矢量拖曳線列陣流噪聲自功率譜特性研究

馬根卯 張俊

（第七一五研究所，杭州，310023）

拖曳線列陣聲吶是海軍最重要的反潛裝備之一，它區(qū)別于安裝在艦艇外殼上的艦殼聲吶，具有遠離工作母船、噪聲低、可變深、充分利用水文條件以及孔徑相對不受限制等優(yōu)點，大大提高了聲吶的作用距離和對使用環(huán)境的適應性[1]，拖曳線列陣聲吶已經成為各國海軍對日益安靜的潛艇進行有效探測的重要裝備。大量實驗表明，拖曳線列陣外壁處湍流邊界層(TBL)壓力起伏是流噪聲的主要激勵源，拖曳線列陣護套對壓力起伏具有直接傳遞和共振輻射的作用[2]。當拖速較高時，流噪聲是制約拖曳線列陣聲吶性能發(fā)揮的主要因素。

常規(guī)拖曳線列陣的左右舷模糊問題促使矢量拖曳線列陣成為水下反潛的重要角色。楊秀庭[3,4]等分析了流噪聲對矢量拖曳線列陣聲吶的影響，指出矢量拖曳線列陣對流噪聲軸向振速分量十分敏感。鄒錦芝[5]等計算了圓柱形矢量水聽器流噪聲聲壓和軸向振速功率譜隨參數的變化關系。孟彧仟[6]提出了基于聲強流的矢量拖線陣流噪聲抑制方法。

以上研究都是基于平板 TBL壓力起伏的Corcos模型[7]，為了提高拖曳線列陣內部噪聲場的預報精度，很多工作一直致力于完善細長圓柱體外壁處TBL壓力起伏模型，其中，Carpenter壓力起伏模型[8-10]備受關注，王曉林[9,10]等利用實驗結果對現有的Carpenter模型的參數進行了修正，并利用修正的模型對拖曳線列陣的流噪聲進行了預報，并驗證了預報結果的有效性。本文采用修正的Carpenter模型對矢量拖曳線列陣流噪聲進行研究，計算了基于圓柱形矢量水聽器的拖曳線列陣流噪聲自功率譜響應，并討論了拖曳速度、水聽器尺寸、護套參數等對流噪聲的影響，得出了針對矢量水聽器的抑制流噪聲的措施。

1 流噪聲理論模型

1.1 噪聲場的一般形式

如圖1所示，水聽器安裝在由彈性護套包裹的拖曳線列陣內，為了降低不同材料界面處聲波的反射損失，以保證阻抗匹配，在護套管內還需要灌注輕蠟油。根據同振式矢量水聽器的工作原理，在矢量水聽器本身和安裝方式保持軸向均勻、拖曳線列陣無攻角拖曳的理想情況下，同振式矢量水聽器工作時徑向加速度計通道的輸出信噪比無限大，因為它對入射信號有響應，而對流噪聲的響應相互抵消。因此，在理想情況下，對于同振式矢量水聽器，只有軸向加速度計通道對流噪聲有響應。

當柱殼外表面作用有TBL壓力起伏的隨機波數-頻率譜分量 s (kz,ω)時，由文獻[2]可得護套內部點接收器流噪聲的自功率譜表達式為

其中 Φs(kz,ω)是壓力起伏的波數-頻率譜，h(kz,r,ω)是系統(tǒng)的波數-頻率譜傳遞函數。

1.2 Carpenter壓力起伏模型

為了提高拖曳線列陣流噪聲場的預報精度，Carpenter提出了基于細長圓柱外表面TBL壓力起伏的理論模型，其波數-頻率譜為

當圓柱外徑R和邊界層厚度δ滿足（δ / R ＞ ＞ 1 ）時，這種近似是比較準確的。王曉林等通過已掌握的大量實驗數據對Carpenter壓力起伏模型的參數進行了修正，修正后的參數及基本參數見表1。

表1 基本參數表

1.3 流噪聲聲壓和軸向質點振速的自功率譜

由文獻[3]得到單個圓柱形矢量水聽器接收到的流噪聲聲壓和軸向振速的自功率譜分別為

其中， hp(kz,r0,ω)、 hz(kz,r0,ω)分別為系統(tǒng)對點接收器流噪聲聲壓和軸向振速的傳遞函數，如式（5）、（6）所示； ap(kz)、 az(kz)是圓柱形矢量水聽器的形狀函數，也稱為水聽器函數，如式（7）、（8）所示。

2 拖速、水聽器、護套材料等參數對流噪聲的影響分析

2.1 拖曳速度對流噪聲的影響

圖 2為不同拖曳速度下流噪聲聲壓和軸向振速的自功率譜。可以看出，拖曳速度對流噪聲聲壓和軸向振速的自功率譜影響很大，隨著拖曳速度的增加，自功率譜明顯增強，速度提高一倍，聲壓和軸向振速的自功率譜值均提高約25 dB。這一方面是因為隨著拖速的提高，壓力起伏的遷移峰向低波數域移動，靠近傳遞函數的峰值，乘積后積分結果必然增大；另一方面是因為壓力起伏的波數-頻率譜本身隨著拖速的增加明顯增強。因此在保證拖曳線列陣水平拖曳的情況下盡量讓其在低速時工作。

圖2 不同拖曳速度下的流噪聲響應

2.2 水聽器尺度對流噪聲的影響

圖 3為水聽器接收面積不變時短粗型和細長型矢量水聽器的流噪聲聲壓和軸向振速的自功率譜。接收面積不變代表水聽器總靈敏度不變?？梢钥闯?，細長型的水聽器比短粗型的水聽器接收到的流噪聲自功率譜低，隨著頻率的升高，細長型水聽器的降噪效果明顯增強，且對軸向振速自功率譜的影響大于對聲壓自功率譜的影響。這一方面是因為細長型水聽器接收面距離護套內壁的距離大，指數衰減因子增加；另一方面，隨著水聽器長度的增加，水聽器函數相應減小，所對應的被積函數也減小。因此采用細長型水聽器更有利于降低管內流噪聲。

圖3 短粗型和細長型水聽器的流噪聲響應

2.3 護套參數對流噪聲的影響

2.3.1 不同護套外徑

圖 4為不同護套外徑時流噪聲聲壓和軸向振速的自功率譜?？梢钥闯?，在低于200 Hz的低頻段，護套外徑對流噪聲自功率譜影響不大，在200 Hz以上的頻段，隨著護套外徑的增大，流噪聲自功率譜明顯降低，且對高頻段的影響大于對低頻段的影響，聲壓和軸向振速的自功率譜值在高頻段分別降低約10 dB、15 dB。因此采用較粗的套管有利于降低管內流噪聲。

由于拖曳線列陣一般很長，甚至可達數百米，如果套管過粗的話，會對拖曳線列陣的存放以及收放等帶來不利的影響，所以應折中考慮其外徑。

圖4 不同護套外徑下的流噪聲響應

2.3.2 不同護套厚度

圖 5為不同護套厚度時流噪聲聲壓和軸向振速的自功率譜?？梢钥闯?，護套的厚度對流噪聲的自功率譜響應有一定影響，在600 Hz以下，隨著護套厚度的增加聲壓的自功率譜降低3～5 dB，軸向振速的自功率譜降低4～8 dB；在600 Hz以上，隨著護套厚度的增加聲壓的自功率譜有略微增加趨勢，軸向振速自功率譜隨護套厚度的增加逐漸降低?？紤]到流噪聲在低頻段對拖曳線列陣聲吶的性能有較大影響，因此采用較厚的套管有利于降低低頻段的流噪聲。

圖5 不同護套厚度下的流噪聲響應

2.3.3 不同護套材料衰減因子

圖 6為不同材料衰減因子時矢量水聽器流噪聲聲壓和軸向振速的自功率譜?？梢钥闯?，隨著護套材料衰減因子的增大，流噪聲聲壓和軸向振速的自功率譜逐漸減小，衰減因子由0.1增大到0.8時，聲壓和軸向振速的自功率譜均下降約10 dB。這是因為隨著衰減因子的增大，聲壓傳遞函數的峰值以及軸向振速傳遞函數的峰值逐漸降低，傳遞到護套內部的流噪聲自功率譜也就相應降低。因此采用大衰減因子的護套材料可以明顯降低管內流噪聲的自功率譜響應。

圖6 不同護套衰減因子下的流噪聲響應

3 結論

本文采用波數-頻率譜法和數值積分法分析計算了圓柱形矢量水聽器接收的流噪聲聲壓和軸向質點振速的自功率譜響應，從拖曳速度、水聽器尺寸以及護套材料參數選取的角度分析了不同參數下管內流噪聲的變化規(guī)律和抑制方法，計算結果表明：

（1）拖速較低時矢量拖線陣流噪聲明顯減小，水平拖曳速度提高一倍，聲壓和軸向振速的自功率譜值均提高約25 dB。因此在保證水平拖曳的情況下盡量讓矢量拖線陣在較低拖速下工作。

（2）采用細長型的水聽器比短粗型的水聽器更有利于降低管內流噪聲，且降噪效果隨頻率的升高更加明顯。

（3）在不影響存放和收放復雜程度的要求下，適當增加護套外徑和厚度可以降低管內流噪聲。

（4）采用大衰減因子的護套材料可以明顯降低管內流噪聲，衰減因子由0.1增大到0.8時，聲壓和軸向振速的自功率譜均下降約10 dB。

[1] 余華兵, 孫長瑜, 李啟虎. 探潛先鋒-拖曳線列陣聲吶[J]. 物理 聲吶技術及應用專題, 2006, 420-423.

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