基于标准声源的有限水域试验场声传播特性试验研究

仪修阳, 周其斗, 谢志勇

(海军工程大学 舰船工程系，武汉 430033)

基于标准声源的有限水域试验场声传播特性试验研究

仪修阳, 周其斗, 谢志勇

(海军工程大学 舰船工程系，武汉 430033)

舰艇噪声控制实验中，为保证模型和实艇的声学相似性，增大模型比例是关键，实际上，大比例舰艇模型的声学实验很难在消声水池中进行，因此，天然有限水域试验场成为首选。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至关重要。天然有限水域边界条件未知，水文环境及声传播特性复杂，仿真难度高，增加了水声信号的处理难度。基于标准声源试验研究某有限水域试验场的声传播特性，实质上是把水下辐射声压级测量值归一到距标准声源单位距离处的声压级，采用AcTUP软件对试验场的沉积层声学特性和水位选取原则进行探究，并基于射线声学理论对声压级试验值和理论值的偏差进行非相干分析，从而得到试验场基本声学参数对声传播特性的影响规律。

有限水域；标准声源；水声信号处理；射线声学理论；非相干性分析；声传播特性

国际上，空气声学实验通常在消音室中进行，吸声尖劈和吸声材料可有效避免界面反射干扰。不同于全消音室，半消音室不仅能提供极低的本地噪声，而且能为大型机械设备的声学性能测量提供硬地面支撑，成为空气声学实验的首选。相对空气声学试验，舰艇水下噪声控制试验很难在消声水池中进行。根据声学相似原理，水中的声速约为在空气中的4.3倍，由c=λf可知，同一频率下，水中波长约为空气的4.3倍，极大增加了对吸声材料的尺寸要求和工艺设计标准。目前，只有少数科研机构采用全消声水池探究大型船舶水下声学特性，美国海军研究所水声基准分部曾采用高压消声水池研究声导鱼雷、水雷、声呐换能器、标准水听器及潜艇等，效果明显。消声水池相对天然有限水域利用率高，但建造困难和复杂性在于：要在池外通过高压封口控制其内部的换能器位置和取向；入口部分限制换能器的尺寸；造价非常昂贵[1]。因此，消声水池得不到普遍应用。

试验研究舰艇水下声辐射特性，首选天然有限水域。有限水域试验声场主要分为两类：第一类是海上试验场，这种试验场地比较开阔，容易建立自由声场，但海风、海浪、海流甚至海冰等复杂的天气因素无法保证全天候测量，生物鱼群、气泡涌动以及复杂的背景噪声使信号筛滤极其困难，除大型声呐总体试验需要此类试验场外，其它的大多数水声换能器或基阵参数性能测量往往不在海上进行；第二类是利用安静的海湾、天然湖泊或水库建立起来的有限水域声学试验场，水域空间相对换能器和基阵尺寸波长较大，此类试验场地往往需要锚泊的趸船、固定的码头或栈桥。本文研究水域为某天然有限水域试验湖，水文环境未知，声传播特性明显受到边界影响[2-3]。

声信号在深海中通过声信道[4-5]传播，按球面波衰减规律[6]进行推算所引起的差异无法满足测量精度，因此，有限水域声学试验数据处理必须研究其声传播特性。陈发等[7]基于射线声学理论和BELLHOP模型探究了水文条件对水声信号检测的影响，为本文的数值仿真提供了可能；林巨等[8]采用射线稳定性参数和波动不变量对特殊海洋环境下的声传播特性进行了研究，为本文垫定了理论基础。

本文采用水声计算软件AcTUP[9]对试验场沉积层声学特性和水位选取原则进行研究，得到了相对符合实际的有限水域仿真模型，计算了不同试验频率和距离的声传播损失，同时基于波动声学和射线声学理论分析了试验场声压分布，并根据射线声学理论探究了水面和水底边界反射对声压级的影响规律，为声场校正提供了技术依据。

1 声学理论方程

平静水面近似为反射系数为1的压力释放界面，水底近似为绝对硬边界；水底与岸壁走势线型未知，边界条件复杂多变，理论分析极其复杂，只能通过对次要因素的忽略仿真和试验实现对声场特性的研究。标准声源距离水面12.5 m，水深70 m，距离两岸300 m，远远大于声源与水底的深度57.5 m，因此标准声源与水面、水底反射源是主声源，岸壁反射源是次声源；标准声源位置距离水面12.5 m，模拟船舶水下噪声源，单频激励，在离开声源35 m、255 m附近区域设置两个差分水听器。声场试验布置如图1所示。

图1 声学试验场总布置图Fig.1 Overall layout sketch of the acoustic experimental field

声学基础中，通常把介质看成均匀的，忽略水的黏滞性和热传导条件，得到小振幅波动情况下的运动方程[10-11]

▽2p+k2p=0

(1)

式中：p为空间坐标的声压函数；波数k=ω/c。

1.1边界条件、辐射条件及奇性条件

水面为压力释放边界，边界条件为

p(x,y,z,t)|Z=0=0

(2)

水底近似绝对硬边界，边界条件为

(3)

标准声源在自由场中以球面波形式辐射能量，辐射条件为

(4)

满足条件式(1)和式(4)的无限水域波动方程解的基本形式(射线声学理论解)为

(5)

标准声源在R→0时，p→∞，构成了声源处的奇性条件，由狄拉克δ函数，则声压满足奇性条件的非齐次Helmholtz方程

▽2p+k2p=-4πδ(R)Aejωt

(6)

式中，δ(R)为流域三维空间表达式，定义流域内狄拉克δ函数为

(7)

1.2声学波动方程

1.2.1 波动声学解

图1描述声场可简化为硬底均匀浅海声场，基于问题的对称性，结合简正波理论，把式(6)转化为柱坐标形式

(8)

满足边界条件式(2)和式(3)的波动方程解[14]

(9)

(10)

根据波动声学，任意一声场点声压为无穷级数展开式，分析计算过程较为繁冗，工程问题上，采用射线声学更加方便。

1.2.2 射线声学解

图2 虚源及其反射声线Fig.2 Virtual sources and their reflected waves

(11)

(2) 计入一次水底和水面反射，式(11)破坏了p(x,y,z,t)|Z=0=0平衡性，假设O01、O02关于水面“偶极”对称虚源分别为O03、O04，结合湖面边界条件，得到叠加声压

(12)

(13)

(4) 无穷次水底和水面反射，式(13)又破坏了水面边界的平衡性，必须继续增加O11、O12的虚源，如此重复，每叠加一对虚源，意味着增加一次水底或水面反射，叠加虚源越多，合成总声压越接近实际声场。为了同时满足水面、水底边界条件，得到有限域声场表达式

(14)

(15)

关于镜像虚源方法，刘伯胜等在水声原理中做出了详细说明，图2、式(11)～式(15)参考文献[10]，并根据实际边界条件进行了修改。

2 基于标准声源的试验场声学特性试验研究方法

2.1标准声源基本参数

标准声源是压电陶瓷换能器，指向性DI=0，灵敏度M0=-190 dB，信噪比大于30 dB，标准声源正上方d=1 m处，有一标准水听器，用于声信号采集；MODEL L6型功率放大器为Kilowatt Amplifier，满足试验声场“电-声-电”信号转化的功率要求。

(a)(b)

2.2声传播特性试验研究思路

(1) 将标准声源放置到水面以下12.5 m。

(2) 利用差分GPS定位系统，分别在距离标准声源Lnear=35 m(近场)、Lfar=255 m(远场)附近布置同深度水听器。

(3) 利用MODEL L6功率放大器将不同频率、不同发射电压的电信号转化为换能器的声信号，标准水听器则把换能器在水深h=12.5 m环境下接收到的声信号转化成电信号。根据式(16)和式(17)分别得到换能器发射电压响应SV/dB和标准声源级SL/dB，以完成标准声源在试验场中的量程校准。

(16)

(17)

(4) 重新调整MODEL L6功率放大器参数，通过“电-声-电”传递途径，测得试验单频60～1 000 Hz的接收电压UJS/VmFF、近场声压级Pnear和相对远场声压级Pfar。UJS与步骤(3)中的UJ意义有所不同：UJ为换能器在试验场量程校准时的接收电压，用于调整仪器的额定功率以免造成损害；UJS为试验研究时的接收电压。根据式(18)，得到试验测量时的声源级SPL/dB。

(18)

(5) 根据式(19)求得试验场的传播损失值，并实现试验值和仿真值的对比。

TL=SPLEXPERIMENT-PLMEASUREMENT

(19)

3 基于AcTUP的试验场声学特性研究

3.1试验场最佳仿真模型

3.1.1 “沉积层”选取原则

沉积层声学特性影响试验场的声传播特性。根据地质勘测和探头拍照等手段，得到两种相对可靠的水底沉积层，如表1所示。

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

表1中：ρ为密度；c为声速；αω为衰减系数。

通过仿真计算，分别得到了近场、远场“泥-沙”型和“黏泥-黏土”型沉积层的声传播损失，并与试验值、柱面波扩展、过渡波扩展以及球面波扩展理论损失值进行声学对比，如图4所示。

(a) 两种沉积层的近场传播损失对比

(b) 两种沉积层的远场传播损失对比图4 “沉积层”仿真模型对比图Fig.4 Simulation model comparison figures between the sediments

根据图4(a)可知，“泥-沙”型和“黏泥-黏土”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扰动很小，可以忽略。根据图4(b)可知，两种沉积层模型出现了较大程度的分离，其中“黏泥-黏土”型沉积层模型与声学试验场的吻合度更高，是声学仿真首选。

图4表明，声传播规律遵循球面波扩展，关于试验值和仿真值的偏差产生原因，可通过固定深度声源的“无因次量纲ξ”、固定水深的声源位置以及水面粗糙度等试验场基本声学参数进行研究。

3.1.2 水位选取原则

有限水域试验场水位随储水期等变化，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。为得到更加符合实际水文条件的水位，本文仿真计算了水深H分别为65 m、70 m、75 m时的声传播损失，图5给出了近场和远场不同水位的声传播损失对比曲线。

通过三种水位的声传播损失仿真值与试验值的对比可知：70 m水位是最佳仿真水位。

(a) 近场

(b) 远场图5 不同水位的声传播损失对比曲线Fig.5 Transmission loss curves comparison between different water levels

3.2声传播特性的仿真研究

通过试验场最佳仿真模型的对比可知，70 m水深、“黏泥-黏土”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，并给出了代表性频率的对比曲线。

3.2.1 试验场声传播特性与恒定深度声源的“无因次量纲”的关系

无因次量纲对比曲线：f=150 Hz，Zs=12.5 m；Zr=12.5 m

(a) 150 Hz

(b) 500 Hz图6 声传播特性与声源“无因次量纲”的关系图Fig.6 Relationship figures between acoustic characteristics and the source “zero dimension”

根据图6可知，无因次量纲ξ对试验场声传播特性规律与水平距离和频率密切相关，总体上呈现如下特征：

(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增大。

(2)ξ对近场声传播损失影响可以忽略，随着距离的增大，ξ对低频声传播损失影响明显大于高频。150 Hz时，ξ=5和ξ=1模型的传播损失值差值普遍维持在5～25 dB，平均差值15 dB；500 Hz时，除谷值处，平均差值维持在10 dB；而且随着频率的增大，ξ=1～5的传播损失曲线分离度明显降低。

(3) 低频150 Hz时，声传播损失在155 m范围内与ξ关系很小；255～295 m内，声传播损失随ξ呈现“先增大后减小”的趋势；295～500 m，声传播损失随ξ呈现增大的趋势，但365～500 m内，ξ=2时的传播损失最小。

(4) 高频500 Hz时，声传播损失峰、谷数明显增多，而且在超过200 m的远场范围内，声传播损失随ξ呈现出“先增大后减小”的变化趋势。

3.2.2 试验场声传播特性与恒定水深的声源位置的关系

当水深恒定时，声源位置影响试验场声传播特性，以声源深度Hs为自变量，仿真计算了当Hs分别为10 m、20 m、30 m、40 m及50 m时的声传播损失，本文只给出低频80 Hz和高频600 Hz的声传播损失对比曲线，如图7所示。

固定水深的声源深度对声传播影响规律的对比曲线：f=80 Hz

(a) 80 Hz

(b) 600 Hz图7 声传播特性与声源深度的关系图Fig.7 Relationship figures between acoustic characteristics and the source depth

根据图7可知，试验场声传播损失与声源深度的关系总体上呈现以下特征：

(1) 80 Hz时，除Hs=10 m外，声传播损失曲线第一个波谷位置随声源深度后移，且谷值随之增大；85 m内，传播损失随声源深度增加；85～175 m内，变化趋势相反；175～280 m，Hs=30 m的声传播损失较小。

(2) 600 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；95 m范围内，各声源深度的传播损失变化趋势基本一致；95～185 m内，声传播损失随声源深度交替变化，无明显变化规律；185～280 m内，声传播损失随声源深度呈现出“先增大后减小”的趋势。

仿真结果表明：声源深度对声传播损失的影响规律与水平距离和频率密切相关。

3.2.3 试验场声传播特性与水面粗糙度的关系

试验选择在白天，太阳辐射会导致“热对流”现象，在水面引起风浪。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，其与1/3有效波高的关系[16]如下

Hrms=0.704H1/3

(20)

H1/3=0.566×10-2V2

(21)

式中，V为风速，knot，风速计算工况如表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

水面粗糙度影响试验场声传播特性，本文仿真计算了微风、和风以及强风三种风况下的声传播损失，并给出低频100 Hz和高频800 Hz的对比曲线，如图8所示。

根据图8可知：

(1) 低频100 Hz时，Hrms=0.323和0.897的声传播损失曲线基本吻合；水平距离在93 m内时，传播损失随水面粗糙度降低；93～300 m范围内，三种粗糙度的损失值呈现高低交替变化的趋势，但偏差最大不超过3 dB。

(2) 高频800 Hz时，曲线分离度明显增大；37 m内、70～215 m，声传播损失随粗糙度呈现降低的趋势；37～70 m、215 m外的范围内，损失随粗糙度呈现“先增大后减小”的趋势。

仿真结果表明：水面粗糙度对高频声传播损失的影响明显大于低频。

水面粗糙度对低频声传播特性的影响曲线：f=100 Hz

(a) 100 Hz

(b) 800 Hz图8 声传播特性与水面粗糙度的关系图Fig.8 Relationship figures between acoustic characteristics and the roughness

4 结 论

无限水域中，标准声源遵循球面波扩展规律。事实上，大型舰艇水下声振试验场很难满足无限水域，意味着试验测量数据在一定程度上无法真实反映水下噪声源的声振特性，因此，试验研究试验场的声传播特性成为了校正测量数据的关键技术。基于标准声源的有限水域试验场声传播特性研究，是声场测量数据校正的根本，是声场校正的基础，可为大型复杂结构物水下声振特性的理论预报提供修正依据。

通过研究，可以得到如下基本结论：

(1) 有限水域的声传播特性与固定深度声源的“无因次量纲ξ”、固定水深的声源深度、水面粗糙度以及频率、水平距离等试验场基本声学参数密切相关。

(2) 试验值与理论值或者与仿真值的偏差主要来自于水面反射和水底反射，试验过程中应尽量避免地质面貌、边界阻抗条件、电磁干扰、计算精度、测量误差等次要原因。

(3) 水文环境是影响试验数据处理的主要因素，本文试验过程中，标准声源距离水面12.5 m，距离水底约60 m，两者远远小于声源与两岸的距离300 m,意味着复杂的两岸反射波相对水底、水面反射波可以忽略。

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Experimentalstudyonacoustictransmittingcharacteristicsofthetestingfieldinlimitedwatersbasedonareferencesoundsource

YI Xiuyang, ZHOU Qidou, XIE Zhiyong

(Department of Naval Achitecture Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

In naval vessel noise control experiments, in order to guarantee the acoustic similarity between the vessel and its model, increasing the model proportion is the core. Actually, it is difficult to carry on large-scale model acoustic experiments in anechoic tanks, thus the testing field in natural limited waters becomes the first choice. When vibration and noise control experiments of large complicated structures are conducted in limited water areas, acoustic signal measurements and data processings are of great significance. In natural limited waters, the boundary conditions of acoustic field are unknown, the hydrological environment and characteristics of acoustic propagation are complex, its numerical simulation is complicated, which increases the processing difficulty of underwater acoustic signals. The experimental studying on acoustic transmitting characteristics of the testing field in limited waters based on a reference sound source, in essence, is to transform the measured underwater acoustic radiation of ships in near-field into the sound pressure level at a unit distance from the reference source. Then, AcTUP was adopted to explore the acoustic characteristics of sedimentary layers and the water level selecting principle for the testing field. Lastly, through incoherent analysis of the deviations between experimental values and theoretical values based on the ray acoustic theory, the influences of basic acoustic parameters on the field acoustic transmitting characteristics were expounded.

limited waters; reference sound source; underwater acoustic signal processing; ray acoustic theory; incoherent analysis; acoustic transmitting characteristics

O427.9

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.19.031

国防预研究基金项目

2016-02-02 修改稿收到日期：2016-07-26

仪修阳 男，硕士生，1990年生

周其斗 男，博士，教授，博士生导师，1962年生