国外舰船噪声测试技术

2011-03-07邱卫海刘文帅王秀波

舰船科学技术 2011年4期

邱卫海，刘文帅，王秀波

（1．海军某型号办公室，北京100841;2．大连测控技术研究所，辽宁大连 116013）

0 引言

舰船是各国海军战略威慑力量的重要组成部分。舰船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。通过舰船噪声测试，努力降低舰船噪声，提高舰船的声隐身性对发挥其作战使命任务至关重要。因此，提升舰船噪声测试水平是有效降低舰船噪声的根本要求，也是舰船装备发展的必然需求，受到各国海军的高度重视［1］。本文就国外舰船噪声测试技术发展情况进行论述。

1 舰船噪声测试方式

国外舰船噪声测试一般分为活动式测试和固定式测试2种方式。下面分别对这2种测试方式进行分析。

1.1 活动式测试方式

活动式测试方式具有较好的灵活性，可以根据不同的目的，选择不同海域，设备维修方便，投资较少。近年来，俄罗斯和美国相继发展活动式潜艇噪声测试系统，以适应经济发展的需要。活动式测试是国外开展舰船声隐身性能测试评估技术研究工作的重要试验方式。美国为了对安静型潜艇声隐身性能进行测试与评估，于1995年将“海斯”号试验船改装成世界上最安静的水面船之一。该船是具备多种测试基阵的海上测试平台，可兼顾潜艇噪声和回声强度的测试与评估，全部测试系统已列入美国新安静型潜艇声学测试装置计划（AMFIP）进行生产。“海斯”号活动式测试系统的核心部分是利用垂直阵形成窄波束，进行近场聚焦和恒定束宽处理，在通常环境下测试安静型潜艇的噪声（见图1）。

图1 美国“海斯号”活动式测试系统Fig.1Mobile testing system of US Navel ship Hayes

1.2 固定式测试方式

固定式测试方式通过固定布放先进声学测试装备，采用舰船海上航行和停泊测试方式，实现舰船噪声的定量测试和贡献分离。但是，建立固定式测试系统十分复杂、需要很大的投资强度，并且维护困难。固定式测试方式以美国最为典型，其早期可全面测试潜艇噪声的专用试验场是位于加勒比海海域“美国海军水下武器试验及评估大西洋中心”的一部分，该试验场1967年投入使用。后期，由于航运量增加，使得加勒比海海域环境噪声级增大，并且由于新型潜艇的噪声级降低，导致该试验场不能满足对新型潜艇噪声测试的要求。随后，美国花费了近10年的时间研究其沿海噪声，寻找安静的海域，终于在阿拉斯加（Alaska）东南部找到了一个理想的地方，建立了新的试验场，将原试验场从加勒比海海域迁移到阿拉斯加沿岸，新试验场1991年投入使用，工程总造价约2亿美元。

图2 美国阿拉斯加水下航行固定试验场Fig.2Fixed underwater shipping testing ground in Alaska，US

图2为美国阿拉斯加水下航行固定试验场。该试验场中，在海底固定布放直线阵声学测试系统、导航系统、测距定位系统以及相应辅助系统。测试时，被测潜艇在垂直线阵组成的框中往返通过，水听器测得的噪声信号通过光纤传输到陆上试验站进行处理。垂直水听器阵布置在120 m左右的水下，可以有效避免降雨及海面波浪的影响，大大提高了测试效率，最终可实现对潜艇声隐身性能的总体评价以及机械、螺旋桨等不同性质噪声的定量分离。

2 舰船噪声测试系统

对于活动式和固定式测试方式，在测试系统的选择上主要有以下几种:单水听器测试系统、矢量水听器测试系统、直线阵测试系统和体积阵测试系统。下面分别对以上几种测试系统的国外应用情况进行阐述。

2.1 单水听器测试系统

以声压水听器为核心的单水听器噪声测试系统，在国外潜艇噪声较高的时期得到了广泛应用，是国外早期噪声测试的主要手段。采用单水听器测试系统进行噪声测试，在俄罗斯已发展为十分成熟的技术，并形成了一整套舰船水下噪声的测试规范。图3为俄罗斯单水听器测试系统。该测试系统由测试专用试验船和单个声压水听器接收装置组成，其中测试专用试验船是以控制测试船自身噪声干扰、便于试验和减少设备在搬运过程中可能对测试系统造成影响为目的而专门设计建造的。

图3 俄罗斯单水听器测试系统Fig.3Russian single hydrophone testing system

2.2 矢量水听器测试系统

矢量水听器是提高测试增益的有效手段，可以同时获取声场中声压p和振速vx，vy，vz分量。矢量水听器的各振速分量具有偶极子指向性，可以旋转并锐化波束［2］，并且利用声压、振速的不同组合还可以形成不同的波束指向图，因此，单个矢量水听器可以形成常规声压水听器阵才能形成的波束指向性。矢量水听器测试系统可用于对低信噪比舰船进行噪声指标评估，能有效地测试比海洋背景噪声低10～20 dB的舰船噪声。该方法在俄工业部门已广泛使用，并形成了测试标准。目前，俄罗斯在远东、白海和波罗的海等试验场均装备了活动式矢量水听器噪声测试系统。图4是俄罗斯用于浅海的船载可移动式矢量噪声测试系统。

图4 俄罗斯的浅海船载可移动式矢量噪声测试系统Fig.4Russian onboard mobile vector noise testing system for shallow water

2.3 直线阵测试系统

多年来，舰船辐射噪声呈现出了逐年下降的趋势，先进国家的潜艇辐射噪声级甚至已经降到了海洋环境噪声以下。这种情况下，对于低噪声潜艇，传统的单水听器测试系统已经很难满足目前的噪声测试要求，辐射噪声测试系统开始向具有指向性的直线阵方向发展。从目前获得的资料来看，直线阵测试系统的应用已非常广泛，俄罗斯、美国、法国、韩国、英国等国家已相继开展了直线阵噪声测试技术研究，并已投入使用。采用直线阵，不仅能提高测试信噪比，而且通过垂直布放的方式能有效克服浅海条件下特有的“多途干涉”对测试的影响。图5是俄罗斯直线阵系统各种使用方式示意图。从图中可知，直线阵可以用于固定艇体上的水平阵、固定于海底的沉底阵、悬浮于水中的垂直阵、在舰艇尾部拖曳的拖曳阵等。

图5 俄罗斯直线阵测试系统各种使用方式示意图Fig.5The different use-patterns of Russian line array testing system

美国在华盛顿州西北试验站用2个垂直阵组成安静型潜艇噪声测试系统（QSAM），其系统示意图如图6所示。该测试系统由1条高频阵和1条低频阵组成，高频阵包含63个水听器，测试频率范围为5～40 kHz，低频阵包含51个水听器，测试频率范围为100～6 000 Hz。该系统是美国西海岸最完备的全频带测试系统，不仅能测试潜艇噪声也可以测试鱼雷噪声。

图6 美国安静型潜艇辐射噪声测试系统示意图Fig.6Schematic diagram of US quiet submarine radiated noise testing system

2.4 体积阵测试系统

体积阵中，所有的阵元按照一定规则进行空间分布。体积阵的作用主要是抑制海洋背景噪声、提高测试增益。小型、简单的体积阵在空气声的测试中已有应用，通常用于声源的定位分析和设备的故障诊断，但是在舰船噪声测试中，体积阵的应用较少。用于舰船噪声测试的体积阵测试系统由于结构复杂，安装和布放困难，处理算法复杂，对系统的硬件要求高等原因，导致其实际应用非常困难。目前，只有美国在实际的舰船噪声测试过程中使用了体积阵测试系统［3］，如图7所示。该体积阵测试系统在美国阿拉斯加水下航行固定试验场中使用。

图7 美国研制的体积阵Fig.7American volume array testing system

3 舰船噪声分析方法

国外舰船噪声测试，无论是活动式还是固定式测试方式，为实现对低频弱信号的获取和舰船辐射噪声特性的评估，在设备设计上都朝着声压和振速组合传感器、大孔径基阵、精确导航与定位技术的方向发展。因此，在舰船噪声分析方法上，多采用声压和振速联合信息处理技术、弱信噪比信号信息提取技术，聚焦波束形成技术、恒定束宽技术、合成孔径技术等处理方法，并发展快速精确的多信息实时监视软件和批量数据分析软件;在对海区环境特性的要求上，都需要首先对海上试验场区进行声学标定和环境特性统计研究，以消除海洋环境对噪声传播的效应，克服海洋背景干扰。

在舰船噪声源分析方面，多测点、同时基噪声振动综合分析技术已被国外广泛采用，是国外分析研究新一代舰船噪声源的基础技术手段和途径，该技术通过增加测试传感器数量，尽可能多的获取舰船辐射噪声和振动测试数据，并通过时间同步系统控制采集舰船噪声和振动数据，利用先进的声学处理系统，对全部测试数据进行同时基处理。在此基础上，采用多种分析方法，综合分析识别噪声源，有效地查明主要噪声源的分布，分离机械噪声、水动力噪声和螺旋桨噪声对辐射噪声的贡献，从而全面获取被测舰船的总体声学性能，评价各项噪声设计指标，并提出下一步噪声控制的方向和目标。