水声学第八章 水下噪声

第八章水下噪声2024/4/151本章主要内容噪声的根本概念〔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2024/4/152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2024/4/153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2024/4/154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2024/4/155噪声的根本概念噪声的定义：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2024/4/156噪声的根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，即那么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2024/4/157噪声的根本概念高斯噪声假设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。2024/4/158噪声的根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，那么称之为白噪声。2024/4/159噪声的根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，那么它的方差便等于平均声强：2024/4/1510噪声的根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。2024/4/1511噪声的根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奉献无限小。2024/4/1512噪声的根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，那么有：因此有提示：水下噪声是多种噪声源的综合迭加，每种噪声源的鼓励不尽相同，因此，它可能是线谱，也可能是连续谱，甚至是两种的迭加。2024/4/1513噪声的根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。2024/4/1514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。2024/4/1515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、电缆等颤抖或作响——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。2024/4/1516海洋环境噪声深海中的环境噪声源行船行船是50Hz~500Hz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2024/4/1517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。2024/4/1518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。2024/4/1519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，谱由斜率不同的五局部组成，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。2024/4/1520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。2024/4/1521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，见以下图。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。2024/4/1522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1kHz~10kHz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。2024/4/1523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2024/4/1524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-correlationfunctionsforvariousnoisemodels.J.Acoust.Soc.Am.,1962,34(11))。当时，当时，水平方向：垂直方向：2024/4/1525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以下图：2024/4/1526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预效应引起的〕。2024/4/1527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。2024/4/1528舰船和鱼雷的辐射噪声2024/4/1529舰船和鱼雷的辐射噪声2024/4/1530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，那么声源级〔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。2024/4/1531舰船辐射噪声的声源级和噪声谱噪声谱根本类型连续谱；线谱；舰船辐射噪声为线谱和连续谱的迭加。2024/4/1532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2024/4/1533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。2024/4/1534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。2024/4/1535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，叶片尖上和外表上产生空化。WaterFlowWaterFlowBladeTipCavitationSheetCavitation2024/4/1536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，其典型频谱如以下图。2024/4/1537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〔100Hz~1000Hz〕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。2024/4/1538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。

2024/4/1539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、开展〕；c〕航速继续增大，空化噪声级根本趋于稳定〔空化充分〕。2024/4/1540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。2024/4/1541舰船辐射噪声源及其一般特性螺旋桨空化噪声2024/4/1542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〔1~100Hz〕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。2024/4/1543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。2024/4/1544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那么的、起伏的海流流过运动船只外表而形成的，是水流动力作用于舰船的结果。产生机理：1〕水流鼓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。2024/4/1545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。2024/4/1546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，二者奉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100Hz~1000Hz，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〕。2024/4/15472024/4/1548舰船、潜艇、鱼雷的辐射噪声级

2024/4/1549舰船、潜艇、鱼雷的辐射噪声级

2024/4/1550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。2024/4/1551辐射噪声的测量用于测量辐射噪声的水听器布设2024/4/1552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，那么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，那么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〕。2024/4/15532024/4/1554辐射噪声的测量澳大利亚安静潜艇辐射噪声测量系统SAUR

2024/4/1555辐射噪声的测量美国潜艇辐射噪声测量系统〔高增益系统〕2024/4/1556辐射噪声的测量美国潜艇辐射噪声测量系统2024/4/1557辐射噪声的测量美国PSI潜艇辐射噪声测量系统(PVLAMS垂直阵)2024/4/1558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：声源根本相同；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。2024/4/1559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。2024/4/1560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外表上的压力。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。2024/4/1561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，见以下图。2024/4/15622024/4/1563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，那么等效各向同性自噪声级NL：提示：两种水听器的