舰船辐射噪声模拟技术实现方法研究*

姜建平 刘鹏仲 张国龙

(91388部队 湛江 524022)



舰船辐射噪声模拟技术实现方法研究*

姜建平 刘鹏仲 张国龙

(91388部队 湛江 524022)

为得到逼真的舰船辐射噪声的仿真数据,可通过对典型实测噪声结果数据进行分析,根据特征线谱生成线谱所在频段频谱信号,将其它频段置零,进而在时域重构线谱信号,再利用窗函数法设计出一个具有与其连续谱特性相一致的特定幅频响应的FIR滤波器,在时域重构连续谱信号,从而实现舰船辐射噪声信号重构。仿真结果表明,该方法能够较真实地重构舰船辐射噪声,其结果可作为半实物仿真试验信号源。

特征线谱; FIR滤波器; 舰船; 噪声重构

Class Number TB566

1 引言

舰船辐射噪声重构技术是水中兵器仿真研究中的重要分支,其物理仿真实现对武器和声纳样机的物理检测及评估都具有实际工程价值,一直受到各国的关注。舰船在水中的辐射噪声是对舰船目标进行探测、识别、定向和跟踪等目的最常用的目标信息[1～2]。

文献[3]提出了利用特定频率响应FIR滤波器得到宽带连续谱噪声的方法,该方法能够产生任意长度的给定功率谱形状的噪声信号,但该方法没有包含线谱。文献[4]提出通过把舰船辐射噪声的连续谱与线谱分开重构再叠加以获得完整的舰船辐射噪声重构信号,该方法没有考虑航速对辐射噪声的影响,得到的仿真信号与现代舰船真实辐射噪声存在较大差异,不能很好地将不同舰船类型进行目标分类。文献[5]提出了基于实测噪声信号的舰船辐射噪声重构方法,但实测舰船辐射噪声属于绝密数据,不容易获取,且实测数据不完整,不能涵盖不同速度和不同舰船类型的辐射噪声特性,更缺少外军舰船辐射噪声特性数据,生成的噪声信号应用范围有限。本文将高斯白噪声信号通过满足噪声频谱特性要求的特定频率响应的FIR滤波器,即得到连续谱信号,再通过对典型实测噪声结果数据进行分析,根据特征线谱生成线谱所在频段频谱信号,最后将舰船航速和舰船类别作为模型中的两个因子,进而重构某航速某类别下完整的舰船辐射噪声信号。

2 舰船辐射噪声的建模与仿真

舰船辐射噪声谱都是由宽带连续谱和低频离散线谱组成。宽带连续谱,噪声级是频率的连续函数,如图1(a)所示;另一种是具有非连续谱的单频噪声,这种噪声由出现在离散频率上的线谱组成,如图1(b)所示。舰船辐射噪声在很大的频率范围内由具有连续谱的宽带噪声和具有离散单频线谱的单频噪声组成,且可以表示为叠加有线谱的连续谱,如图1(c)所示[6]。

图1 舰船辐射噪声谱结构

2.1 线谱分量的建模及仿真

舰船辐射噪声中的线谱与推进系统、螺旋桨及辅机有关,可分为两类:一类与螺旋桨转速有明显的关系(式(1)的第一部分),这部分线谱由推进系统、旋转机械和螺旋桨产生,其幅度与频率随舰船的速度而变化,具有谐波形式的频率分量;另一类与螺旋桨的转速没有明显的关系(式(1)的第二部分),主要由辅机产生,这部分线谱分量一般比较稳定,线谱位置主要凭经验或实验测量来决定。

假设线谱频率为fi,相应的强度为αi(i=1,2,…,M),φ(t)为随机相位,线谱信号由一系列的正弦信号叠加产生,则线谱的数学模型为

(1)

其中第i阶谐波族的信号形式为

(2)

ni表示第i阶谐波族包含的谐波分量数,αin和fi是由具体舰船而决定的参数,Φin是在[0,2π]上的均匀随机初相。

各参数的设定可按如下方法进行:

1) 100Hz以下线谱是与叶片数及螺旋桨转速直接有关的“叶片速率”谱。可设定线谱频率fi=m·n·s,其中,m为谐波次数;n为螺旋桨叶片数;s为螺旋桨转速。

2) 100Hz～1000Hz的线谱频率一般与航速没明显关系,但因船型而异。可根据一般情况模拟设置k个频率(本文设置3个)。

3) 将特征线谱以外其它频段置零[7]。

图2为用上述方法仿真的线谱频域信号。

图2 舰船辐射噪声线谱信号

2.2 连续谱分量的建模及仿真

连续谱噪声主要是由水动力噪声、机械噪声和螺旋桨噪声组成的,特别是螺旋桨发生空化时,噪声级增加,使得低频线谱相对幅度减小,甚至被连续谱噪声所掩盖[8]。

基本思想:构造一个线性系统,该系统具有与期望的舰船辐射噪声频谱形状相同的频率响应H(k),输入具有恒定功率谱的高斯白噪声随机序列g(m),使之通过该线性系统,即可得到与期望的舰船辐射噪声频谱形状相同的有色噪声序列N(k)。这里构造了一个FIR数字滤波器(较AR滤波器简单快捷)来实现上述功能,该过程如图3所示。

图3 宽带连续谱噪声模拟框图

则宽带连续谱序列可以表示为

N(m)=g(m)⊗IFFT(H(k))

(3)

这里对舰船辐射噪声连续谱的仿真采用三折线模型,即期望频率响应函数为

(4)

式中,α1,α2为折线的斜率;fL,f1,f2,fH为折线的拐点频率,SP,SP0为辐射噪声谱级(dB,相对于1μPa)。

相应的辐射噪声功率谱状可以表示为

G(f)=10(SP/10)

(5)

功率谱中峰值频率在100Hz～1000Hz之间均匀变化,峰值位置随航速增加或航深减小而降低,图4为仿真生成的舰船辐射噪声连续谱信号。

图4 舰船辐射噪声连续谱信号

2.3 调制包络的建模及仿真

当螺旋桨在不均匀尾流场中旋转一周时,每片叶片辐射噪声功率会以一个有一定幅值和形状的随机声脉冲形式出现,声脉冲的具体形态由叶片空化状态、叶片类型及不均匀尾流场分布等因素决定。但在一段时间内,尾流场分布可认为是稳定的,因此,同一叶片在不同螺旋桨转动周期内辐射的随机声脉冲具有相似性。而且,由于同一螺旋桨上各叶片的(如桨型及材料等)物理属性理论上是一致的,因此其不同叶片辐射的声脉冲也必然是相似的。但由于制造过程中的物理差异及长期工作引起的叶片腐蚀等因素使不同叶片的空化程度不同,因此不同叶片在同一周期中辐射的声脉冲就会出现强弱之分[9～10]。

根据调制包络的以上特点,将舰船辐射噪声调制包络视为具有随机幅度、同一形状和相同重复周期的脉冲型随机序列来处理,将单个脉冲的形状取为高斯型:

(6)

3 典型舰船类别辐射噪声计算

3.1 舰船航速与舰船辐射噪声声源级关系

对于特定的舰船,在深度一定时,随着航速的增加,舰船辐射噪声有一个从机械噪声为主向空化噪声为主转化的过程。如图5所示,舰船在低速航行时,低频段的机械噪声占主要成分;当航速大于VP时,螺旋桨非空化噪声起主要作用;当航速超过VC时,螺旋桨产生空化噪声,辐射噪声大幅上升。螺旋桨开始空化时的航速VC称为舰船的临界航速。

图5 不同航速时舰船辐射噪声构成

在一定的环境条件下,舰船辐射噪声存在一个临界航速,当航速小于该临界航速时,声源谱级较小,当高于此临界航速时谱级增加较慢,而在此临界航速内,声源谱级迅速增大。

3.2 水面舰船辐射噪声分析计算

Ross通过研究二次世界期间的舰船辐射噪声的测量数据,证明了在水面舰船噪声中,螺旋桨空化占优势的其它特征,是宽带频谱有强烈的轴频和叶片频调制,以及在这些调制频率的各次谐波上,存在低频的单频分量辐射。

对于舰船辐射噪声总声源级的计算,Ross根据第二次世界大战期间大量水面舰船辐射噪声的测量统计数据,对于30000t以下,航速为8kn～24kn的水面舰船,可使用经验公式表示舰船100kn～10kHz频带内的总声源级与航速和排水吨位的经验公式为

(7)

(8)

式中SL为100Hz以上的总声级,单位为dB;V为航速,单位为节;T为排水量,单位为吨;辐射噪声参考声压为1μPa。

对于大于30000吨的现代大型水面舰船辐射噪声声源级,Ross做出如下的修正:

(9)

4 舰船辐射噪声的生成

舰船辐射噪声时域波形的数学模型为

S(t)=[1+a(t)][(L(t)+N(t))×f(v)×f(t)]

(10)

式(10)中,α(t)为调制函数,它主要由螺旋桨的轴频、叶片频及其倍频等组成,它通过对辐射噪声进行滤波、检波、谱分析而得到,其幅度较小;L(t)为线谱分量对应的时域函数;N(t)为连续谱分量对应的时域函数;f(v)为相应航速比例因子函数;f(t)为对应舰船类别比例因子函数。当舰船大小为4500t,航速为18节时,根据模型得到的仿真信号时域、频域图如图6、图7所示。

图6 舰船辐射噪声时域信号

图7 舰船辐射噪声频域信号

5 仿真结果分析

从图7中可以看出,在低频段(1000Hz以下),通过对典型实测噪声结果数据进行分析,根据特征线谱生成线谱所在频段频谱信号,将其它频段置零,该方法能够比较好地反映出舰船辐射噪声的线谱特征。利用窗函数法设计出一个具有与舰船辐射噪声连续谱特性相一致的特定幅频响应的FIR滤波器,获得舰船辐射噪声宽带连续谱信号。仿真结果表明,该方法能够很好地实现舰船辐射噪声重构,重构信号的功率谱不仅能够很好地拟合舰船辐射噪声的连续谱,同时也能够很好地表现出低频线谱。

6 结语

舰船辐射噪声模拟实现技术是水声信号处理及水声对抗领域比较重要的问题。由于舰船辐射噪声需考虑的问题众多,诸如多途时延特性、概率分布特性和混沌特性等,对其特征模型难以给出精确的描述。本文在对实测舰船辐射噪声结果数据的分析基础上,利用设计特定频率响应FIR滤波器的方法,考虑舰船航速与类别对辐射噪声的影响,实现了舰船连续谱与线谱的同时重构,重构信号能够更加逼真地反应舰船辐射噪声频谱特性,能够为以舰船声场作为目标识别手段的探测装置的研制、试验和验证提供新的更加逼真和可靠的仿真信号源。

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Simulative Technology Method of Warship Radiated Noise

JIANG Jianping LIU Pengzhong ZHANG Guolong

(No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

In order to achieve the lifelike simulation signal of warship radiated noise, analyzing in result data of typical measured noise, the spectrum signal of the frequency bands which contain line spectrum was obtained via feature lin spectrum while other bands were set to zero, then the line spectrum signals was reconstructed in time domain. The FIR filter which special frequency response to match the continuous spectrum feature of the noise was designed using window function method, then the continuous spectrum signals was reconstructed in time domain. The reconstruction of warship radiated noise was gained. The simulation result showed that the method could reconstruct warship radiated noise factually. The result can be used in simulation of the hardware-in-the-loop as a signal source.

feature line spectrum, FIR filter, warship, reconstruction of noise

2014年10月6日,

2014年11月20日

姜建平,男,硕士研究生,工程师,研究方向:水声信号处理。刘鹏仲,男,硕士研究生,工程师,研究方向:水声信号处理。张国龙,男,工程师,研究方向:水声信号处理。

TB566

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.023