被動(dòng)式聲誘餌聲學(xué)建模及仿真實(shí)現(xiàn)

董仲臣，金彥豐，李亞安，劉望生

（1.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安 710072；2.91388部隊(duì)92分隊(duì)，廣東 湛江 524022；3.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與控制學(xué)院，浙江 杭州 310018）

聲誘餌[1]是一種重要的水聲對(duì)抗器材，是各國海軍目前所使用的主要反魚雷裝備。按照其運(yùn)動(dòng)特性，可分為自航式聲誘餌、拖曳式聲誘餌、懸浮式聲誘餌和火箭助飛式聲誘餌等；按照其對(duì)抗形式的不同，可分為主動(dòng)式聲誘餌、被動(dòng)式聲誘餌和主被動(dòng)聯(lián)合式聲誘餌等[1-2]。

在主動(dòng)工作方式下，聲誘餌是通過應(yīng)答魚雷的主動(dòng)尋的信號(hào)來模擬目標(biāo)反射特性的，當(dāng)聲誘餌收到魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)后，會(huì)按一定的目標(biāo)強(qiáng)度、多普勒頻移和回波展寬，將模擬產(chǎn)生回波，從而誘騙魚雷。被動(dòng)式聲誘餌即噪聲模擬器，是水聲對(duì)抗器材的重要部分，往往與主動(dòng)方式聯(lián)合使用。被動(dòng)式聲誘餌可以連續(xù)發(fā)出與艦船輻射噪聲相似的寬帶噪聲，對(duì)敵方的聲納和魚雷具有干擾和誘騙作用，從而逃避敵方聲納和魚雷的探測和攻擊，提高本艦的生存能力[3-4]。

本文針對(duì)艦船輻射噪聲的聲學(xué)特性進(jìn)行分析，建立被動(dòng)式聲誘餌的仿真模型，包括線譜分量和連續(xù)譜分量模型，并根據(jù)模型進(jìn)行了仿真。該仿真研究可以為水聲對(duì)抗器材的戰(zhàn)術(shù)使用和反水聲對(duì)抗技術(shù)的研究提供參考。

1 艦船輻射噪聲的聲學(xué)特性

艦船在航行和工作時(shí)，推進(jìn)器和各種機(jī)械都在工作，它們產(chǎn)生的振動(dòng)通過船體向水中輻射，從而產(chǎn)生了艦船輻射噪聲。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[5]，艦船輻射噪聲分為3大類：機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲。

1.1 機(jī)械噪聲

機(jī)械噪聲是艦船輻射噪聲低頻段的主要成分[5-7]。由于各種機(jī)械形式的不同，所產(chǎn)生的水下輻射噪聲的性質(zhì)也不同。一般來說，不平衡的旋轉(zhuǎn)部件、重復(fù)不連續(xù)的工作部件和往復(fù)部件所產(chǎn)生的噪聲大部分為線譜噪聲，其主要成分是振動(dòng)基頻及它的諧波分量。各種管道和泵中流體的變化、湍流、排氣，以及軸承和軸頸上的機(jī)械摩擦等所產(chǎn)生的噪聲屬于連續(xù)譜噪聲。如果這些結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生共振，還能疊加響應(yīng)的線譜。所以，艦船輻射噪聲可以看作是強(qiáng)線譜和弱連續(xù)譜的疊加。由于機(jī)械噪聲與艦船航行狀態(tài)和機(jī)械工作狀態(tài)密切相關(guān)，因此其頻譜結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且是多變的。

1.2 螺旋槳噪聲

螺旋槳噪聲是由旋轉(zhuǎn)著的螺旋槳所產(chǎn)生的噪聲，包括螺旋槳空化噪聲和螺旋槳葉片振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲[5]。

螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片表面上會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，如負(fù)壓達(dá)到一定值，就會(huì)出現(xiàn)空化現(xiàn)象，大量氣泡破裂產(chǎn)生噪聲，就是空化噪聲?？栈F(xiàn)象只有在艦船達(dá)到一定的航速時(shí)才會(huì)產(chǎn)生，此時(shí)艦船的高頻輻射噪聲突然增大。因?yàn)榭栈肼暿怯纱罅看笮〔坏鹊臍馀蓦S機(jī)破裂引起的，所以空化噪聲屬于連續(xù)譜。在高頻段，其譜級(jí)隨著頻率的增高大約以-6 dB/倍頻程的斜率下降；在低頻段，隨頻率增高而增高。因此，譜線有一個(gè)峰值，這個(gè)峰值通常在100～1 000 Hz十倍頻內(nèi)，而且隨航速和深度而變化。

螺旋槳噪聲的另一主要成分是“唱音”，它是由螺旋槳葉片拍擊、切割水流引起的，又稱為旋轉(zhuǎn)噪聲?！俺簟笔且环N線譜噪聲分量，其頻譜與螺旋槳葉片數(shù)及轉(zhuǎn)速有關(guān)，滿足如下關(guān)系

其中：n是螺旋槳葉片數(shù)，s是螺旋槳轉(zhuǎn)速，m是諧波次數(shù)，fm是響應(yīng)的頻率。

這種“唱音”表現(xiàn)為疊加在連續(xù)譜上的線譜，它是潛艇低頻段（100 Hz以下）噪聲的主要成分。這種頻譜特性通常被聲納系統(tǒng)作為目標(biāo)識(shí)別和速度估計(jì)的依據(jù)。

1.3 水動(dòng)力噪聲

水動(dòng)力噪聲是由不規(guī)則的、起伏的海流流過船只表面而形成的，它是水流動(dòng)力作用于艦船的結(jié)果[5]。水動(dòng)力噪聲產(chǎn)生的機(jī)理為：1）水流的沖擊可以激勵(lì)艦船部分殼體的振動(dòng)，也可能激勵(lì)某些結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振，如前面提到的螺旋槳葉片的共振，甚至還可能引起殼體上某些凹穴腔體的共振；2）由湍流附面層產(chǎn)生的流動(dòng)噪聲也是一種水動(dòng)力噪聲。這是粘滯流體的特性，即使在無凹穴的光滑的物體上也會(huì)產(chǎn)生；3）航行艦船的艦艏、艦艉的拍浪聲、船上主要循環(huán)水系統(tǒng)的進(jìn)水口和排水口處發(fā)出的噪聲也屬于水動(dòng)力噪聲。

水動(dòng)力噪聲是一種無規(guī)則噪聲。其噪聲強(qiáng)度主要與航速有關(guān)，可表示為

其中：k是常數(shù)，v是航速，n是與艦船水下線型等因素有關(guān)的量。

一般情況下，水動(dòng)力噪聲往往被機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲所掩蓋，但在特殊情況下，例如當(dāng)結(jié)構(gòu)部件或者空腔被激勵(lì)成強(qiáng)線譜噪聲的諧振源時(shí)，水動(dòng)力噪聲有可能在線譜出現(xiàn)范圍內(nèi)成為主要噪聲源。

2 被動(dòng)式聲誘餌的聲學(xué)模型

以上分析可知，艦船輻射噪聲為不確定性信號(hào)，其主體是寬帶隨機(jī)信號(hào)，有時(shí)也包含諧波成分。通常假定艦船輻射噪聲主體為平穩(wěn)各態(tài)歷經(jīng)的隨機(jī)過程，通常由連續(xù)譜和線譜組成。 因此，分別建立連續(xù)譜和線譜的數(shù)學(xué)模型。

2.1 連續(xù)譜數(shù)學(xué)模型

連續(xù)譜相對(duì)而言是比較復(fù)雜的。連續(xù)譜噪聲可以用寬帶平穩(wěn)隨機(jī)過程來擬合，將高斯白噪聲通過滿足頻譜特性要求的特定頻率響應(yīng)的濾波器，可以得到連續(xù)譜分量。

所以為了得到艦船輻射噪聲的連續(xù)譜分量，首先需要產(chǎn)生一定方差的高斯白噪聲；然后，為了得到特定頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)的濾波器，可以采用自適應(yīng)的方法設(shè)計(jì)濾波器；將高斯白噪聲通過設(shè)計(jì)的濾波器就可以得到具有特定功率譜形狀的連續(xù)譜。連續(xù)譜分量的模擬原理如圖1所示。

圖1 連續(xù)譜分量模擬圖Fig.1 Simulation diagram of continuous spectrum

2.2 線譜數(shù)學(xué)模型

線譜的檢測、跟蹤和識(shí)別在聲納使用中具有重要意義。線譜特有的集中而穩(wěn)定的能量可用來提高檢測性能，而且線譜所攜帶的頻率信息可以用于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)和類型識(shí)別。線譜可以通過以下公式進(jìn)行模擬

其中：Ai、ωi、φi分別是振幅、頻率和相位信息。Ai和ωi是可以根據(jù)實(shí)際情況來確定的，而相位信息φi可以取一隨機(jī)值，m為線譜的個(gè)數(shù)。振幅的選擇與線譜高出連續(xù)譜的分貝數(shù)有關(guān)，而頻率則一般在1.5 kHz以內(nèi)。

2.3 被動(dòng)式聲誘餌的聲學(xué)模型

聲誘餌模擬的噪聲是由連續(xù)譜的寬帶噪聲信號(hào)和非連續(xù)譜的單頻噪聲組成的，其聲學(xué)模型可以表示為

其中：{}表示隨機(jī)過程，{s（n）}模擬的輻射噪聲隨機(jī)過程，{x（n）}表示寬帶平穩(wěn)隨機(jī)過程；{li（n）}表示相位隨機(jī)的周期信號(hào)。

3 被動(dòng)式聲誘餌的仿真實(shí)現(xiàn)

根據(jù)連續(xù)譜數(shù)學(xué)模型，首先產(chǎn)生一隨機(jī)高斯白噪聲，如圖2所示，把該白噪聲通過設(shè)計(jì)好的濾波器，得到一定頻率響應(yīng)的噪聲，其頻譜如圖3所示；根據(jù)（3）式來進(jìn)行線譜的仿真實(shí)現(xiàn)，取m=3，可得線譜信號(hào)的頻譜如圖4所示；根據(jù)線譜的選取原則，在低頻段加入線譜信號(hào)，由（4）式來模擬被動(dòng)式聲誘餌輻射噪聲，其頻譜如圖5所示。

圖2 高斯白噪聲序列Fig.2 Gauss white noise sequence

圖3 連續(xù)譜的頻域信號(hào)Fig.3 Continuous spectrum in frequency field

圖4 線譜頻域信號(hào)Fig.4 Line spectrum in frequency field

圖5 被動(dòng)式聲誘餌輻射噪聲頻譜Fig.5 Radiation noise spectrum of passive acoustic decoy

4 結(jié)束語

在本文提出的被動(dòng)式聲誘餌建模中，通過建立艦艇輻射噪聲連續(xù)譜和線譜的模型來實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式聲誘餌聲學(xué)特性的模擬，仿真結(jié)果可以對(duì)水聲對(duì)抗策略的選取提供參考。但如何更加逼真地模擬艦船的輻射噪聲，以達(dá)到更好的誘騙效果，仍然是水聲對(duì)抗領(lǐng)域的研究課題。

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