作为体积目标的舰船辐射噪声建模

2018-10-29赵亚磊黄仁可

数字海洋与水下攻防 2018年1期

罗建，赵亚磊，黄仁可

（西北工业大学航海学院，陕西西安710072）

0 引言

声波在海洋水介质中拥有远距离有效传播的特性，对舰船隐蔽生存以及武器装备性能有重大影响，因此备受各国海军的关心。大量的实验分析和理论研究，推动了以舰船辐射噪声为信号源的水中兵器以及水声仪器的不断发展和完善。

早在20世纪40年代末，美国就对二战中各种舰船的辐射噪声特性做了反复的测量和研究，虽然现在大部分被测舰船已经不复存在，但是得到了舰船辐射噪声特性的统计规律[1-4]。近些年来，随着对海洋生态的深入研究，国外以渔船为对象也做了大量的测量工作[6-8]。

然而实际测量会消耗大量的人力、物力，因此国内外都非常重视实验室对水中目标噪声的模拟研究，尤其是仿真和重构舰船辐射噪声特性的研究。到目前为止，对于舰船辐射噪声级、连续谱形状等特征的研究相对较为成熟，文献[5，15]研究了典型舰船辐射噪声的重构模型和重构方法，但是文中把舰船看作点目标来建模。与实测对比发现，当探测系统与目标之间的距离和目标的尺度可比时，把舰船简化为一个点目标会带来非常大的误差。为了解决这一问题，研究人员开始把近距离通过的舰船视为体积目标来进行探测。文献[4，9]将舰船看做体积目标，研究了舰船做为体积声源的源强度纵向频谱分布特性。

随着海军装备需求的提高和新技术的应用，研究人员进行实验室模拟研究也越来越频繁，对目标特性的研究也有了更深层次的要求。将舰船作为点目标进行仿真和重构噪声序列已无法满足现阶段的需求，模拟更加逼真的舰船辐射噪声成为了实验室仿真研究的重要方向之一，尤其是重构包含舰船体积特征的舰船辐射噪声场具有重要的实用价值和军事价值。

由于舰船辐射噪声来源本身的复杂性，即使是同一条舰船在不同海洋环境条件和自身航行工况下，其辐射噪声也存在着较大的差异[1]。因此在对目标辐射噪声重构和模拟的过程中，需要尽可能全面地给出反映舰船本身固有特征的特征量。

为了更准确地描述目标噪声特性进而更逼真地模仿和重构目标噪声特性，国内外在舰船辐射噪声的非平稳性、非高斯分布特性和非线性方面投入了大量的研究，尤其是有线谱存在的频段。到目前为止，对运动目标辐射噪声线谱的认识和数理模型的描述还不统一，所取用的分析手段和分析方法也各有差异。早在二战期间，为了能够解决声呐回声测距中目标时有时无的问题，人们就已经开始了信号时变不稳定特性的研究[10]；20世纪70年代，Urick R.J.给出了窄带信号的幅度起伏模型[11-13]；20世纪90年代，陈耀明、陶笃纯等给出了线谱的幅度起伏模型[14]，并且用实测数据验证了该模型的合理性。综合现有的线谱起伏模型，采用周期性局部平稳过程模型和准周期性随机声脉冲序列过程模型来描述水下运动目标噪声线谱相对合适。

1 舰船辐射噪声的产生机理及分类

相较于海洋环境噪声，对于舰船辐射噪声的研究较为成熟，它的产生仅与舰船本身特性有关，不受地理、气候等外部条件的影响。如图1所示，舰船辐射噪声主要分为3类，它们的产生机理、产生部位和频谱结构各不相同[2-3]。

图1 舰船辐射噪声主要分布部位Fig.1 Main parts of ship-radiated noise

1）螺旋桨噪声是由旋转着的螺旋桨所产生的噪声，由螺旋桨空化噪声和螺旋桨叶片振动时所产生的噪声组成。虽然螺旋桨也是船的推进部分，但产生的机理和噪声频谱与机械噪声是不同的。机械噪声是在舰船的内部产生的，噪声信号通过各种方式的传导和传播经船壳辐射到了海水中；而螺旋桨噪声则直接是在船体外部产生，是由舰船在水中航行时螺旋桨的转动引起的。

2）机械噪声指的是在航行或作业舰船上的各种机械振动，通过船体辐射到海水介质中从而形成的噪声。根据舰船上各种机械产生噪声的机理，可将机械噪声分成如下的几类：①不平衡的部件；②不连续的部件；③往复部件；④水动力空化噪声；⑤轴承噪声。由于各种机械运动的形式不同，它们产生的水下辐射噪声的性质也就不同。前3种声源主要产生线谱，噪声的成分也主要是存在于振动的基频及其谐波上的单频成分；而后2种声源主要产生连续谱噪声，且当激起结构部件共振时，也会叠加有线谱。

3）水动力噪声：水动力噪声是由起伏的、不规则的海流流过运动舰船船体表面形成的，是水流的动力作用于舰船的结果。水动力噪声是一种没有规则的噪声，按照布洛欣采夫的理论研究，其噪声强度主要和舰船航速相关。

一般舰船的水动力噪声在强度方面常常会被螺旋桨噪声和机械噪声所掩盖。但是在有些特殊的情况下，比如结构部件或空腔被激励为线谱噪声的谐振源时，就有可能在出现线谱的范围内成为主要的噪声源。

2 舰船辐射噪声频谱结构及特征

对于舰船辐射噪声，由主机、辅机所产生的机械噪声和螺旋桨噪声在多数情况下是主要的辐射噪声源，至于哪一种更为重要，则取决于舰船的航速、噪声频率和吃水深度。图2表示的是2种航速下舰船的辐射噪声谱简图，图2（a）是低航速下的谱，图2（b）则是高航速的谱。在图2（a）中，螺旋桨刚开始出现空化，谱的低频端主要为螺旋桨叶片速率和机械噪声的线谱，随着频率增加，这些线谱会不规则地下降，最终被螺旋桨噪声的连续谱完全覆盖。有时，也可能在连续谱背景上迭加一条或几条的高频线谱，它们是由螺旋桨叶片发生共振产生的，大多数船上装有噪声大的减速器，就可能是这种强线谱的源。在较高航速时（图2（b）），螺旋桨噪声谱增强，并移向低频端，而且，其中某些线谱的谱级变大，而以恒速运转的机械产生的线谱并不变化，不受航速增加的影响。可见，在高航速时，螺旋桨空化噪声的连续谱更为重要，掩盖了很多的线谱。另外，螺旋桨噪声还与航行深度有关，航速一定时，螺旋桨噪声随深度的增加而减小。

图2 不同航速下的舰船辐射噪声频谱简图Fig.2 Frequency spectrum of ship-radiated noise at different speeds

图3是运动舰船机械噪声、水动力噪声和螺旋桨噪声随航速和频率的变化关系图[16]。从图上可以看出：在低速、低频条件下，机械噪声是主要的辐射噪声源；随着航速增高，高频部分主要的辐射噪声源是螺旋桨空化噪声，低频部分，水动力噪声成为了主要的噪声源。

图3 三类主要噪声随航速和频率的变化关系图Fig.3 Relation diagram of three kinds of main noises varying with speed and frequency

在重构辐射噪声时，简单的将舰船视为一个点目标来考虑，会存在较大的误差，因此需要对舰船不同部位声源的贡献和影响分别进行考虑，将舰船视为体积目标。与点目标不同，我们将不仅仅只限于知道舰船作为一个点声源时声源强度及其能量的频域分布，并且需要研究舰船辐射噪声不同辐射声源的空间分布特性。根据舰船结构从理论上研究各类辐射声源引起的舰船辐射噪声级的纵向分布是十分复杂的问题[2-3，17]，然而利用近场实际测量得到的实船噪声通过特性分析却有可能获得统计意义的规律性[10-11]。

3 舰船作为体积目标辐射噪声建模

根据以上分析，建立舰船作为体积目标辐射噪声的模型如图4所示。设船长为L，建立左手坐标系oxyz，舰船中心为坐标原点。船尾用点SW表示，

则坐标为（0，－L／2，0），也可以用矢量·j表示，j是y轴上的单位矢量。船头用点SS表示，则其坐标为（0，L／2，0），可用矢量表示为·j。沿着船的纵向上取任意一个点S，其坐标为（0，y，0），矢量表示为。在空间点P处布放水听器，其坐标为（D，Q，H），矢量表示为·i＋Q·j＋H·k，其中D表示舰船与水听器的横距，H表示水听器的布放深度。

图4 作为体积目标的舰船辐射噪声建模Fig.4 Modelling of ship-radiated noise as a volume target

把舰船看作一个连续的线列阵声源，该线列阵声源的特点是它的任意点源S都具有不同的功率谱密度函数S（y，ω），每一个点都是一个点源，满足球面扩展定律。这样点P处接收的舰船辐射噪声功率谱就可以被认为是连续的线列阵声源上每一个点所辐射的功率谱在点P处的线性叠加，即：

式中：

代入上式可得：

公式（1）与公式（3）能够完整地描述舰船作为体积目标的辐射噪声场纵向分布特性，但是它一般无解析解，只能用数值算法求解，因此在实际应用过程中需要对它进行进一步的简化。从舰船辐射噪声频域分布来看，每一个频段都有一个主要声源，并且主要声源辐射的能量所占比重很大，因此在实际应用中，我们可以忽略其他次要声源辐射的能量，只考虑主要声源辐射的能量。

由此可以得到只考虑主要声源的功率谱：