潜艇辐射噪声水平指向性测量方法

刘 宁，夏春艳，刘文帅

(大连测控技术研究所，辽宁 大连 116013)

潜艇辐射噪声水平指向性测量方法

刘 宁，夏春艳，刘文帅

(大连测控技术研究所，辽宁 大连 116013)

当前潜艇水下辐射噪声测试主要还是以水声测量技术为主要手段。本文探讨了1种新的测量潜艇水下辐射噪声水平指向性的方法，思路新颖，简单实用，工程可行性强，能全面准确地获得潜艇辐射噪声在单频和频带内的水平指向性。通过测量分析潜艇水下辐射噪声的指向性，能深刻理解潜艇水下辐射噪声场空间分布的规律，初步判定潜艇辐射噪声源的部位及其频率特性，为潜艇声隐身技术的发展和水中兵器的研制提供科学依据和有利支撑。

潜艇;辐射噪声;水平指向性;测量方法

0 引言

潜艇的主要优势在于隐蔽性和突然打击能力，其噪声水平及声隐蔽性对潜艇完成其作战使命任务和发挥战术技术性能至关重要。因此，潜艇作为海战中被探测和攻击的重要水中目标，对其声目标特性的研究，不仅是潜艇研制设计、建造以及使用方的关注焦点，同时也引起作为防护的反方即攻击和探测的另一方的高度关注。

潜艇是一个复杂而庞大的系统，其辐射噪声几乎是集各种噪声之大成，声源繁多、集中、噪声强度大、频谱成分复杂是其最显著的特点。潜艇作为声源在水下航行时形成了随时间和空间分布的辐射噪声场，由于辐射噪声的能量在空间分布是不均匀的，导致潜艇辐射噪声具有明显的方向性，形成了空间指向性，即声源级与观测点的方向有关。因此，辐射噪声空间分布特性是潜艇近场辐射噪声场的一个重要特征。

潜艇是个形状极其复杂的空间声源。要想从数学上严格求解形状不规则声源产生的声场，是十分困难的，而实艇测试是获得潜艇空间指向性的最有效方法。当前，潜艇水下辐射噪声测试主要还是以水声测量技术为主要手段。本文探讨了1种新的测量潜艇水下辐射噪声水平指向性的方法。测量分析潜艇水下辐射噪声的指向性，深刻理解潜艇水下辐射噪声空间分布的规律，获得水下声场的更多信息，对于研究潜艇水下辐射噪声场的产生机理、特性控制、降低潜艇噪声有着重要的意义，同时对于水中兵器和声诱饵技术的发展也有着重要的作用。

1 潜艇辐射噪声空间指向性的产生机理

潜艇水下辐射噪声指向性按照空间位置的不同可以分为垂直指向性和水平指向性。潜艇辐射噪声水平指向性是指距离潜艇某一参考点等距离处测得的单频和宽带辐射噪声级与舷角之间的关系。潜艇辐射噪声水平指向性全面反映了水平面的辐射噪声空间分布特性，一般来说，水平正横方向和尾部方向是辐射噪声最大的部位，而首部噪声相对较小。潜艇水下辐射噪声水平指向性如图1所示。

图1 潜艇水下辐射噪声水平指向性示意图Fig.1 The schematic diagram of submarine underwater radiated noise horizontal divectivity

潜艇水下辐射噪声的声源繁多、集中、噪声强度大、频谱成分复杂是其最显著的特点。潜艇体积庞大，内部机器设备众多，在近场潜艇是一个十分复杂的空间噪声源，而不是传统意义上的点声源，它与潜艇内部的各种运转的机器、装备、动力及推进系统的结构密切相关，也同其安装形式、结构振动传递机理及量级有关。

有关资料和实艇测量分析结果表明，潜艇在水下航行时，随着工况和航速的不同，不同性质的噪声源对辐射噪声的贡献也是不同的，高航速工况时螺旋桨噪声是最主要的噪声源，机械噪声对辐射噪声的贡献相对较小;低航速工况时机械噪声对辐射噪声贡献最大，是最主要的噪声源。因此，潜艇在水下航行时形成了随时间和空间分布的辐射噪声场。无论是总声级的空间分布特性，还是特征谱的空间分布特性在时间和空间分布都不是均匀的，是有一定的指向性的。

2 测量潜艇辐射噪声水平指向性的方法

2.1 应用辐射噪声通过特性定位潜艇等效声中心

在进行辐射噪声测量时，通过潜艇辐射噪声的通过特性曲线，可以描述被测潜艇匀速直线航行，由远及近接近测量水听器并由近及远离开测量水听器。在这个过程中，潜艇辐射噪声的声压级(或功率谱级)与测量水听器相对位置的对应关系如图2所示。

图2 潜艇单频及总声级通过特性与潜艇位置的对应关系示意图Fig.2 The corresponding relationding diagram of pass through characteristic and submarine location

当潜艇以比较小的距离通过测量水听器时，潜艇上沿首尾分布的噪声源与水听器的距离差别就比较大，这样离水听器较近的噪声源对水听器测得的辐射噪声场就有较大的影响，通过特性曲线会出现“双峰”现象。因此，近距离的通过特性反映的是潜艇局部的辐射噪声特性;当潜艇以比较大的距离通过测量水听器时，水听器测得辐射噪声信号是机械噪声、螺旋桨噪声、水动力噪声共同叠加而成的，通过特性曲线反映的是潜艇作为一个空间噪声源的总体辐射噪声随时间的变化规律，而并非局部噪声的特征。

通过在潜艇首部某一位置安装测距发射换能器，并将该位置作为参考点，利用水下测距信息与辐射噪声同步记录的方法可比较精确地得到船体部位与辐射噪声信号对应的通过特性曲线。那么在空间(或时间)上，测量数据与船体部位就形成了一一对应关系，它反映了潜艇通过测量水听器时，声压级沿船体的分布。通过对纵向通过特性的分析，可得到单频与宽带噪声的声压级与潜艇部位的对应关系，根据通过特性的最大值时刻，即可以确定潜艇在水下航行状态下，某一工况的单频与宽带噪声的等效声中心位置。

2.2 潜艇辐射噪声水平指向性的测试方案

潜艇辐射噪声水平指向性是指距离潜艇某一参考点等距离处测得的辐射噪声级与舷角之间的关系。潜艇在水下航行时形成了随时间和空间分布的辐射噪声场。在实艇在航行测试过程中，应用潜艇辐射噪声等效声中心的定位技术，确定潜艇某一工况航行状态的等效声中心，将其作为测量同一工况潜艇辐射噪声水平指向性的参考点，并在其对应位置处安装测距发射换能器。

为了准确地获得距离潜艇等效声中心等距离处测得的辐射噪声级与舷角之间的关系，拟建立潜艇辐射噪声水平指向性的测试系统，如图3所示。导航定位换能器和测量水听器布放深度分别为D1和D2，测试系统布放深度由嵌入式深度传感器加以控制，为了保证潜艇机动的安全性，潜艇下潜深度大于系统布放深度。

图3 潜艇辐射噪声水平指向性测试系统示意图Fig.3 The horizontal directirity test system of submarine underwater radiated noise

潜艇辐射噪声水平指向性测试过程中，机动方式如图4所示。每个单程潜艇应对准导航从导航换能器正下方附近匀速直线状态通过。根据潜艇辐射噪声的通过特性曲线及导航定位信息，在潜艇等效声中心与水听器等距离时刻，计算该时刻测量水听器相对于潜艇等效声中心的角度和水听器的声压级，即可获得该方向的水平指向性。测量过程中，当潜艇以不同航向通过测试系统时，测量水听器处于潜艇不同的方位，通过同样的测量方法，能获得相对潜艇等效声中心等距离处不同角度的指向性。

利用潜艇辐射噪声水平指向性的测试方案进行实艇海上试验过程中，为了排除偶然误差的影响，潜艇在每个航向上应完成不少于8个有效单程。

图4 潜艇辐射噪声水平指向性测试潜艇机动方式示意图Fig.4 The schematic diagram of submarine track in testing process

2.3 潜艇辐射噪声水平指向性的数据分析方法

针对潜艇辐射噪声水平指向性的测量方案，研究潜艇辐射噪声空间指向性的数据分析技术，建立相应的数据处理方法。

潜艇机动航线与测试系统相对位置关系投影如图5所示。d为投影后导航换能器与测量水听器之间的距离，L1和L2分别为投影后距导航换能器和测量水听器的正横距离，当L2≤d0时，潜艇航行轨迹如图中情况1所示，此时，能换算出潜艇参考点到达A点和B点时刻相对于测量水听器的角度φ'和φ″，进而根据航行轨迹和时间同步信息获得相当于标准距离d0的A点和B点的噪声级。当L2＞d0时，潜艇航行轨迹如图3中情况2所示。此时，如果偏离范围小于允许值，而且有明显的信噪比，可以根据距离换算出标准距离的噪声级和潜艇参考点相对于测量水听器的角度。

图5 潜艇机动航线与测试系统相对位置关系投影示意图Fig.5 The corresponding relationship diagram of submarine track and test system

根据潜艇辐射噪声水平指向性的数据分析方法，同时结合水平指向性的测试方案，通过对测试过程中每个航向上测量结果进行平均处理，消除偶然误差的影响，即可以获得不同工况、不同距离、不同频带的潜艇辐射噪声水平指向性。

3 结语

潜艇水下辐射噪声的指向性对潜艇的减振降噪和声隐身性能的评价是十分重要和必要的。本文探讨了1种新的测量潜艇水下 辐射噪声水平指向性的方法，方法思路新颖、简单实用，工程可行性强，能全面准确地获得潜艇辐射噪声在单频和频带内的水平指向性。

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Research on measuring method of submarine radiated noise horizontal directivity

LIU Ning，XIA Chun-yan，LIU Wen-shuai
(Dalian Scientific Text and Control Technology Institute，Dalian 116013，China)

Currently underwater sound measurement technology is the main means of submarine radiated noise test.In this paper discussed a new practicability method of measuring horizontal directivity of submarine radiated noise，that can roundly understand the horizontal directivity of submarine radiated noise in monofrequent and broadband，perceive the regularities of distribution of submarine radiated noise field，approximately locate the position of main noise source and frequency character，that is important sense to the development of submarine's acoustic stealth and the investigation of underwater weapon.

submarine;radiated noise;horizontal directivity;measuring method

TB532

A

1672－7649(2012)03－0088－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.03.019

2011－05－31;

2011－07－27

刘宁(1979－)，男，硕士研究生，工程师，主要研究领域为舰船噪声检测与分析。