同，可分为： 主动噪声控制声源，是控制和降低舰船噪声最根本/最积极方法；措施改进机械设计、采用合理的机械结构、改革工艺和操作方法、提高加工精度和装配质量等。 被动噪声控制传播途径，措施采取阻尼、隔振或减振的办法、采取吸声结构、对螺旋桨噪声采用屏蔽罩等。,College of Underwater Acoustic Engineering,66,机械噪声的控制 常规舰艇的主要源：主机、辅机； 核动力潜艇的主要源：齿轮变速箱、循环水泵等。 控制措施： 设计合理的机械结构； 改善机械的工作状态； 避免结构共振； 完善机械制造工艺，提高加工精度； 提高安装精度，严格操作规程，注意维护保养。,College of Underwater Acoustic Engineering,67,螺旋桨噪声的控制 控制螺旋桨空化最根本办法是避免或推迟空化现象。采取措施： 采用正反螺旋桨，减小尾流的旋转，降低水动力噪声； 增大螺旋桨盘面比，减小负荷强度；增大螺旋桨直径，减低螺旋桨转速，使负压区推迟出现或压差变小，推迟空化的产生； 增加螺旋桨叶片数，使水趋于均匀，负压减小，推迟空化产生； 螺旋桨叶片上大孔，改变螺旋桨的几何参数；,College of Underwater Acoustic Engineering,68,螺旋桨噪声的控制 使船尾有良好线型，可以改善叶片上的压力、速度分布，推迟空化产生。 控制螺旋桨唱音根本办法 增加桨叶阻尼，减小振动或改变螺旋桨的固有频率，避免共振； 采用高阻尼合金材料制造螺旋桨，可以消除螺旋桨产生唱音。,College of Underwater Acoustic Engineering,69,水动力噪声的控制 控制水动力噪声的措施 改进舰船船体线型；保持水面舰船船体光滑，潜艇长宽比适当：78，艇外形呈水滴形、拉长水滴形； 减少艇体上不必要的开孔和突出物； 将艇体尾部与螺旋桨设计同轴的回转体，推迟空化产生。 提示：为减小水动力噪声，一般声纳安装在流线型导流罩内，导流罩用橡胶制作，并用钢板加固。设计要求：透声性能要好，有足够机械强度，良好的流线型。,