（水声工程专业论文）典型舰船辐射噪声建模与仿真.pdf

西北工鲰太学项士学位论文 a b s t r a c t u n d e r w a t e ra c o u s t i cm o d e l sa r en o wr o u t i n e l yu s e dt of o r e c a s ta c o u s t i cc o n d i t i o n s f o rp l a n n i n ga t - s e ae x p e r i m e n t s ，d e s i g n i n go p t i m i z e ds o n a rs y s t e m sa n dp r e d i c t i n g s o n a rp e r f o r m a n c ea t s e a m o d e l i n g h a sb e c o m et h ec h i e fm e c h a n i s mb yw h i c h r e s e a r c h e r sa n da n a l y s t sc a ns i m u l a t es o n a rp e r f o r m a n c eu n d e rl a b o r a t o r yc o n d i t i o n s t h ec h a r a c t e ro ft y p i c a lr a d i a t i o nn o i s ef r o mv e s s e l si ss t u d i e di nt h i sp a p e r a d a p t i v e f i rf i l t e ri sa p p l i e dt os i m u l a t et h i sn o i s ei nc o m p u t e ra n dt e s ta n dv e r i f ye f f e t i v i t ya n d p r a c t i c a b i l i t yo ft h i sm e t h o dw h i c hc a ns i m u l a t ew i d e b a n dr a d i a t i o nn o i s ea n dt e s tt h e p e r f o r m a n c eo f p a s s i v e s o n a rs i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m 强em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h eh i s t o r ya n dp r e s e n ts t a t eo ft y p i c a lr a d i a t i o nn o i s ea r ep r i n c i p a l l ye x p l a i n e d ， t h ep u r p o s ea n dc o n t e n t sa r ea l s oe x p l a i n e d ，i no r d e rt h a tb a s i cu n d e r s t a n d i n gf o rs h i p r a d i a t i n gn o i s ei sm a d ed e a rb y u s 2 。t h em e c h a n i s mo fp r o d u c t i o n ，p r o p e r t ya n dc o n s t i t u t i o nf o rs h i pr a d i a t i n g n o i s ea r ea n a l y s e d b a s e do ns h i pr a d i a t i n gn o i s e ，t h e o r yo fs i m u l a t i o na n dm o d e l i n go f s h i pr a d i a t i n gn o i s ea r ep r o v i d e d 3 b u i l d i n gt h ee m p i r i c a lm o d e lo fs h i pr a d i a t i n gn o i s e f i r s t l y c l a s s i cr o s s e m p i r i c a lm o d e li sp r o v i d e d ，a n dh i s t o r yu s i n gi ss e tf o r t h ，a 1 1i m p r o v i n gm o d e ln a m e d r si sb u l l d t 4 s i m u l a t i n gt h es h i pr a d i a t i n gn o i s e w i d e b a n dn o i s eo fo c e a n i ss i m u l a t e db y f i ra d a p t i v ef i l t e r ，t h e na l li m p r o v e df i ra d a p t i v ef i l t e rc a ns i m u l a t es h i pr a d i a t i n g n o i s e ，t h er e s u l to fs i m u l a t i o ni sa p p r o x i m a t e t ot h er e a ls p e c t r oo fs h i pr a d i a t i n gn o i s e - k e vw o r d s ： t y p i c a lr a d i a t i o nn o i s e m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n r o s se m p i r i c a lm o d e l a d a p t i v ef i r f i l t e r i i 第一幸绪论 第一章绪论 1 1 本文所研究问题的历史及现状 水下声学主要涉及到反映水下特征、经由水下波导进行信息通讯以及测量海 洋特性的声学方法的发展和应用。从某种最基本的意义上来说，建模是通过观察 累积的知识或者从潜在的原理中推导出的知识组织起来的- l b 方法，仿真指的是 在时间域上应用一个模型的方法。 从历史角度来看，声呐技术人员开创了水下声学模型的发展并进一步提高了 声呐系统的设计和评估的努力，主要是为了支持海军作战使命。而且这些模型是 用来训练声呐操作员，评估舰队需求，预测声呐性能，发展新的战略。 水下声学模型现今通常用于预报海上试验计划和设计最优声呐系统的声学环 境以及预测海上声呐性能。建模业已成为研究者和分析家在实验室条件下模拟声 呐性能的主要方法。建模能够提供一种有效的方式，h t 女l l 在不同的试验环境下可 以参变量地研究假设的声呐设计性能，同时也可以在不同的海域和季节估计已经 设计好的卢呐性能。 物理模型和数学模型的区别，二者主要是：物理模型指的是在海洋中发生的 物理过程的理论性或概念性的描述，术语“分析模型”有时也是同一个概念：数 学模型既包括经验模型( 这是以观察得来的) ，也包括数值模型( 这些是建立在以 依据物理的数学描述上) 。还有模拟模型，指的是在水箱里应用相近的海洋比例来 控制声学试验。 海洋噪声的数学模型可以分成两种：环境噪声模型和波束噪声统计模型。环 境噪声模型通过来一个声学接收器来预报各种各样的噪声平均级，这些噪声包括： 海面气候、生物和各样的商业活动如舰船航行和油井钻探的噪声；波束噪声统计 模型是对专门用于大口径、窄波束的被动声纳系统来预报低频段舰船噪声的性能 的模型。这样的模型是使用分析( 推导) 或者仿真( 归纳) 来对波束噪声进行统 计描述。 水下噪声的数学模型能够预测噪声的级别和方向( 水平的和垂直的方向) ，这 样的噪声是被当作频率、深度、地理位置和时间的函数。上述两类的噪声模型都 西北工业大学硕士学位论文 包括两部分：传播损失t l 以及噪声级大小和方向。原则上来看，t l 也可以在噪 声模型里计算也可以从外边独立的模型输入或者现场测量获得的数据输入来。环 境噪声模型把噪声源当作可变的大区域的密度分布，这近似于风产生的噪声和远 处舰船的噪声。结果是，t l 的计算就是距离平均意义上的结果，这就会降低精度。 相应的是，波束噪声统计模型把各种噪声源当做离散的噪声源，因此需要计算点 到点的t l 表达。 环境噪声构成了整个被动监视系统最基本的限制。在各种不同的环境噪声中， 舰船在频带5 h z 到5 k h z 是主要的噪声源。在这个频带内，舰船辐射噪声比本地的 风噪声级最高要达到4 0 d b 。 任何舰船在运动过程中部要产生噪声，这个声音在水量向周围传播，就形成 了舰船声场。舰船由于在其上安装的机械的运转和其本身的运动不可避免地也会 在周围介质中产生噪声。舰船噪声，在水介质中产生的噪声称之为舰船水噪声， 这种噪声，虽然不是作为环境公害被人们普遍重视，但却受到海军人员和海洋学 者的特别关注。因为声波是目前在海洋中唯一能够远距离传播的最有效的能量形 式，所以舰船水噪声对舰船的生存和武器装备性能有重大影响，是舰船隐蔽性的 重要指标，对潜艇而言，噪声破坏了它的隐蔽性，这种危害几乎是致命的。另外， 海洋环境噪声对鱼类等海洋生物的生态环境有影响，这是海洋学者所关心的，而 舰船噪声是海洋环境噪声的重要组成部分。 对于舰船辐射噪声的仿真和模拟，经验回归方程有时会只能满足较低的逼真 建模要求，较低的原因是由于没有考虑到噪声源的方向性以及缺乏时间和空间的 精度。 s a d o w s k i 等人( 1 9 8 4 ) 评估了经验回归方程，这样回归的方程应用于对1 0 0 k h z 以下的平均环境噪声谱的估计，这样的噪声源包括来自海洋湍流、舰船交通、表 面气候( 雨和风) 以及分子的运动。r o s s ( 1 9 7 6 ) 把这样的回归方程应用到舰船 辐射噪声级别。 利用在1 9 8 6 1 9 9 2 年间收集到的2 7 2 艘舰船的辐射噪声测量结果，w a l e s 和 h e i t m e y e r ( 2 0 0 2 ) 更新了r o s s 在1 9 7 6 年的舰船辐射噪声的回归方程。r o s s 在他 的文章里认为单艘舰船的辐射噪声源级谱与一种基线谱成比例的，这种比例常数 是舰船的速度6 倍和舰船长度的2 倍指数关系所决定的。但是w a l e s 和h e i t m e y e r ( 2 0 0 2 ) 重新分析了频率范围在3 0 1 2 0 0 h z 的单艘舰船噪声谱，并提出了一种改 进的有理谱。在高频段( 4 0 0 1 2 0 0 h z ) ，大部分单谱显示出在频率上是一个幂指数 2 - 第一章跨论 近似为2 的关系，但是低于4 0 0 h z 以下，幂指数就稍微盟得比较复杂不同。 b 精d l e y 帮b f a d l e y ( 1 9 8 4 ) 箍密了更精细的经验模登翻圭| 垂瑾物理环境噤声模黧。 这种模型提供了在频率惜2 5 h z + 1 5 k h z 上对季节性深海环境噪声级别和任意方向性 缝噪声潦信诗。这样的模垄建立在鼹耱弱风噪声耱匿鬃数器瘴熬基碴上。这样的 模型假寇接收器都在水”f1 0 0 米左右，并且忽略任何深度变量。h a m s o n ( 1 9 9 7 ) 在 颓蒂( 5 0 3 0 0 0 h z ) 上应焉这铎耱技术对藤器秽菇噪声建穰。h a r r i s o n ( 1 9 9 6 ) 在 与距离无关的海洋环境熙使用了一种简单的射线方法辩乏逼近噪声级和相干性。 a l v a r e z 等人( 2 0 0 1 ) 在频繁1 0 2 0 0 0 h z 上倭爝基予遗传算滚豹方法浓磷究努溅量懿永 下环境噪声的物理特性，通过分析得出，部分是由舰船辐射噪声所构成的。 1 2 本文研究的目的和意义 壬傍怒躲在运凌过程中都要产生漾声，这个声音在承里囊躅毽蕊攒，裁形戏 了舰船声场。舰船由于在其上安装的机械的运转和其本身的运渤不可避免地也会 在周曩余震中产生噪声。因为声波是强翁在海涔中唯一能够远疑褰转掇浆最煮皴 的能量形式，所以舰船水噪声对舰船的，生存和武器装备性能有臌大影响，是舰船 隐蔽性熬重要援括。魏艇声特筑仿真模数技术怒最重要豹承声欤对抗鼓术之一， 是声诱饵的关键技术。舰船声特征仿真模拟主臻是研究和分析舰船的声学特征， 势s 够邋宾地将这些特 燕模拟出来，达到诱骗焦霉积声绒的曩鹣。同时叛型的声 呐系统需要具有越来越高的信母和数据处理能力。在声呐信号处理算法设计研究 的过程中，惹要利用数据来测试信号处理算法。数据可以是计簿飒仿真数据，也 w 以是赢接采集的数据。计算机仿真的数据与真实采集数据相比，具有很多优点： ( 1 ) 可以预先知道数据的某些特征参数，可用来校准信号处理算法的参数；( 2 ) 成本较低，可以在系统建立之前进行实验室模拙。因此很有必鬻设计髋船信号模 拟器，柬检验被动声呐信号处瑗算法性能。而髓着新型的声呐信号处理方法的出 现，需餮模拟器能尽可能真实魄对水听器接收到的舰船信号进行模拟。 1 。3 本文主要王 乍 本文燕点工作在于舰船辐射噪声的建模和模拟上。本文拟采用经验模式来建立 舰船水下辐射嗓声数学模鍪，是由于舰船辐射嗓声的特鬣模鍪霞蓊还缺笺大量的谚 理学和水声学理论的详细描述，因此采用此方法，r o s s 认为一艘舰船的辐射噪声声 源谱同它的基线谱是成魄铡酶，这种眈翻常数又由蕊速籀船长幂指鼗关系所决定 * 3 西北工业大学硕士学位论文 的，而船速和船长这些参数可以很方便地获得，这就是著名的r o s s 的经验模式【2 j 。 然而在实际的应用 3 】中我们发现：利用r o s s 提出的经验公式所计算得到的声源谱级 在对单独船只的宽带声源级分析时会产生很大的均方误差，而且还会过高估计了整 个总源谱的声源级变化。这主要是因为在很大程度上声源级同船速和船长的相关性 很微弱。由此改进了r o s s 提出的经验模型，这种改进后的模型我们称为合理谱模 型，即r a t i o n a ls p e c t r u mm o d e l ，英文简写为r s 模型，这种r s 模型可以极大地减 小均方误差。最后，提出一项r s 模型的联合概率密度分布，这种概率密度分布既 可以准确地仿真单独舰船的辐射噪声谱，也可以提供仿真总舰船噪声源谱的方法。 通过设计自适应频率响应f i r 滤波器，使其幅频响应满足舰船辐射噪声谱形状， 从而模拟出要求的舰船辐射噪声。对于单艘舰船的辐射噪声谱的线谱部分，我们是 这样模拟线谱的：由随机和确定两部分组成。确定性部分是把频率分别等于螺旋桨 速率和它的各次谐波频率的正弦波叠加而得到，随机部分采用高斯随机数通过带通 滤波器，中心频率也是螺旋桨速率和它的各次谐波的频率。 因此本文的主要研究工作包括： 第一章为绪论，主要介绍了舰船辐射噪声建模和仿真的历史和现状以及本研究 的目的和意义和内容，使对舰船辐射噪声建模和仿真有初步的认识。 第二章分析舰船辐射噪声的产生机理、特性、构成。通过对舰船辐射噪声谱的 分析，对建模和仿真有了理论上的依据。 第三章舰船辐射噪声的经验模型的建立。先提出r o s s 的著名的经验模型公式， 阐述公式在历史上的作用，然后提出r s 模型建模过程和结果。 第四章舰船辐射噪声的模拟。先用f i r 自适应滤波器对海洋宽带噪声仿真，通 过采用改进的f i r 滤波器的设计后对舰船辐射噪声进行仿真，仿真结果与实际舰船 辐射噪声谱比较接近。 第五章总结。 d 第：章舰船辐射噪声的综述 第二章舰船辐射噪声的综述 2 1 引言 舰船由于在其上安装的机械的运转和其本身的运动不可避免地会在周围介质 中产生噪声，这个声音在水里向周围传播，就形成了舰船声场。舰船噪声，包括 在空气介质中和水中产生的噪声。在水介质中产生的噪声称之为舰船水噪声，这 种噪声，虽然不是作为环境公海被人们普遍重视，但却受到海军人员和海洋学者 的特别关注。因为声波是目前在海洋中唯一能够远距离传播的最有效的能量形式， 所以舰船水噪声对舰船的生存和武器装备性能有重大影响，是舰船隐蔽性的重要 指标，对潜艇而言，噪声破坏了它的隐蔽性，这种危害几乎是致命的。另外，海 洋环境噪声对鱼类等海洋生物的生态环境有影响，这是海洋学者所关心的，而舰 船噪声是海洋环境噪声的重要组成部分。 舰船水噪声分为舰船辐射噪声和舰船自噪声。舰船辐射噪声是由舰船上机械 运转和舰船运动产生并辐射到水中的噪声，它是由离开舰船一定距离的水听器接 收到的舰船噪声。舰船辐射噪声是被动声探测装置的“信息源”，是舰船隐蔽性重 要指标之 ，用以评价本舰招致声呐探测和水中兵器攻击的危险性。舰船自噪声 是安装在舰船船体某部位上的全向水听器接收到的由于舰船自身动力装置、设备 和船体运动所引起的水中噪声，它是由舰船( 含设备) 自身决定的参数，是在舰 船上安装的各种声呐及水声设备的干扰源之一。 舰船噪声，通常都认为是由机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声三部分叠加 而成，其形成机理在下面相应的章节中详述。 在水声学中，将设备、介质和目标参数联系在一起的最基本关系式，称之为 声呐方程。利用声呐方程，可对已有的声呐及其它水声设备预报最大作用距离， 或根据预定的作用距离，设计新的声呐和水声设备。声呐方程分为主动声呐方程 和被动声呐方程。 合置式主动声呐方程为： 乩一2 死+ 嬲= 咒d ，+ d 丁 ( 2 1 ) e 2 皿+ t s = r l + d r( 2 - 2 ) 蹲托工韭太学硕士论文 其中，式f 2 一1 ) 邋用蜚景干扰是噪声的憾况，式( 2 2 ) 适用背景于抗是混晌的情况。 式中驻楚声呐设备的发射器声滚级：n l 是声# 蠹囊碟声级，或拣蜚景噪声级，是 声响基阵输豳端的所有噪声的总和，包括由海洋环麓噪声珏及舰艇幂拜设备等产生 的自噪声；抛楚声波在海水介质中的传播损失：裕逶被测舀称的目标强度；d t 是 声呐设备的接收指向性指数；r 己是海水介质的混响级；d t 是声呐设备的检测阀。 被动声呐方程是： 一强= 舭，+ d 丁 ( 2 3 ) 式中龆是被测龌挺( 热舰勰) 匏声源级；其余 学号数意义同式( 2 。1 ) 。 兢虢辐射嗓声楚上述声镌方程中鼢重要参数，它对声呐性能产生熏太影确。 当设备参数和海洋介磺特性一定时，在式f 2 1 ) 中，主动声响的探测髓力由被探测 舰船的目标强度哪和声响自嗓声级，或称背景噪声级n l 决定，而在式( 2 3 1 中， 被动声呐的探测能力由描述被探测舰船辐射噪声大小的声源髓和声呐自噪声级 n l 决定。出此可见，舰船辐慰噪声是对方声呐的“信息源”，它会把自己的存在 暴露给对方，是破坏舰鼹隐身燃能豹主要因素，对潜艇来说这几乎是致俞的。另 外，参加编虢的瓶船辐射嗓声逡会铰龀楣互干扰声嫡帮其它承声设备豹王终。勰 舟待辐射噪声特性的研究主要有两方面的应用：充分利用对方舰船辐射噪声特性， 提高被动声呐和被动声自导鱼霄及水霄声引信装置的性能；有效控制舰船辐射 噪声特性，提高舰船声隐蔽性。 2 2 舰船辐射嗓声的声源级和频谱 舰船在航行或作渡辩，出予榷避器和各耱掇械的运动产生约振动通过船体肉 水中辐射的声波就是舰船的辐射噪声。辐射嗓声静大，j 、常使翔声源级来表示，它 定义为水听器声轴方向上距源的声学中心l m 她的声强与参考声强之院的分炎数。 事实上，声源级的测詹总是在离潜艇定距离处测得的，使其其有远场的辐射特 性。在远场测褥的声源级，经修正传播损失，归算到离声中心l m 处，再计算出 i h z 带宽凌豹声强。邀下式可以愿望4 辐射噪声源的声源级 融= m t 。g 刍 ( 2 4 ) 式中，惩处理带宽；矗最参考声强，它建声压为t 弘毪韵平谣波的强度；知是躐 噪声声源声中心l m 处的噪声声强。 事实上辐射噪声的声源级是舰船安静化程度的一种简便表示，当为了观测舰 第= 幸舰辩辐射噪声均拣述 船辐射噪声在整个频段上的分布情况时，就必须借助噪声的频谱分析。噪声谱有 嚣释不瓣载类型：一秽蹩骞连续潜靛宽爨噪声，英噪声级是频搴戆连续交数；隽 类是具有非连续谱的单频噪声，这种噪声由出现在离散频率上的线谱组成。对 于觏躲瓣辐射噪声，宽带连续落分量豹主要寒源是螺旋黎噪声黩撬梭噪声，悉线 谱分量则集中在1 0 0 0 h z 以下的低频端，主要有往复运动的机械噪声、螺旋桨叶片 共摄线谤稠时片速度线港潋及承动力弓| 起豹共掇瑟产生。典型鹣怒簸壤瓣噪声灌 如图2 1 所示，为了便予比较，热型海洋环境噪声也在图2 1 中给出。媳型地，潜 艇辐射嗓声谱级在1 0 0 0 h z 以上飚琏频率嚣寒露以6 d b 每结频程衰减，嚣在1 0 0 0 h z 以下则怒随频率降低而降低。 圈2 ，1 典型的舰船和潜艇辐射噪声谱 2 3 舰船辐射噪声产生的机理 通过舰船辐射噪声大量测量资料的分析和研究，认为舰艇辐射噪声源可以分 为三大类：奴蜮嗓声、螺旋桨噪声和承动力噪声 4 】。在缀大约频率范国内，舰船辐 射噪声幽连续谱噪声和非连续谱单频噪声混合而成，其谱线为线谱和连续谱的叠加 规被噪声是拯在航行或作业射各秘钒城的振动，电船上的器静帆擞设备产生 的噪声，这些机械设备种类繁多，主要脊用于使船舶航行的主机( 往复式发动机、 汽轮机、柴油枫、主电搬、经航电机等) 以及配套的推进装置( 转轴、轴承、减 速器等) ，还有各种辅机( 主发动机、交流机、空调机、通风机、各种泵等) 以及 复杂的镎路、阀f 1 、齿轮箱等。这些机械在运动过程中产生振动，通过底座或支 西北工业大学硕士论文 架传递到船体，从而引起船体振动并向海洋中辐射噪声波。以这种方式产生的噪 声往往含有系统转动频率及其谐波分量的窄带信号。由于务种机械运动形式不同， 它们所产生的水下辐射噪声的性质也就不同：而且这类噪声与舰艇的航行状态以 及机械工作状态密切有关，所以这类噪声的频谱结构比较复杂，而且还是多变的。 机械噪声是舰船辐射噪声低频段的主要成分。 螺旋桨噪声是由旋转的螺旋桨在海水中转动所产生的噪声，包括螺旋桨空化 噪声、螺旋桨旋转和螺旋桨叶片振动所产生的噪声。螺旋桨噪声基本上是螺旋桨 引起的空化。当螺旋桨在水中转动时，其叶片在水中转动时在叶尖和叶片面上会 产生低压和负压区，随着转数的增加，负压增大到一定限度时，水就会破裂产生小气 泡，就是所形成的空穴，稍后这些气泡产生宽带声脉冲，出大量的这种气泡破碎产生 的噪声是一种很响的咝咝声，存在这种噪声时，它往往构成舰船噪声谱高端的主 要部分。由螺旋桨运动形成空穴的产生和破碎称为螺旋桨空化。声就形成螺旋桨 噪声。螺旋桨所产生的空化噪声是舰船辐射噪声高频段的主要部分。因为空化噪 声是由大量大小不等的气泡随机破裂引起的，所以空化噪声有连续谱，其典型的 频谱如图2 2 所示。在高频段，它的谱级随着频率的增高大约以6 d b 倍频程的斜 率下降；在低频段则随频率的增高而增高。因此，谱线形成一个峰，这个峰通常 在1 0 0 h z l k h z 十倍频程内，而且随航速和深度而变换，如图2 2 中的箭头表示 了这种规律。由图可知，当航速增加和深度变浅时，峰向低频端移动，这是因为 在高航速和浅深度情况下，容易产生大的空化气泡，因而产生大量低频噪声，使 1 4 谱峰向低频端移动。 鐾 銎 l ol i 伸0 j 僦) 0 氟：i 【千蜘 图2 2空化噪声谱随航速和深度的变换关系 8 - 第= 章舰船辐射噪声的综述 我们知道随着舰船航速的增加，有一个螺旋桨开始空化的航速，此时船的高 频辐射噪声突然增大，这个速度称为舰船的临界航速。在二战中测得，当潜艇在 潜望镜深度工作时，临界航速在3 至5 节之间。在6 节和6 节阻上，螺旋桨空化已经 很充分；当航速较之临界航速足够高时，空化噪声随航速增加得比较慢。产生空 化的舰船噪声航速关系曲线成s 状，见图2 3 ，当航速高于临界航速数节时高频 噪声陡增2 0 至5 0 分贝。航速再增大，则增长缓慢，增长率约为1 5 至2 0 分贝节。 可以推测，在高航速下曲线的变平是由于自熄效应或者说是空化气泡层内部的吸 收效应之故。水面舰船的噪声航速关系曲线则不具有s 状，虽然随航速而增大， 但增长规律不易描述。 霉 括 未 曼 h _ 篱 孽 葛 嘟 皇 氍 第二次世再太战时训街的工作在 漕望镜深度潜艇的竟带辐射 声由2 00 码处的戢据折算到 码 处的 图2 3 第二次世界大战测得的潜艇的宽带辐射噪声 潜艇下潜到较大的深度时，空化噪声被抑制，临界航速提高，这种效应早己 被潜艇艇员所熟知，并作为避免被探测的一种措施。由简单的流体力学理论可以 证明，叶尖涡流空化指数给定，空化指数定义为： 式中： r 一螺旋桨上的静压力 k ，：鱼二墅 。 ( 1 2 ) p v ； ( 2 5 ) 番她工业太学磺士论文 p 水的汽化压力 p 水的密度 螺旋浆时尖的速度 虽然潜艇的空化噪声深度的抑制，但深度增加时的降低不是均匀的，当在高 j 羲速下出现空化时，在噪声随深度增加丽被抑制发生之前，潜艇的辐射嗓声建深 度增加而增加。 螺旋浆噪声在不同方向上的辐射是不均匀的，在环绕舰船的水平面内缮在指 向性。在船首一船尾的方向上比正横方向上辐射的噪声要小，在船首方向是船体 屏蔽影响，在船尾方向是出于尾浚的缘故，通常在船曹一尾方向的3 0 度内，指翔 性图有凹进部分，舰首方向比舰聪方向凹进的更多一些。 很多年来就知道，螺旋桨噪声是调幅的，有“螺旋桨拍”现象，即振幅周期 她增大，其周期对应于螺旋桨轴转速或螺旋桨叶片频率，即轴频率乘一叶片数匿。 在昕测设备中，旱已利用螺旋桨撒米识别嗣标和估计速度。鱼雷噪声同舰船和潜 艇噪声一样，也存在这些现象，警航速刚阐超过开始空化的速度时，螺旋桨拍最 明恩，高航速时，螺旋桨拍就为稳定的空化噪声的轰鸣所掩盖了。 水流流过螺旋桨，可以在螺旋桨中产生单频分羹，劳且迭加程空彳皂嗓声的连 续谱上。其中的一种单频分量就熙前面提到的螺旋桨的“唱”声；更一般的情况 是在谱的低频端，因为螺旋桨叶片仞割所脊进入螺旋桨帮在螺旋浆附近处翰不蕊 则流动。螺旋桨噪声含有离散的、分布叶片速率倍数上的“叶片速率”线谱系列， 萁频率 支= m 船( 2 6 ) 式中厶是叶片速率线谱系列的第州次谐波，单位为赫兹；”是螺旋桨叶片数；s 是 螺旋桨转速，荤靛为转，移。在一麓苏联久懿实验中，在漂旋桨辩遥骞或秃气瀣辐 射的情况f 观测到这些“叶片”线谱噪声。在空化很充分的航速，线谱直接和空 讫过程有关；魏乡 ，还鼹溺鬟一鎏不在豫麓频率主豹线谱。疆孥叛羲羲躐溅至l 时 片速率线谱在1 到1 0 0 h z 的频段内是潜艇的主要噪声源，还注意到，由转动的螺旋 浆辘产生瓣线谱( 瓤攮臻声浆一耱澎式 器咛片速率线谤耋会，爨旋浆噪声燕掇摄噪 声一样，也能够激励和强化螺旋桨附近机械结构的熬振。 在透露舞靛逮下，藏疆溪铡缆怒骚噪声往往麓瑗鲜甥豹节奏懑。溺铡毂频奉 第= 章舰船辐射噪声的综述 主要对应于螺旋桨的叶片频或轴频率及他们的谐波，在宽带检测经过不同频带的 滤波，菇避雩亍线性捡波就可以褥妥不弱节奏穆患懿摄耀调裁。黠检出鹣戆调剩毽 络做谱分析得到包络谱。包络谱中有丰富的线谱结构。包络谱中携带着舰船主机 炎型与螺旋桨参数熬有矮售息。这穆调制熬深度在频事辍上其套孵显懿不均匀我。 水动力噪声由不规则的。起伏的海流流过落动船只寝面而形成，悬水流动力 锋爝予黢魁豹绥袋。一般 毒瑷下，溉毅7 k 动力礤声在强发方瑟往往被秘域噪声鄹 螺旋桨噪声所掩盖。但在特殊情况下，如当结构部件或警腔被激励成强烈线谱噪 声数谐掇源时，承动力啜声毒可戆在线滋窭瑰菠溺内残为主要啜声。 2 4 舰船辐射噪声频谱结构 在上面提到的三类辎射噪声源中，机械噪声和螺旋浆噪声程多数情况下是主 要的辐射噪声，楚于哪莘申噪声更重要，则取决予频率、航速和深度。遐过研究在 不同航遮下各种噪声源对辐射嗓声的贡献，可以看出机械噪声和螺旋桨噪声构成 主要的辐射噪声，这两季申哪一手孛更为重要，则取决于舰船的航道和深度以及噪声 的频率，而水动力对自噪声影响较大。通常，螺旋桨一盥发生空化，就将成为主 要噪声渊，特别是在高频段。在低航速h 寸，机械噪声往往上升为主要噪声源。在 般情况下，辐射噪声由宽带连续谱和系列线谱组成。其中线谱部分与推遘系 统，螺旋桨及辅机有关。辅机产生的线谱分量通常是稳定的，艇这类线谱的频率 与舰船航速无兼。推遴系统和螺旋桨产生的线谱的幅度和频率随着舰船的航速楚 化而变化，且有周期性变化的调制现象。尽管备类舰船自身及所处条件不同，辐 射嗓声特性会有变亿，偿同类蕊船噪声特往总裔一定的相依性，而不同类墅疏舱 噪声特性则有某种差别，这使得利用噪声识别水下目标成为可能。 功率谱中的线谱反威噪声信譬中豁简麓往噪声部分( 擎个简诸信号稻多个篱谐 信号组合) 的能麓分布，它们多分布在低频( 8 0 0 h z 以下) ，而鼠不同舰船辐射噪 声线潜的频率和幅值并不褶露，这些线谱成了谈溺靛藤类鍪的主要特籍。线谱部 分与推进系统、螺旋桨及辅机有关。辅机产生的线谱分麓一般相当稳定，与舰船 靛速无关，这种线谱的带宽一觳与颓率菇歪魄，英鬻宽静蕊圉是中心菝事豹 o 3 一0 0 3 。对于推进系统和螺旋桨产曼| 兰的线谱，其幅度与频率随舰船的速度而 交傀，这些续谱豁带宽一般院麓飘绞谱黉宽，鼹嚣是有瓣鬻变亿既菝搴分量。潆 旋桨未发生空泡时，舰船噪声的线谱是相当强的，当舰船航速增加而产生空泡时， 宽带臻声懿强度会掩盖蘩些籁率分萋，摇遂系统有关翡线谱会囱亳频移动，瞩 两北工业大学硕士论文 度会增加，但辅机线谱保持不变。 在较裹靛速辩，螺旋浆噪声谱缎增大，势移患低频。曩孵，某些线港蕊缀增大， 频率升高，而其它由恒速遮转的辅机产生的线谱不变，不爱航速增加的影响。于 是，在毫簸速嚣，炼茨桨空诧懿连续谱更麓重要，撬盖了缀多豹线灌。麴上瑟述， 在航速一定时，螺旋桨噪声随深度增加而减小；猩深度一定时，随航速增加而增 鸯嚣，二者煮稳嗣豹影响。 所以，在给寇的航速和深度，存在一个临界频率。低于此频率时，谱的主要 成分是躲麴槛壤耜螺逮桨躲线谱；莲于此频搴粒，大部分是螺旋紫窒纯的连续噪 声谱。对于舰船和潜艇，返频率大约处在1 0 0 h z 至1 0 0 0 h z 之间，取决于船种类、航 速与深度。 舰船噪声功率谱由连续谱和离散频率上的窄带分量线状谱构成。在1 0 0 h z 以 下应存在璇频、时篾频及其谐波的线谱，磷在较高的频段，1 0 0 - - 1 0 0 0 h z 之阗存在 通常与航速无关的线谱分徽。舰胎辐射噪声在很大的频率范围内由这两类噪声混 合疆成，可以表之为叠热露线谱的连续谱。 图2 4 表示的怒两种航速上潜艇的噪声谱。在图2 4 左边的图中空化嗓声刚开 始出现，谱的低频端主要为机械噪声和螺旋桨叶片速率谱线，随麓频率增高，这 些谱线不规则地降低。有时也可能在连续谱背景上迭加一条或一组高频谱线，它 们楚由螺旋桨叶片共振产生的。在图2 1 4 右边那张图，因潜艇航速较高，螺旋桨噪 声谱增强，并移向低频段。而且，其中某魑谱线的级因此变大，丽由l 三l 慷速运转 的机械产生的谱线并不变化，不受航速增加的影响。可见，在高航速时，螺旋桨 空化噪声的连续谱更为重娶，掩盏了很多线谱，翳外，螺旋桨嗓声还与航行的深 度商关，航速一定对，螺旋桨噪声随深度丽降低。 蒜 矍里 谖 凿 滞 熟 弧 誉 颓率 黼2 4 蘸耱虢速煞潜艇噪声豹额谱鬻 兰 第；章舰船辐射曝声的综述 综上氍述，对绘定黪魅速积涤度，存在一个睡赛频率，低予踅频率瓣，谱的 主要成分是船的机械和螺旋桨的线谱，高于此颓率时，谱的主要成分是蝶旋桨空 化的连续噪声谱，对于通常的舰船和潜艇，临界频率约在1 0 0 1 0 0 0 h z 之间，取 决于般的种类、航速莘薅深度。 2 5 舰船辐射噪声基本特性 舰船噪声是非平稳随机过程，可以用局部平稳过程来拟合。因此本文研究的 怒骚辐瓣噪声瓣建模蠲债囊都楚麓予艇耱辐瓣唆零售号是乎稳戆缓设，趟绩统遘 分析方法得到的。 舰船辐射噪声的声源级是表征舰船声隐蔽性的最基本参数。它与舰船擞型、 接水量、航速、主枫和辅机类型等露密切关系，对潜艇来说，还与下潜深度有关。 当讨论麓艟辐垂手噪声声源级数毽辩，必须据鞠靛彳亍狡态帮工猊，否嗣毫燹意义。 舰船噪声的宽频带声源级，即总声源级是在规定频率范围内声能量的总合。表2 1 列出了第二次世界大战时期几种典毅舰船的总声源级。 表2 豇种典型麓艇秘慧声源级 舰型总声源级d b 航速k n 航母 1 9 0 巡洋勰 1 8 42 0 驱逐舰 1 7 8 2 0 猎潜舰 1 7 2 1 5 潜艇 1 6 5 6 货船 1 6 71 0 怼予舰艇噪声憝声滚缀熬诗黪，r o s s 2 1 投糖溺量炎瓣缓诗，对于( s 2 4 ) 节勰麓 在1 0 0 。1 0 k h z 频带内的总声源级有以下的经验公式： s z = 1 1 2 删。g 鼍+ 1 5 l 孵 s l i = 1 3 4 + 6 0 l 。8 而v + 9 1 0 9 t 式中心代表1 0 0 1 0 k h z 的总声源缴，v 代表航遗( 节) ， ( 2 7 ) ( 2 _ 8 ) r 代表吨位( 吨) ，参考声 西北工业太学硕士论文 压为1 “砌。但是对于超过3 0 0 0 0 吨的舰船不适用。 对太予3 0 0 0 0 缱鹣褒代大型瓣艟徼出鳐下豹修正p s = 1 1 2 + 5 0 1 0 9 暑+ 1 5 l o g t - 1 5 l o 。丁( 2 - 9 ) 舰船簿种状态和工况的声源缴还具有频率特性和指向性。声源级的频率特性 攒述舰船辐射噪声声源级在频率域灼分布，即声源级所含有的频率成分以及各频 率上声能的大小。被动声响、声自导鱼雷以及水雷声g f 信等是利用舰船辐射噪声 的不同频段工作的，这些装置所感受的舰船辐射噪声的声源级是不同的。描述声 压谱源级和频率关系的曲线成为频谱图，它以频率为横坐标，l 三l 声源级为纵坐标。 对不同类型的舰船辐射噪声频谱图研究表明，它们具有基本相似的形状，如图2 5 是艘舰船某工况辐射噪声频谱圈。 4 豫割神斜掣： 图2 , 5 是一艘舰船菜工况辐射噪声频谱图。 由图中可以蒲出舰船辐射噪声声源级的频谱是由连续谱和线谱叠加丽成的混 合避。连续谱反映噪声绩弩中随枫噪声部分静魏赛分毒，大量戆测量和分毒野表明， 舰船噪声的连续谱有一峰值，其谱峰频率的上限因舰船类型而异，但都在 2 0 0 h z - - , 4 0 0 h z 之越，当频察低于避峰频率豹上限时，频谱髓频率的增赢较平直( 或 略有提高) ，它占有辐射噪声的绝大部分熊量；当超过这一频率上限时，整衰减趋 势，每倍频程衰减大约6 d b 。 第= 章舰船辐射噪声的综媳 r o s s 2 j 对于第二次世嚣大战对期接通巡舷速度的船只频谱特性进行总结，给 磁高于1 0 0 h z 频率静谱级与慧声级稻频率兹关系为： s l = s r + 2 0 2 0 1 0 9 f( 2 - 1 0 ) 式中：，是频率，以h z 为嫩位；配是1 0 0 h z 到1 0 k h z 频带内的总声级。 功率蘧中瓣线谗爱欧噤声痞号中的周矮淫臻声帮分( 擎个麓谤售号亵多拿麓 谐信号组合) 的能量分布，它们多分布谯低频( 8 0 0 h z 以下) ，而髓不同舰船噪声 线谱的频率和幅度并不相同，这些线谱成了 ： 别舰船类型的主要特征。由于潜艇 戆身技拳的发震，潜艇噪声粒线谱也得到有效控制，存在线谱的频率范毽更低( 凡 十h z 以下) ，线谱的数爨交少、幅度蹙小。线谱的颓率、幅值和稳定时闻是线谱 的三个主要特征。线谱的特征和进行分析的方法( 特别是分析带宽的选择) 有密 切的关系。通常规定分析线谱时的带宽为1 h z 。 乍为声滚翁麓麓海赡锱瓣噪声翼蠢方彝薅淫，即辏嚣噪声豹缝鲞在空阕分蠢 怒不均匀的，声源级与观测点的方向商关。一般在酋建方向声辐射较弱，在舰酋 方向声源级较小是由于舰兜对舰船的主鼷噪声源有掩蔽效应，而舰尾方向声源级 剿跫出予趸浚对声波豹掩薮效应。声滋缀敦方彝特热与艇瓣羹莛速秘噪声频率蠢麓 切关系。为了比较舰船噪声声源级盼大小，通常把谯水平面正檬方向或垂直距下 方向的声源级作为舰船辐射噪声的声源级。 声源级与航速关系密切，当舰船航速增加时，其声源级呈增加趋势，这种增 鸯髓的趋势在噤声豹低频段鞫赢频段是不一祥雏，在低频段疆蕊懿鞍馒，在离颧羧 增加的较快。这是因为低频噪声主要趄由船上机械设备产生的，灏航速增加时， 噪声虽有增加，但较缓慢，而高频噪声以螺旋桨噪声为主，螺旋浆发生空化，导 皴螺旋桨开鲶塑健豹兢速，称錾赛靛遮，茂嚣我螺麓浆转速称为| 巍器转速。这游 高频噪声明鼹增大。继续蹭加航速时，高频噪声也继续增大，但陡较缓慢。 潜艇航行状态的特殊性是可以改变航行深度，而深度也会影响螺旋桨的空化， 锼声源级发生变化。也就怒说，潜艇熟爆赛转速既和航速有关，瞧和下潜深度霄 关。 在测量条件和被测舰船状态固定的情况下，舰胎辐射噪声级、谱特性等参数 是舰船相对于测量水听器位嚣( 与测擞水听器之间的距离) 的函数，称为纵向通 逡特毪或筵穆遽逮褥健。露霜予确定霆蘩麓蒌挨整嚣，瑷镬诗篓艇簸辏蓑噪声声滚 缀，是检验舰船辐射噪声测量有效性的霾要依据之一。舰船噪声的通过特性还被 用于查找被测舰船的噪声源以及设定水嚣声引信的动作参数，评价引信性能。 西北工业太学硕士论文 艉船在航 亍对发生的噪声除平稳噪声夕 ，还有非乎稳噪声，例蚋瞬态噪声， 琴在短键时澍内出现的辐翦潦声，对潜艇鬻言，它是由潜艇内部静舱室、舔季压及 非耐压壳体上附籍物的碰撞、鱼雷发生管黻板的开启和关闭、机械设备( 舵机、 各种泵、空压机等) 的突然扇动或运转状态变化、以及艇内人员走动、喊话等产 垒豹。瓣态辐瓣煤声孛蕴含藩许多瓣态特缝，这些瓣悫姆 蒌戆提取，对承下嚣拣 的远程探测识别提供了十分离用的信息。因此，控制潜艇噪声的瞬态特性也是十 分必要的。 2 。8 本章奎续 本章主要对舰船辐射噪声的概念，以殿声源级和频谱结构、分类、产生机理 和旗本特性进行了叙述，籍此来理解舰船辐射噪声的特点，为下面舟勺仿真和建模 徼壤冬。 第三章舰船辐射噪声建棋 第三章舰船辐射噪声建模 3 ， 零l 言 水下声学模型现今通常用于预报海上试验计划和设计最优声呐系统的声学环 境以及预测海上声呐性能。建模业已成为研究者和分析家在实验嶷条件下模拟声 骥牲能的主要方法。建摸能够提供一声孛蠢效的方式，魄如在不同豹试验环境下可 以多变量圭睦研究假设的声磷设计性能，黼时也可良在不同的海蠛羊珏季节估计已经 设计好的声呐性能。由于舰船辐射噪声是水下目标被动探测的信息源，是声纳和 水下攻击武器进行被动目标攘测定位和玻击的基础。 麓鼹蘩瓣臻声夔建模扶获史主亲番，有数学模黧氍懿理摸銎，数学搂螫甄键 播经验模型( 这是以观察得来的) ，也包括数值模型( 这些是建立在以依据物理的 数学描述上) 。本文主要是以r o s s 的经验模型为麟础，参考文献 3 得出改进型 r o s s 模型一蠢理灌模型( r s ) 。 3 2r o s s 横型 r o s s 通过研究二次世界期间的舰船辎射噪声的测挺数据，证明了在水面舰船噪 声中，螺旋桨窑纯占魏势戆其它特 歪，怒爨零频谱煮臻聚数辘频蒡霹时片频调割，以 殿在这些调制颓率的各次谐波上，存在低频的单频分爨辐射。 大量的水颟舰船辐射噪声谱数据的唯一来源，迢彼第二次世界大战期间进行的 测量，1 9 4 5 年美国科学研究鞫发展署( o s 。r ，d ) 发表了摘要，并予1 9 6 0 年解掰。 测鬟是在美鬻、麓拿大帮荧嚣等海域溺豢场逢逶行豹。凿3 1 觅文献【5 】，分鞠余缓 一艘英国巡洋舰的结果。测鬣是在苏格兰的i n n e l l a n 水深为4 0 米的海底进行，数据 处理后折合到l 米处，参考声压为l 微帕，这种处理可能引入的误熬不超过3 分贝。 二卡毽纪鞭卡年霞褪期建遥豹大多数拳嚣怒戆，黧溪窭下歹l 熊麓熬趋势： ( 1 ) 在中频范围5 0 0 h z 到1 0 0 0 h z 的声音，按到扩次方增加( u 表示船 速) ； ( 2 ) 速度较裹时，频港靛斜枣约为每嫠频程一5 。5 分受到一6 分拱；丽低速嚣寸大 至镣倍频程7 分爱至8 分受； ( 3 ) 低于1 0 0 h z 的频率，谱级随速度增加的速率较大。 1 7 + 西池工业太擎士学谊辔文 一。 一 飞 一厂= 窆 、八 一a ，一 黻 、劳 吣- 一2 擅肇 、p 、嚣5 一 l 一 ll ii 圈3l 第二次世界大战期间测量的英国巡洋舰c a r d i f f 母辐射噪声 对于一艘接主爱巡航速度航行酶耱只，在高于1 0 0 h z 敬上静额率，第二次邀器 大战期间测量结果的谱级可写成： l s = 岛十2 0 2 0 1 0 9 f归1 0 0 )( 3 - i ) 其中厂是频率，以h z 为单位。是在1 0 0 h z 到1 0 k h z 内测得的总声压级。图3 1 表明，低予1 0 0 h z 的谱级变化很大。在接近巡航速度辩，低子1 0 0 h z 的谲缀变证 很大。在接近巡航速度时，低于1 0 0 h z 的辐射功率往往超过1 0 0 h z 以上的辐射功 率2 至8 分厌。图3 2 表示承面蕊瓣的平均谱是焉鞠精于1 0 0 h z 戳上总声隧级，瑟 相对于影的分贝数绘制的。该图除第二次世界大战期间测缀的平均谱外，还有战 后测鲞的一些货船和油船静平均曲线，后者的结构婺眈前者爱复杂垡，而盛大多数 谱级偏离f 3 1 ) 式约1 至3 分贝。 一 1 ，二二、 氏 ：女* # 、。 。： - 一 ”t时lkl 讹1 呐k 频摹( h 2 ) 圈3 2 承霞麓虢貔相对擎均谱 1 8 * 日毫v群辩蛾獬甑 。 啪 啦 啦 啪 嘴 哪 啪 啦 童l蠢鼙嚣j十t霉 第篇章舰籀辐射噪声建壤 # iii = # e j e _ t e 目# _ | _ e ! e 皇 与速度的美系 第二次世爨丈竣蘩 i l j ，虽然骞- 4 , 郝分海零疑艇测爨豹靛遴超过l5 节，毽丈 部分测爨是在现代船只航速一半的速度上进行的。通过对一些舰船的研究，归纳 了总声愿级( 1 0 0 h z 以上) 嚣速度蘩羧关系瓣数