空间分布对噪声线谱稳定性影响的仿真研究

杨学猛 刘彦森 杜 鹏

水下测控技术重点实验室，大连 116013

空间分布对噪声线谱稳定性影响的仿真研究

杨学猛 刘彦森 杜 鹏

水下测控技术重点实验室，大连 116013

本文基于水下噪声测试的常规原理，建立了以偶极子声源、无界海洋声环境（即自由场）和理想接收湿端等为主要条件及假设的影响评估模型，对空间分布特性及接收距离对线谱稳定性影响进行了仿真分析，指出了空间分布对噪声线谱幅度稳定性影响的重要性，研究成果对于指导实际噪声测试及数据处理分析等工作具有重要意义。

线谱；稳定性；空间分布

Line-Spectrum; Stability; Space Distribution

引言

在舰艇噪声测试中，常采用静态测试和航行测试等手段。在其他条件（如目标声源、背景环境、辐射声场、测试系统及条件、接收距离等）均一定的条件下，如果被测声源辐射声场存在明显的空间分布特性，则不同方位的辐射噪声谱幅度会出现波动，即存在幅度稳定性，当然对于线谱而言也不例外。鉴于此，笔者结合水下噪声测试实际，通过理论建模及仿真分析来重点探讨和研究声场的空间分布对噪声线谱幅度稳定性的影响及其基本规律，为基于舰船辐射噪声线谱的目标检测、特征提取和分类识别等提供物理依据和技术支撑。

1.空间分布影响评估模型

出于简化且不失一般性考虑，本文在偶极子声源、无界海洋环境和理想接收湿端等基本框架下，建立空间分布对噪声线谱幅度稳定性影响的评估模型，探讨其基本影响规律。

具体模型及主要假设如图1所示：目标声源为偶极子声辐射源，且其与接收平台相对静止，该类声辐射源是在实际中最为常见且简单的指向性声源；目标声源置于无边界海洋环境中（即自由场环境），介质均匀，但可考虑介质吸收和体积散射的衰减影响；接收湿端由若干个性能一致的理想接收单元构成，且不存在空间接收指向性，接收距离的选取满足远场测试条件。

图1 空间分布影响评估模型示意图

由式（5）可知，偶极子声源的辐射声场空间分布呈余弦或正弦指向性。

图2为偶极子声源辐射声场在xOy平面内的二维空间分布，由图可知，偶极子声源的辐射声压在声轴方向最大，在与声轴垂直的方向最小，而其余指向性较为平滑，这种余弦或正弦空间指向性是偶极子声辐射源的最重要的特征。

图2 偶极子声源辐射声场的二维空间分布

2.空间分布影响仿真分析

在上述模型条件及参数计算方法等的基础上，主要是讨论在接收距离一定的条件下，不同接收方位角度的变化对噪声线谱幅度（即声级）的影响，及接收距离和接收方位角度同时变化对噪声线谱幅度的影响，并得出基本影响规律。为此，提出了具有针对性的角度—线谱声压级的量化关系，主要用于评估线谱声压级相对于方位角度和距离的变化趋势。

2.1 仿真算例（一）：接收方位角度变化影响

图4为接收距离相等时，单极子声源和偶极子声源不同方位角度辐射噪声的相对幅度分布典型结果。由此可知，对于无指向性单极子声源而言，同频率下的辐射噪声在各方位角度的幅度相等；而由于偶极子声源的辐射声场具有偶极子空间分布形式，在上述分析条件下，其同频率下的辐射噪声在各方位角度的幅度不相等（即并不稳定），在声轴方向（即方位角度为0°和180°）最大，而在方位角度90°和270°方向则最小。这表明：对于指向性目标声源而言，在声源辐射条件及接收距离等均一定时，在不同方位角度上测得的其噪声谱幅度并非如无指向性声源的都相同和可以任意选取测试方位，而实际上在不同方位角度上测得的谱幅度是可能存在差异的，必须予以注意，这就要求我们在实际噪声测试中需要根据目标声源性质及其辐射声场的在不同空间方位角度上的可能分布形式等，研究并建立一套合理全面的测试及分析方法，以保证测试结果的可靠性和准确性。

图3 接收距离相等时目标声源与接收平台相对空间位置示意图

图4 接收距离相等且目标声源与场点共面时不同方位噪声幅度的相对分布

2.2 仿真算例（二）：接收角度与距离共同影响

根据航行状态噪声测试基本原理，针对空间分布及接收距离对噪声线谱幅度共同影响的仿真条件如下：噪声频率f：0.01kHz和10kHz；偶极子声源的两单极子声源间距d：0.25m；接收场点共线，接收距离范围rSR：0.05～10km。目标声源（或等效声中心）不在接收点连线上，类比于舰艇航行状态下正横通过接收点，在此条件下比较和讨论空间分布及接收距离对目标声源辐射噪声线谱幅度的共同影响及其基本规律。

图5 接收场点共线、但与偶极子目标声源等效声中心非共线时目标声源与接收平台相对空间位置示意图

图6 接收场点共线、但与单极子目标声源非共线时其与接收平台相对空间位置示意图

图7为接收场点共线、但与偶极子目标声源等效声中心非共线的条件下，声轴与接收场点所在直线呈不同角度时，不同方位角度的接收距离及辐射噪声的相对幅度比较的典型结果，图8则为接收场点共线、但与单极子目标声源非共线时不同方位角度的接收距离及辐射噪声的相对幅度的典型结果。由图4可知，对于偶极子目标声源而言，当接收场点所在直线与其声轴呈不同角度时，在不同的方位角度，同时相应的接收距离也不相同，其辐射噪声（即通过特性）的相对幅度差异较大，只要接收场点所在直线与声轴非垂直（即φ≠90°），就均存在两个极值点，尤其是在φ=0°时其通过特性则呈左右对称分布，这些在与同种条件下单极子声源的通过特性完全不同（如图5所示），只有在接收场点所在直线与声轴垂直（即φ＝90°）时，偶极子声源辐射噪声的通过特性才与单极子声源的基本相似，以上两者的异同点主要是由偶极子声源的空间分布特性和接收距离共同引起的，这也同时说明目标声源的空间分布特性对噪声线谱幅度稳定性的影响，不可忽视。

图7 接收场点共线、但与偶极子目标声源等效声中心非共线时不同方位角度的接收距离及辐射噪声的相对幅度

图8 接收场点共线、但与单极子目标声源非共线时不同方位角度的接收距离及辐射噪声的相对幅度

3.结论

本文以空间分布对辐射噪声线谱幅度稳定性影响为主要研究对象，开展了相关的理论建模及仿真研究，建立了以偶极子声源、无界海洋声环境（即自由场）和理想接收湿端等为主要条件及假设的影响评估模型；并以水下噪声测试的常规原理为依据，开展了空间分布特性及接收距离对线谱幅度稳定性影响的典型算例仿真研究，指出了空间分布对噪声线谱幅度稳定性影响的重要性。这些对于指导实际噪声测试及数据处理分析等工作具有重要意义，也为基于舰船辐射噪声线谱的目标检测、特征提取和分类识别等提供了物理依据和技术支撑。

[1]杜功焕，朱哲民，龚秀芬 著.声学基础（第二版）.南京：南京大学出版社，2001.3：308～312

[2][美]D.罗斯 著.《水下噪声原理》翻译组 译.关定华 校.水下噪声原理.北京：海洋出版社，1983.1：83～84

[3][美]R.J.尤立克 著.洪 申 译.水声原理（第三版）.哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，1990.2：79～161

[4]王之程，陈宗岐，于沨，刘文帅 编著.舰船噪声测量与分析.北京：国防工业出版社，2004.1：122～187

Simulated Research on Stability of Line-Spectrum affect by Space Distribution

Yang Xue-meng, Llu Yan-sen, Du Peng Science and Technology on Underwater Test and Control Laboratory, Dalian, 116013 ,China

Based on the general principles of underwater noise measurement, assessment model base on a dipole source,free field and the ideal receiver was build in this paper.Simulated research on stability of Line-Spectrum affect by space distribution and receive distance were Analyzed.These researched results are very important to the underwater noise measurement and data processing.

O427.5

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.017