有限水域试验场声传播特性的仿真计算与试验

仪修阳，周其斗，吴祥兴

1海军工程大学舰船工程系，湖北武汉 430033

2杭州应用声学研究所，浙江杭州310023

有限水域试验场声传播特性的仿真计算与试验

仪修阳1，周其斗1，吴祥兴2

1海军工程大学舰船工程系，湖北武汉 430033

2杭州应用声学研究所，浙江杭州310023

在有限水域试验场中进行大型复杂结构的水下声振试验，声信号测量和数据处理是关键。天然水域边界条件未知，水文环境复杂，仿真难度高，增加了数据处理难度。采用Matlab和VB混合编程软件AcTUP，分析试验场“沉积层和水位”的选取原则，得到与试验值较为吻合的仿真模型。通过仿真计算，得到固定深度声源的“无因次量纲”参数、固定水深的声源位置及水面粗糙度对试验场声传播损失的影响规律，并基于射线声学理论对试验值和仿真值的偏差进行非相干分析，得到了有限水域试验场的基本声传播特性。

有限水域；声学试验场；声传播特性；边界条件；AcTUP；射线声学理论；偏差

0 引 言

潜艇因其隐身性已成为国家战略威慑武器之一。消声瓦、浮筏隔振、声隐身材料等技术使潜艇的声隐身性能明显增强。号称“大洋黑洞”的“基洛”级常规潜艇的辐射声源级与海洋环境相当，曾

掀起了声隐身技术革命的浪潮。圆柱壳声振特性仿真常用于潜艇声学特性研究［1-2］，但其仿真的可靠性必须进行试验验证。有限水域试验场具有相对宽广的空间，是大型结构物水下声隐身性能验证的首选。为减小边界条件对试验测量精度的影响，美国海军研究所水声部采用高压消声水池研究潜艇声学特性，但建造工艺、消音材料性能和建造成本限制了其应用对象，因此，天然有限水域试验场的选择倍受学者们青睐。

天然有限水域包括江、河、湖、海等，其声传播特性研究已成为潜艇水声对抗的前提。Jensen等［3］指出声传播具有最佳频率，其与水深、声速剖面和水底类型等因素密切相关。国际上，计算海洋声学［4］的发展，水声建模与仿真技术［5］的进步，不仅为本文开扩了思路，也为仿真计算奠定了理论基础。陈鹏［6］基于Kraken，Bellhop，Ray for 3D等代码研究了近海环境声学特性，指出海洋声传播特性可以用声线稳定性参数描述；林巨等［7］采用射线稳定性参数和波动不变量研究了中尺度海洋环境下的声传播特性，为本文的数值仿真提供了可行性依据；陈发等［8］采用射线声学理论和Bellhop模型探究了水文条件对主动水声检测系统信号的影响，为本文研究有限水域仿真模型的选取提供了借鉴；陈鸿洋［9］提出一种基于理论和试验的水下弹性体声辐射特性预报方法，为本文提供了系统的方法论指导。

上述文献针对海洋或者无限水域声传播特性以及沉浸其中的结构物声振特性进行了研究，而有关有限水域声学试验场的声传播特性探究尚处于起步阶段。本文将结合声学理论，采用Matlab和VB混合编程软件AcTUP［10］对试验场声学特性进行仿真计算，提供建模参数设置思路，得到某有限水域声学试验场的声传播特性，从而为工程应用提供技术支撑。

1 声学理论和计算方法

有限水域声学试验场中的波动方程为

式中：P为声压，Pa；c为声速，m/s；r为场点离开声源的距离，m；S(t)为声源频谱信息；δ为描述奇性条件；z为水深，m；zs为声源深度，m。

波动方程有2种求解方法：简正波理论和射线声学，对应的程序计算模型分别为简正波（Kraken）和射线（Bellhop），但Kraken算法仅适用于远程低频，Bellhop算法仅适用于近程高频，因此，单一的计算模型无法满足声学试验场声传播特性研究。本文采用ScooterFields快速场模型［11］，其本质是把波动方程的解表示成波数积分形式，并通过傅里叶变换方法对积分实现高精度、快速率的计算，既包含离散模式，又包含连续模式。

图1 像点和反射声线Fig.1 Virtual sources and reflected waves

忽略边界损失系数和介质吸收系数，满足水面、水底边界条件的声压表达式为

式（2）引自水声原理［12-13］中的射线声学部分，本文根据试验场边界对式（3）进行了修正。

2 试验研究

通过水文勘测，试验场可视为圆柱对称，水深70 m，单频激振声源位于水面以下12.5 m。图2和图3为声学试验总布置图和现场图。为研究试验场60～1 000 Hz的声传播特性，本文采用标准声源

测量了距声源约35和255 m处的声压级，并根据式（4）求得声场点处的传播损失TL

图2 试验场总布置图Fig.2 Arrangement of testing field

图3 有限水域声学试验场Fig.3 Testing field in limited water

式中：PLexperiment为测量声压级；SPL为声源级。

2.1 试验仪器

试验选用的标准声源由压电陶瓷换能器和距其正上方单位距离处的标准水听器组成，无指向性，灵敏度为-190 dB，信噪比不低于30 dB，可以实现低频换能；MODEL L6功率放大器为千瓦级（图4）。

图4 标准声源和功率放大器Fig.4 Standard sound source and power amplifier

2.2 试验方法

该试验的步骤为：

1）将标准声源放置到水面以下12.5 m，以模拟结构水下力激励的位置。

2）根据差分GPS定位系统，分别在距标准声源35和255 m处布置同深度水听器。

3）调整MODEL L6参数，把不同频率、不同发射电压的电信号转化成换能器声信号，标准水听器则把换能器水下激振信号传递到功率放大器，转化成可视化电信号，由式（5）～式（6）求得换能器发射电压响应SV和声源在试验场中校准时的辐射声压级SL。

式中：UJ为声源在试验场中校准时MODEL L6的接收电压，mV；UF为声源在试验场中校准时MODEL L6的发射电压，mV；d为标准水听器和换能器之间的垂直距离。

4）重新调整MODEL L6的信号参数，测量单频60～1 000 Hz的近场声压级 Pnear和远场声压级Pfar，根据式（7）求得标准声源级SPL。

式中：UJS为试验接收电压。

5）根据式（8）求得试验测量的传播损失，并实现试验值和仿真值的对比。

3 试验场声学特性的仿真计算

3.1 声学仿真模型

3.1.1 “沉积层”模型选取

有限水域声学试验场的声传播特性与边界条件密切相关，关键是寻求最切合实际的水底边界。根据前期试验场建设勘测与探头侦察，得到2种声学特性的水底沉积层，如表1所示。表中：ρ为密度；c为声速；αω为单位波长的衰减系数。

表1 水底沉积层声学特性Tab.1 Acoustic characteristics of sediments

通过仿真计算，分别得到了近场、远场“泥—沙”型和“粘泥—粘土”型沉积层的声传播损失，并与试验值和柱面波扩展、过渡波扩展、球面波扩展的理论损失值进行了声学对比（图5）。

由图5（a）可知，“泥—沙”型与“粘泥—粘土”

型沉积层模型的近场传播损失几乎一致，表明沉积层类型对近场点声压分布的扰动很小，可以忽略。由图5（b）可知，2种沉积层模型出现了较大程度的分离，其中“粘泥—粘土”型沉积层模型与声学试验场的吻合度更高，是声学仿真的首选。

图5 “沉积层”仿真模型对比图Fig.5 Simulation model comparison of transmission loss between the sediments

3.1.2 仿真模型的水位选取

有限水域试验场不是封闭的内陆湖，其水位会随雨季、储水期等变动，理想的试验水位大约为70 m，每年的11月份至次年的1月份为最佳试验水位。为得到更符合实际声场的水位，本文仿真计算了水深H=65，70和75 m时的声传播损失。图6分别给出了近场和远场不同水位的声传播损失对比曲线。

图6 不同水位的声传播损失对比曲线Fig.6 Transmission loss curves comparison between different water levels

通过3种水位的近场、远场传播损失仿真值与试验值的对比可知：水深为70 m时，仿真值更接近于试验值。

3.2 声传播特性的仿真研究

通过“沉积层”和水位的仿真值与试验值的对比可知，70 m水深、“粘泥—粘土”型的沉积层模型最符合实际声场。为研究试验场的声传播特性，本文分别仿真计算了固定深度声源的无因次量纲ξ、固定水深的声源深度以及水面粗糙度对声传播损失的影响，并给出了部分频率的对比曲线。

3.2.1 固定深度声源的无因次量纲对试验场声传播特性的影响

由图7可知，无因次量纲ξ对试验场的声传播特性规律与水平距离、声源频率密切相关，总体上呈现以下特征：

1）固定深度声源的无因次量纲ξ对试验场

声传播特性的影响随水平距离的增加而增大。

图7 声传播特性与声源无因次量纲的关系图Fig.7 Relationship between acoustic characteristics and the source zero dimension

2）ξ对近场（60 m内）声传播损失的影响可以忽略，随着距离的增大（尤其是210 m外），ξ对低频声传播损失的影响普遍大于高频：100 Hz时，ξ=5和ξ=1模型的传播损失值差值普遍维持在10 dB；200 Hz时，差值维持在5～10 dB；400 Hz时，差值维持在5 dB；随着频率的增大，ξ的传播损失曲线分离度明显降低。

3.2.2 固定水深的声源位置对试验场声传播特性的影响

为探究声源位置对试验场声传播特性的影响，以声源深度Hs为自变量，仿真计算了当Hs= 10，20，30，40及50 m时的声传播损失，并分别给出100和200 Hz的声传播损失对比曲线（图8）。

图8 声传播特性与声源深度的关系图Fig.8 Relationship between acoustic characteristics and the source depth

由图8可知，声源深度对声传播损失的影响规律总体上有以下特征：

1）100 Hz时，传播损失曲线第1个波谷位置随声源深度的增加而后移，而且谷值随之增大；85 m内，传播损失随声源深度增加而增大；而在85～220 m内，趋势相反；在220～300 m内，Hs=40 m的声传播损失最小。

2）200 Hz时，各声源深度传播损失曲线较为复杂，且波谷数目明显增多；190 m内，各声源深度的传播损失交替变化，而190 m外，声源越靠近水面，传播损失越大。

仿真结果表明：声源位置明显影响试验场的声传播特性，声源深度对声传播损失的规律与水平距离密切相关。

3.2.3 水面粗糙度对试验场声传播特性的影响

试验选择在白天，太阳辐射会导致“热对流”，从而在有限水域水面产生风浪。仿真程序中对这一影响因素定义为水面粗糙度的均方根值，其物理含义是文献［5］中的均方波高，其与1/3有效波高的关系为：

式中，V为风速，kn。风速的计算工况如表2所示。

表2 水面粗糙度计算工况Tab.2 Working conditions of calculation about roughness of water surface

为研究水面粗糙度对试验场声传播特性的影响，本文仿真计算了微风、和风以及强风3种风况下的声传播损失，并给出了低频150 Hz和高频800 Hz的对比曲线（图9）。

图9 声传播特性与水面粗糙度的关系图Fig.9 Relationship between acoustic characteristics and the roughness

由图9可知：

1）低频150 Hz时，Hrms=0.323和0.897时的声传播损失曲线基本吻合；除个别峰、谷点外，水平距离在33 m内时，损失随水面粗糙度的增大而降低；在33～129 m范围内，趋势相反；大于129 m时，3种粗糙度的损失值呈现高低交替变化的趋势，在峰、谷处较为明显。

2）高频800 Hz时，曲线分离度较低频增大；总体上，水平距离在37 m内和70～215 m范围内，损失随粗糙度的增大呈现降低的趋势；在37～70 m范围内和215 m以外，损失随粗糙度的增大呈现先增大后减小的趋势。

4 基于射线声学的试验值和仿真值偏差的非相干分析

试验值与仿真值不完全吻合的原因包括地质面貌、边界阻抗条件、电磁干扰、计算精度、测量误差以及边界反射等，而水面和水底反射是主要的影响因素，为研究其影响效果，本文基于射线声学，忽略相位因素，只考虑声压幅值，对偏差进行非相干分析。

展开式（2），令m=0，只取无穷式前4项。

1）自由场中的声压表达式为

2）仅考虑一次水底反射的声压为

3）仅考虑一次水面反射的声压为

4）仅考虑一次水面和一次水底反射的声压表达式为

为研究水面和水底反射对近场、远场声压级的影响特性，根据式（11）～式（14）的声压表达式和式（15），可得测量声压级的4种理论模型对比曲线（图10）。

图10 近场和远场测量声压级的4种理论模型对比图Fig.10 Comparison between four different theoretical models of sound press level at near and far field

式中：Pe为测量声压的有效值；Pref为参考声压，本文取为1×10-6Pa。

由图 10（a）可知，曲线 dB-P01和 dB-P02，dB-P03和dB-P04的吻合度较高，表明低频声在近场域传播时，水底反射对试验场声压级的贡献值小，而水面反射波的贡献值较大，是引起偏差的主要因素。

由图10（b）可知，在低于150 Hz的频率范围内，曲线dB-P01和dB-P02高度吻合，表明低于150 Hz的声波在远场域传播时，水面反射是偏差产生的主因，而水底的影响可以忽略；高于150 Hz时，曲线dB-P01和dB-P03吻合较好，表明高于150 Hz的声波在远场域传播时水底反射对试验场声压级的贡献值大于水面，但两者共同影响声场分布。

5 结 论

本文采用水声计算软件AcTUP仿真计算了有限水域试验场的声传播特性，通过数值和理论分析，得到如下结论：

1）“沉积层”和水位选取影响试验场声学仿真的效果，当沉积层为“粘泥—粘土”型、水深为70 m时，仿真模型最接近实际工况。

2）固定深度声源的无因次量纲ξ、声源深度、水面粗糙度对试验场声传播特性的影响与频率和水平距离密切相关。

3）低频和中频（小于1 000 Hz）声波在近场域传播时，水面反射波的贡献值较大，是引起偏差的主要因素；在远场域时，水底反射对试验场声压级的贡献值大于水面，但两者共同影响声场分布。

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Simulating calculation and experimental investigation on acoustic transmitting characteristics of the testing field in limited waters

YI Xiuyang1，ZHOU Qidou1，WU Xiangxing2

1 Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

2 Hangzhou Applied Acoustic Research Institute，Hangzhou 310023，China

When vibration and noise control experiments of large complicated structures are conducted in limited water areas,the core aspects are acoustic signal measurement and data processing.The boundary conditions are complex and unknown,and the hydrological environment and acoustic propagation characteristics are intricate,which causes greater difficulties for the numerical simulation and processing difficulty of the signal.AcTUP,a combined program developed by Matlab and VB codes,is adopted to analyze the selection principles of the water level and the sedimentary layers of the testing field,obtaining a simulation model that coincides with experimental values.In this paper,via simulating calculation and analysis,the influence discipline of'zero dimension'parameters concerning fixed depth source,source position of constant water depth and water surface roughness on acoustic transmission loss are obtained,then certain basic acoustic transmission characteristics of the field are acquired through an incoherent analysis of the deviations between experimental values and simulating values based on ray theory.

limited water area；acoustic testing field；acoustic transmission characteristics；boundary conditions；AcTUP；ray theory；deviation

U666.7

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.06.005

2016-05-06

时间：2016-11-18 15:19

国家部委基金资助项目

仪修阳，男，1990年生，硕士生。研究方向：舰艇声隐身技术。E-mail：oucyxy@163.com周其斗（通信作者），男，1962年生，教授，博士生导师。研究方向：水动力和结构振动噪声控制。E-mail：qidou_zhou@126.com

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.tj.20161118.1519.010.html 期刊网址：www.ship-research.com

仪修阳，周其斗，吴祥兴.有限水域试验场声传播特性的仿真计算与试验［J］.中国舰船研究，2016，11（6）：28-34，39. YIXiuyang，ZHOU Qidou，WU Xiangxing.Simulating calculation and experimentalinvestigation on acoustic transmitting characteristics of the testing field in limited waters［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（6）：28-34，39.