水声学-水下噪声1

1、第八章 水下噪声,第二十三讲 舰船和鱼雷的辐射噪声 舰船、潜艇和鱼雷的自噪声 舰船噪声控制简介,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,2,本讲主要内容,舰船辐射噪声的声源级和噪声谱 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 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,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,3,本讲主要内容,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 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

2、 水动力噪声的控制,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,4,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。,0、引言,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,5,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： ：是换能

3、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。,一、舰船辐射噪声的声源级和噪声谱,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,6,一、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 HEU,7,二、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

4、附件的共振；支柱和附件的空化,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,8,二、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 HEU,9,

5、二、舰船辐射噪声源及其一般特性,机械噪声 结论： 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； 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 HEU,10,二、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 Engi

6、neering HEU,11,二、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 HEU,12,二、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。,Colleg

7、e of Underwater Acoustic Engineering HEU,13,二、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 HEU,14,二、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 Underwate

8、r Acoustic Engineering HEU,15,二、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 HEU,16,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。其频率： ：n是螺旋桨叶片数；s是螺旋桨转速；m是谐波次数。

9、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。,二、舰船辐射噪声源及其一般特性,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,17,二、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 Underwa

10、ter Acoustic Engineering HEU,18,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： ：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。,二、舰船辐射噪声源及其一般特性,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,19,三、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

11、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 HEU,20,四、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 HEU,21,五、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。

12、 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。 用于测量辐射噪声的水听器布设：,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,22,五、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

13、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）。 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。,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,23,六、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

14、of Underwater Acoustic Engineering HEU,24,六、舰船自噪声源及其一般特性,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 HEU,25,六、舰船自噪声源及其一般特性,水动力噪声 水动力噪声：水流流经水听器、水听器支

15、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 HEU,26,六、舰船自噪声源及其一般特性,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 Underwa

16、ter Acoustic Engineering HEU,27,七、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。 参考数据取自二战时期的测量结果。,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,28,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

17、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。,八、自噪声级,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,29,九、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

18、取吸声结构、对螺旋桨噪声采用屏蔽罩等。,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,30,十、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 HEU,31,十一、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

19、，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； 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。,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,32,十一、螺旋桨噪声的控制,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 Underwate

20、r Acoustic Engineering HEU,33,十二、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。 ：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。,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,34,十三、第八章小结,噪声的基本概念 噪声是一种随机过程 噪声的频谱分析 水下噪

21、声的指向性特性 海洋环境噪声 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 海洋环境噪声的指向性,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,35,十三、第八章小结,舰船辐射噪声的声源级和噪声谱 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 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,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,36,十三、第八章小结,舰船自噪声源及其一般特性 自噪声的传播路径 自噪声

22、级 舰船自噪声的测量 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 HEU,37,十三、第八章习题,开阔水域中扫雷舰拖拽宽带噪声源、声源谱级160dB，被扫音响水雷对200300Hz的噪声敏感，环境噪声谱级90dB，接收机检测阈DT=10dB，海水吸收系数 ，求作用距离（给出表达式）。 解：被动声纳方程SL-TL-(NL-DI)=DT SL=160+10lg(300-200)=180dB NL=90+10lg100=110 DI=0 DT=10 TL=SL-DT-(NL-DI)=6

23、0dB, 20lgR+R=60,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,38,十三、第八章习题,已知：甲船，其辐射噪声谱密度级如下图；乙船用被动声纳探测甲船，该声纳系统工作通带为：500Hz-2000Hz；全指向性接收器；能量检测工作方式，当信噪比大于6dB时，认为检测到目标；若来自海洋环境噪声和乙船自噪声的总干扰噪声各向同性并且为均匀谱密度分布，在接收器处其噪声谱密度级为70dB（0dB= ）。,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,39,十三、第八章习题,试求：（1）乙船接收到甲船噪声信号级；（2）乙船接收的干扰噪声级；（3）乙船探测到甲船的最远距离（计算中取：声波球面扩展；不计海水声吸收）；（4）为增大探测到甲船的距离，乙船的被动声纳应如何改进