船舶辐射噪声信号的航行声特征仿真方法研究

郑 援，杨 刚，何宪文

（海军潜艇学院，山东 青岛 266199）

1 引言

信号接收者检测到的船舶辐射噪声信号在总声强和谱分布上会随着船舶的航行而发生变化，可以用于估计船舶的航行方向和速度等参数。因此，对于关注船舶航行特征的仿真应用如声纳信号仿真、水下噪声场仿真等，具有航行声特征的船舶辐射噪声信号更有利于增强其仿真的逼真性，也更易被采用。

在进行船舶辐射噪声信号的仿真时，已有研究工作通常采用如下方法：从高斯白噪声开始，通过信号处理逐步增加连续谱、调制谱和线谱特征，并考虑听觉的影响，将其变换为具有指定船舶信号特征的辐射噪声信号［1-5］。这些研究工作很好地实现了船舶辐射噪声信号的静态仿真，但均没有考虑在所模拟的辐射噪声信号中体现速度和方向等航行声特征。

此外，有一些商用工具软件为多媒体应用或游戏开发提供了3D 音效方面的API 支持［6-8］，但通常针对空气声进行立体声音效和动感音效的生成，即通过设定最大距离、最小距离以及滚降因子等参数，实现由于听众和声源位置发生相对变化而产生的声音衰减。需要注意，模型不同于水声传播规律。

为了生成船舶航行时仿真度较高的辐射噪声信号，本文研究并给出了一种船舶辐射噪声信号的航行声特征仿真方法。通过仿真辐射噪声的声强和频谱变化，体现船舶的航行声特征，并使所生成的船舶辐射噪声仿真信号在人耳听觉上平滑、自然，没有分段、卡顿的感觉。该方法对于关注船舶航行特征的仿真应用具有工程参考价值。

2 船舶航行声特征仿真方法

2.1 仿真过程

为了实现船舶辐射噪声信号的航行声特征仿真，改进已有船舶辐射噪声信号的静态仿真方法，通过增加针对船舶航行过程中声强和频谱变化的信号处理，使所生成的船舶辐射噪声信号具有指定的航行声特征。

仿真过程如下：

（1）对拟用于生成船舶辐射噪声信号的连续谱和线谱合成时域信号，按时间进行分段；

（2）针对每一段信号，依据其对应时刻船舶的当前位置、船舶的初始位置以及接收者的当前位置，对该段连续谱和线谱合成时域信号的每一频率点分别进行基于水声传播损失的强度调整，并合并经过强度调整后的时域信号分段；

（3）使用拟用于生成船舶辐射噪声信号的调制谱信号，调制经过强度调整处理的连续谱和线谱合成时域信号，得到具有航行声特征的船舶辐射噪声信号。

显然，步骤（1）和步骤（2）是区别于已有船舶辐射噪声信号静态仿真方法的关键，下面给出具体的信号处理方法。

2.2 信号处理

令gx为拟用于生成船舶辐射噪声信号的连续谱和线谱合成时域信号，即船舶辐射噪声信号静态仿真方法得到的中间信号，其时长为T、采样率为fs，将其按照时间长度Δt（Δt≤1 s）分为n段。

针对于每一段信号gxi(1 ≤i≤n)，依据其对应的时刻ti时，船舶航行到的当前位置pi、船舶的初始位置p0以及接收者的当前位置precv_i，对该段连续谱和线谱合成时域信号的每一频率点分别进行基于水声传播损失的强度调整，具体如下。

计算强度调整向量transi：

式中：TL(f,p1,p2)为频率为f（单位为Hz）的信号由p1点传播至p2点时以dB 为单位的水声传播损失；wrev是反转向量函数。

对信号gxi进行傅里叶变换：

式中：fft为傅里叶变换。

对傅里叶变换值fft_gxi进行强度调整计算：

将强度调整后的傅里叶变换值fft_adjusted转换回时域信号：

式中，ifft为傅里叶逆变换，real为复数取实部函数。

合并经过强度调整处理的各段连续谱和线谱合成时域信号gx_adjustedi：

最后，使用船舶辐射噪声信号的调制谱信号ax对总时域信号gx_adjusted进行调制，即可得到具有航行声特征的船舶辐射噪声仿真信号s：

3 仿真实验及结果分析

3.1 仿真实验

为了检验本文所研究船舶辐射噪声的航行声特征仿真方法的实际效果进行了如下仿真实验，下面给出其中一次仿真实验的过程。

该仿真实验拟生成时长为120 s 的具有航行声特征的船舶辐射噪声信号。实验中，接收者位于[2 000 0-20]、静止听测；航行船舶的等效辐射噪声声源位置位于水下5 m，初始坐标定为[0 0-5]，以航速[10 0 0]在水面航行120 s。上述坐标的单位均为m、速度单位为m/s。主要仿真参数赋值如下：p0=[0 0-5]；因为接收者静止，所以precv_i=[2 000 0-20]；pi=p0+[10 0 0]×ti。

图1 为拟用于生成船舶辐射噪声信号的连续谱和线谱合成时域信号gx，时长T为120 s、采样率fs为44 100 Hz。

gx按照时间片长度Δt=1 s 进行分段，共分为n=120 段。按照给出的强度调整方法，对每一段信号gxi，依据其对应时刻ti时，船舶航行到的当前位置pi、船舶的初始位置p0、接收者的当前位置precv_i，对该段信号进行基于水声传播损失的强度调整。

在计算强度调整向量transi时，水声传播损失TL(f,p1,p2)采用了基于扩展和吸收损失的经验模型［9］。令海深H=1 000 m，TL的具体计算方法如下：

将经过强度调整后的各段信号合并，得到经过强度调整处理的全部连续谱和线谱合成时域信号gx_adjusted，如图2 所示。

采用如图3 所示的调制谱信号ax，对时域信号gx_adjusted进行调制，ax时长为120 s、采样率为44 100 Hz，与gx_adjusted一致。信号调制完成后，得到时域信号s，即具有航行声特征的船舶辐射噪声仿真信号，如图4 所示。

图5 给出了信号s随时间推移的声强变化。图6 给出了信号s随时间推移的频谱变化，其中各像素点表示对应频点在该时刻以dB 为单位的相对谱级。

图7 是信号s在1 s 和120 s 时的谱分布比较。从图7 能够更清楚分辨出不同频点的声强随距离的变化量并不相同。

3.2 实验结果分析

由图4～图7 可以看出，本文方法生成的船舶辐射噪声仿真信号，通过声强、频谱的变化体现了该声源由远至近的航行声特征：信号的总声强逐渐增大，且信号高频段谱级随距离缩小的增大程度要高于低频段，与实际船舶航行所能体现的航行声特征基本一致。此外，由于采用先在连续谱和线谱合成时域信号上增加航行声特征再进行调制谱信号调制的顺序进行船舶辐射噪声仿真信号的生成，生成的具有航行声特征的船舶辐射噪声仿真信号在人耳听觉上平滑、自然，没有分段、卡顿的感觉。

4 结语

船舶航行过程中，接收者接收到的辐射噪声信号并非稳定不变，而是在总声强和谱分布上随着其航行的方向、速度发生变化，接收者可将这些航行声特征用于判断船舶航行的方向和速度。本文研究并给出了一种在船舶辐射噪声仿真信号中增加航行声特征的方法，仿真实验结果显示：该方法所生成的信号能够通过声强、频谱的变化，体现船舶航行的声特征，且在人耳听觉上平滑、自然，没有分段、卡顿的感觉，达到了较高的逼真度，对声纳信号仿真、水下噪声场仿真等应用具有工程参考价值。