被动式声诱饵声学建模及仿真实现

董仲臣，金彦丰，李亚安，刘望生

（1.西北工业大学 航海学院，陕西 西安 710072；2.91388部队92分队，广东 湛江 524022；3.浙江理工大学 机械与控制学院，浙江 杭州 310018）

声诱饵[1]是一种重要的水声对抗器材，是各国海军目前所使用的主要反鱼雷装备。按照其运动特性，可分为自航式声诱饵、拖曳式声诱饵、悬浮式声诱饵和火箭助飞式声诱饵等；按照其对抗形式的不同，可分为主动式声诱饵、被动式声诱饵和主被动联合式声诱饵等[1-2]。

在主动工作方式下，声诱饵是通过应答鱼雷的主动寻的信号来模拟目标反射特性的，当声诱饵收到鱼雷自导系统发出的信号后，会按一定的目标强度、多普勒频移和回波展宽，将模拟产生回波，从而诱骗鱼雷。被动式声诱饵即噪声模拟器，是水声对抗器材的重要部分，往往与主动方式联合使用。被动式声诱饵可以连续发出与舰船辐射噪声相似的宽带噪声，对敌方的声纳和鱼雷具有干扰和诱骗作用，从而逃避敌方声纳和鱼雷的探测和攻击，提高本舰的生存能力[3-4]。

本文针对舰船辐射噪声的声学特性进行分析，建立被动式声诱饵的仿真模型，包括线谱分量和连续谱分量模型，并根据模型进行了仿真。该仿真研究可以为水声对抗器材的战术使用和反水声对抗技术的研究提供参考。

1 舰船辐射噪声的声学特性

舰船在航行和工作时，推进器和各种机械都在工作，它们产生的振动通过船体向水中辐射，从而产生了舰船辐射噪声。理论分析和实验结果表明[5]，舰船辐射噪声分为3大类：机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声。

1.1 机械噪声

机械噪声是舰船辐射噪声低频段的主要成分[5-7]。由于各种机械形式的不同，所产生的水下辐射噪声的性质也不同。一般来说，不平衡的旋转部件、重复不连续的工作部件和往复部件所产生的噪声大部分为线谱噪声，其主要成分是振动基频及它的谐波分量。各种管道和泵中流体的变化、湍流、排气，以及轴承和轴颈上的机械摩擦等所产生的噪声属于连续谱噪声。如果这些结构部件产生共振，还能叠加响应的线谱。所以，舰船辐射噪声可以看作是强线谱和弱连续谱的叠加。由于机械噪声与舰船航行状态和机械工作状态密切相关，因此其频谱结构比较复杂，并且是多变的。

1.2 螺旋桨噪声

螺旋桨噪声是由旋转着的螺旋桨所产生的噪声，包括螺旋桨空化噪声和螺旋桨叶片振动所产生的噪声[5]。

螺旋桨在水中旋转时，叶片表面上会产生负压区，如负压达到一定值，就会出现空化现象，大量气泡破裂产生噪声，就是空化噪声。空化现象只有在舰船达到一定的航速时才会产生，此时舰船的高频辐射噪声突然增大。因为空化噪声是由大量大小不等的气泡随机破裂引起的，所以空化噪声属于连续谱。在高频段，其谱级随着频率的增高大约以-6 dB/倍频程的斜率下降；在低频段，随频率增高而增高。因此，谱线有一个峰值，这个峰值通常在100～1 000 Hz十倍频内，而且随航速和深度而变化。

螺旋桨噪声的另一主要成分是“唱音”，它是由螺旋桨叶片拍击、切割水流引起的，又称为旋转噪声。“唱音”是一种线谱噪声分量，其频谱与螺旋桨叶片数及转速有关，满足如下关系

其中：n是螺旋桨叶片数，s是螺旋桨转速，m是谐波次数，fm是响应的频率。

这种“唱音”表现为叠加在连续谱上的线谱，它是潜艇低频段（100 Hz以下）噪声的主要成分。这种频谱特性通常被声纳系统作为目标识别和速度估计的依据。

1.3 水动力噪声

水动力噪声是由不规则的、起伏的海流流过船只表面而形成的，它是水流动力作用于舰船的结果[5]。水动力噪声产生的机理为：1）水流的冲击可以激励舰船部分壳体的振动，也可能激励某些结构产生共振，如前面提到的螺旋桨叶片的共振，甚至还可能引起壳体上某些凹穴腔体的共振；2）由湍流附面层产生的流动噪声也是一种水动力噪声。这是粘滞流体的特性，即使在无凹穴的光滑的物体上也会产生；3）航行舰船的舰艏、舰艉的拍浪声、船上主要循环水系统的进水口和排水口处发出的噪声也属于水动力噪声。

水动力噪声是一种无规则噪声。其噪声强度主要与航速有关，可表示为

其中：k是常数，v是航速，n是与舰船水下线型等因素有关的量。

一般情况下，水动力噪声往往被机械噪声和螺旋桨噪声所掩盖，但在特殊情况下，例如当结构部件或者空腔被激励成强线谱噪声的谐振源时，水动力噪声有可能在线谱出现范围内成为主要噪声源。

2 被动式声诱饵的声学模型

以上分析可知，舰船辐射噪声为不确定性信号，其主体是宽带随机信号，有时也包含谐波成分。通常假定舰船辐射噪声主体为平稳各态历经的随机过程，通常由连续谱和线谱组成。 因此，分别建立连续谱和线谱的数学模型。

2.1 连续谱数学模型

连续谱相对而言是比较复杂的。连续谱噪声可以用宽带平稳随机过程来拟合，将高斯白噪声通过满足频谱特性要求的特定频率响应的滤波器，可以得到连续谱分量。

所以为了得到舰船辐射噪声的连续谱分量，首先需要产生一定方差的高斯白噪声；然后，为了得到特定频率响应和相位响应的滤波器，可以采用自适应的方法设计滤波器；将高斯白噪声通过设计的滤波器就可以得到具有特定功率谱形状的连续谱。连续谱分量的模拟原理如图1所示。

图1 连续谱分量模拟图Fig.1 Simulation diagram of continuous spectrum

2.2 线谱数学模型

线谱的检测、跟踪和识别在声纳使用中具有重要意义。线谱特有的集中而稳定的能量可用来提高检测性能，而且线谱所携带的频率信息可以用于对目标进行参数估计和类型识别。线谱可以通过以下公式进行模拟

其中：Ai、ωi、φi分别是振幅、频率和相位信息。Ai和ωi是可以根据实际情况来确定的，而相位信息φi可以取一随机值，m为线谱的个数。振幅的选择与线谱高出连续谱的分贝数有关，而频率则一般在1.5 kHz以内。

2.3 被动式声诱饵的声学模型

声诱饵模拟的噪声是由连续谱的宽带噪声信号和非连续谱的单频噪声组成的，其声学模型可以表示为

其中：{}表示随机过程，{s（n）}模拟的辐射噪声随机过程，{x（n）}表示宽带平稳随机过程；{li（n）}表示相位随机的周期信号。

3 被动式声诱饵的仿真实现

根据连续谱数学模型，首先产生一随机高斯白噪声，如图2所示，把该白噪声通过设计好的滤波器，得到一定频率响应的噪声，其频谱如图3所示；根据（3）式来进行线谱的仿真实现，取m=3，可得线谱信号的频谱如图4所示；根据线谱的选取原则，在低频段加入线谱信号，由（4）式来模拟被动式声诱饵辐射噪声，其频谱如图5所示。

图2 高斯白噪声序列Fig.2 Gauss white noise sequence

图3 连续谱的频域信号Fig.3 Continuous spectrum in frequency field

图4 线谱频域信号Fig.4 Line spectrum in frequency field

图5 被动式声诱饵辐射噪声频谱Fig.5 Radiation noise spectrum of passive acoustic decoy

4 结束语

在本文提出的被动式声诱饵建模中，通过建立舰艇辐射噪声连续谱和线谱的模型来实现被动式声诱饵声学特性的模拟，仿真结果可以对水声对抗策略的选取提供参考。但如何更加逼真地模拟舰船的辐射噪声，以达到更好的诱骗效果，仍然是水声对抗领域的研究课题。

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