基于浅海声信道特征测量的舰船水下辐射噪声源级获取方法

刘玉财 陈 毅 易文胜

(杭州应用声学研究所，浙江杭州 310023)

收稿日期：

2020-09-01，

修回日期：

2021-01-25

基金项目：

国家重点研发计划项目(2016YFF0200900)资助。

作者简介：

刘玉财(1994.11-)，男，助理工程师，硕士，主要研究方向：水声计量与测试技术。

1 引 言

舰船是各国海军战略威慑力量的重要组成。舰船水下辐射噪声对舰船的战场生存和武器装备性能都有着重大影响，是评价舰船作战能力及隐蔽性的重要指标。开展水下辐射噪声测试，将为舰船水下噪声控制提供数据支撑，促进舰船声隐身性的发展，保障作战使命的顺利完成。提高舰船噪声测量水平是有效降低舰船噪声的根本要求，也是舰船装备发展的必然需求，受到各国海军的高度重视。

在实际海洋中开展舰船水下辐射噪声测试是一个较为复杂的声学问题，将面临着高背景噪声、混响、海况、采集处理方法、航速等诸多因素的制约，给噪声测量带来极大的不确定性。如何科学、准确的测量或评定舰船的水下辐射噪声量值受到了重点关注，为解决上述问题，各国学者和研究人员都开展了大量工作，在国内外也建有一批各具特色的船舶水下辐射噪声试验场。试验场主要包括美国SEAFAC、AUTEC试验场，挪威Heggernes深水试验场、俄罗斯远东试验场和意大利WAAS水声试验场等。并且发布有相关噪声测量通用技术标准和规范。如：ISO17208—1、Rules for Classification for Ships Part 6 Chapter 24、和NR614等。我国周边海域大部分为浅水域，因此开展浅水域水下辐射噪声测量与分析研究极为重要。目前，国内有关水下辐射噪声测量的标准文件只有两种，分别为GJB 4057—2000和GJB 2168—94，随着科技和工艺的进步，舰船水下辐射噪声呈现逐年下降趋势，标准给出的传统测量方法已无法满足新型舰船水下辐射噪声准确测量的要求。为此，已发展出采用多水听器阵列和矢量水听器等多种测量方式以及多样化的噪声测量分析方法。

多水听器阵列测量仍然是当前以及未来一段时期的主流测试方式，对于声阵列测量数据最主要的处理方式有，矢量叠加、矢量传递函数和能量叠加。矢量叠加体现为波束形成、矢量传递函数用于源分布特性反演，能量叠加体现为空间平均，即通过多阵元输出信号的能量叠加再平均，以此来抑制单个阵元输出结果误差大的方法。

以准确测量舰船水下辐射噪声量级为目的，结合我国浅海测试环境的特点，本文探讨以能量平均声压级曲线来表征浅水域水下声传播特征，基于该曲线特征提出一种测量浅水域舰船辐射声源级、传播损失的工程简化方法，可以降低因声场起伏而带来的测量误差，提高噪声测量的准确性，通过仿真和湖上验证试验，初步验证了该方法的可行性和准确性。

2 测试量与水声模型

2.1 测试基本量

2.1.1

声压谱级

声压信号通过带宽1Hz的理想滤波器得到的声压级，由式(1)计算

L

(

f

)=10lg[

p

(

f

)

/Δf

]=

L

(

f

)-10lg(

Δf

)

(1)

式中：

p

(

f

)——通过第

i

号滤波器的有效声压，单位μpa；

Δf

——第

i

号滤波器的有效带宽，单位Hz；

f

——第

i

号滤波器的中心频率，单位Hz。

2.1.2

声压谱源级

L

(

f

)=

L

(

f

)+

ΔTL

(2)

式中：

L

(

f

)——声压谱级，单位dB；

ΔTL

——声传播损失，单位dB；

f

——第

i

号滤波器的中心频率，单位Hz。

2.1.3

频带声源级

(3)

式中：

L

(

f

)——第

i

号滤波器频带内的频带声压级，单位dB；

ΔTL

——声传播损失，单位dB；

L

——频带声压级，单位dB。

2.1.4

能量平均声压级

(4)

式中：

p

——第

j

号水听器接收声压在频率

f

处的有效值，单位μPa；

N

——水听器数量。

2.2 水声计算模型

由于不同水域地质地貌差异较大，难以获取准确的水域参数，在此对环境结构做部分理想化处理，建立浅水域测试模型如图1所示，仿真选取的部分环境声学参数见表1，水底反射满足瑞利反射条件。依据射线法和声波叠加原理，即可推导相应的声场声压计算模型。

图1 浅水域模型示意图Fig.1 Schematic diagram of shallow water model

表1 水声环境参数Tab.1 Hydroacoustic environment parameters of the model水深H(m)海水密度ρ0(kg/m3)水中声速c0(m/s)声源深度h(m)沉积介质密度ρ1(kg/m3)沉积介质声速c1(m/s)60103015291520341836

3 数值仿真分析

由于浅海环境的复杂性，目标水下辐射声场必然呈现出一种时空变化特性，本文设计采用覆盖垂向深度的多水听器或阵列，实现对深度方向的空间声场进行多点采样，中心水听器位于水域中间，并采用空间能量平均方法处理测试信号，分析浅水域环境下的声传播特性。

本文设计了单频连续和宽带噪声两种信号用于模拟目标水下辐射声信号，设计信号及频谱如图2

图2 仿真信号图Fig.2 Simulation signal

所示。阵列中心水听器与采用空间平均方式处理阵元数据获得的1kHz对应辐射声传播曲线如图3所示，相同水平距离下，两种不同测量方式对应声传播损失随频率的变化情况如图4所示。

图3 单水听器与阵列测试对应传播曲线图Fig.3 Propagation curve of single hydrophone and sensors array

图4 不同测试方式对应传播损失变化图Fig.4 Different test methods correspond to changes in propagation loss

分析图3中的曲线，可以看到，由于水面及水底反射作用，单水听器测量声传播曲线呈剧烈的起伏波动，对比之下，采用空间平均方法能够很好的抑制这种起伏，获得的传播曲线也更加平滑。此外，图4中的曲线为在200m水平距离下的测试结果，可知由于不同频率对应声场分布不同，导致相同位置处的声场出现较大差异，而空间平均的对象是垂向声场的总能量，在大于信道截止频率测量条件下，可以很好的弱化因频率差异带来的影响，如频带内声场测试起伏由约47.4dB降低为4.5dB。

由于空间能量平均方法能够很好的抑制界面反射导致的声场起伏，采用该方法处理宽带噪声对应声场测量数据，得到不同频率成分随距离对应的声传播损失点集，如图5所示。可以看到，随着频率的变化，不同距离对应传播损失的差异很小，并且随距离变化表现出相同的趋势和规律。

图5 宽频带声传播损失及拟合曲线图Fig.5 Wideband sound propagation loss and fitted curve

为此，利用声能量传播曲线所表现出来的这一特性，提出一种测量浅水域目标声源级/传播损失的工程简化方法，可以减小因声场起伏而带来的测量误差，该方法基于垂向多基元空间能量平均来实现，通过对声信道传播特征的测量，可拟合获取对应声传播损失修正因子。根据图3和图5中的数据特征及与参数的关系，提出一个拟合经验计算公式如式(5)，该公式在柱面波传播模型上添加了声场修正因子。其中

C

，

C

和

C

分别为声场系数，与特定水域空间尺寸及环境参数相关联。

L

=

L

+10lg(

R

)+

C

·

R

+

C

·

R

+

C

(5)

利用式(5)对宽度噪声数据进行拟合得到各声场系数，频带内拟合结果见表2，拟合公式曲线与不同频率对应传播曲线差异的统计结果见表3。

表2 公式拟合结果Tab.2 Formula fitting result频率f/kHz声场系数C1C2C3均方根误差RMS/dB0.01～100.02-10E-513.610.382

表3 拟合曲线对应不同频率拟合均方根误差Tab.3 Root mean square error of fitting curve at different frequency频率f/kHz均方根误差RMS(ΔTL)/dB频率f/kHz均方根误差RMS(ΔTL) /dB0.051.541.00.490.080.711.250.500.1250.582.00.520.200.613.150.500.3150.525.00.580.50.448.00.590.80.4410.00.68

分析表2和表3中的统计结果，可知，在频率较低时，拟合偏差略高于1dB，而随着频率的增大，偏差将逐渐降低，并稳定在1dB以内，整体匹配精度较高，从理论上验证了所提方法及公式的准确性。

4 可行性验证试验分析

2019年11月，在某湖上水声试验中心开展了方法可行性验证试验，采用船载移动测量方式，为简化测试流程，选用低频水声换能器作为模拟声源，声源入水5m和11m，测试频带(0.4～2.0)kHz，采用16元等间距线阵垂向布置进行声场测试，覆盖水下(4～19)m范围深度，试验测试示意图如图6所示。水域环境符合测试要求，测试区域水温及声速剖面起伏较小，由于周边行船及机械振动的影响，导致近水面环境噪声相对较高，这对最低频率的测试有部分影响，试验水域平均水深约为45.6m，底部为泥沙介质，并且较为平坦，部分水域参数如图7所示；采用能量平均方式处理声阵采集信号，得到能量平均声压级，试验开始前，对换能器发射声源级进行了预先标定，结果见表4，为便于对比分析测试情况，在此将测试声压与事先标定的换能器声源级做差，只分析声传播损失随距离的变化，得到各频率对应离散点分布如图8所示。

图6 试验测试示意图Fig.6 Schematic diagram of lake test

表4 标定声源级值Tab.4 The real value of source level频率f/kHz声源级Lpso/dB频率f/kHz声源级Lpso/dB0.4178.71.4170.40.6178.51.6169.10.8175.01.8167.41.0173.62.0163.11.2172.2//

图7 测试点水文参数图Fig.7 Hydrological parameters of the test area

图8 实测传播损失与拟合曲线图Fig.8 Measured propagation loss and fitting curve

分析图8中各频率对应声传播损失分布情况可知，整体测试数据具有较好的一致性，只在2kHz测试值有部分起伏，基于实测数据，利用所提传播公式对上述实测数据进行拟合获得声传播曲线，拟合结果见表5。为进一步分析该公式与各频率对应曲线的匹配程度，对不同频率下的实测值与曲线值进行统计，如图9所示。从统计结果来看，各频率对应实测值与拟合值之间的吻合度较高，频带内整体偏差约为0.939dB。

针对该拟合公式的准确性，也开展了试验进行分析验证，就是在保证换能器工况一致的情况下，改变换能器深度及水平测试距离进行测试，将不同频率对应的实测传播损失与该公式计算传播损失值进行对比，数据处理结果如图10所示。两条折线为不同方法对应获取的传播损失，柱状图为两者的差值，可以看到，两种测试方式结果具有较好的一致性，最大差值约为1.19dB，频带内平均差值约为0.77dB。试验结果与仿真情况相吻合。

表5 实测拟合结果Tab.5 Measured fitting result声场系数C1C2C3均方根误差RMS/dB0.07-5.5E-48.410.201

图9 拟合曲线偏差分布图Fig.9 Fitted curve deviation distribution

图10 拟合曲线准确性验证图Fig.10 Verification of the accuracy of the fitted curve

5 结束语

本文介绍一种基于水域声信道传播特征的舰船水下辐射噪声测试方法，该方法通过多基元空间能量平均方法来实现，可以很好的抑制浅水域声场的起伏波动，提高浅水域环境下舰船水下辐射声量级测量的准确性。并提出了一个适用于浅水域近程声传播规律的计算经验公式，通过理论分析和测量试验验证，很好的证明了采用空间能量平均处理方法处理浅水域声传播问题的优势，并验证了所提出>声传播计算公式的准确性和可行性。相比传统球面波衰减法及波束形成法推算具有更高的测量精度，此外，避免了数理模型建立与实际环境之间失配的问题。在后续的工作中，将面向多种水文环境开展试验研究和实船测试，对声传播测量方法及经验计算公式的可靠性进行验证及修正，提高测量精度和测量方法的适用范围。