一種小型水面目標(biāo)輻射噪聲水平分布特性

計 釗

(大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013)

0 引言

在水下警戒、目標(biāo)識別和防御對抗等諸多領(lǐng)域，均離不開以被動方式工作的探測設(shè)備和水下攻防裝備等的開發(fā)與研制，而這些都需要目標(biāo)的噪聲特性信息提供支撐。因此掌握各種目標(biāo) (包括水面船、水下航行體及其他水下聲輻射源等)的噪聲特性，對于推動相關(guān)水聲技術(shù)及其裝備的研究與發(fā)展具有重要意義［1－3］。本文在以往空間分布分析方法研究成果［4－7］的基礎(chǔ)上，對一種小型水面船舶目標(biāo)輻射噪聲特性開展海上實(shí)測研究，并分析該類小型目標(biāo)在水下產(chǎn)生的輻射噪聲的水平分布特性。

1 單一平面噪聲分布模型及分析方法

1.1 水平等聲壓分布模型

以水平直線陣數(shù)據(jù)獲取為基礎(chǔ)，以左舷側(cè)一水平面噪聲空間特性為分析對象，對水中目標(biāo)輻射噪聲空間分布開展數(shù)學(xué)建模研究，給出相應(yīng)單一平面的輻射噪聲等聲壓分布的分析方法。如圖1所示，以目標(biāo)幾何中心為原點(diǎn)O建立空間直角坐標(biāo)系，x軸與目標(biāo)縱軸所在直線一致，且正方向與目標(biāo)航向相同;y軸正向與目標(biāo)左舷側(cè)一致;平面xOy與目標(biāo)水平縱剖面 (即航行平面)一致;z軸垂直于水平中縱剖面，且指向目標(biāo)上方一側(cè)。數(shù)據(jù)獲取時，目標(biāo)以航速v勻速通過測量陣，陣體位于目標(biāo)左舷側(cè)且與目標(biāo)水平縱剖面共面。當(dāng)目標(biāo)勻速通過測量陣時，等效于目標(biāo)靜止而陣體以相同速度通過，這與空間掃描或合成孔徑的概念和思想一致。這樣，陣體所通過之矩形平面即為“有效測量平面”。

水平測量陣由N個等間距分布的陣元構(gòu)成，陣體長度為L，陣元間距為d，目標(biāo)縱軸線與陣體所在直線垂直，而且第1號陣元與該軸線的距離為D;目標(biāo)航跡與“有效測量平面”共面，x=xb和x=xe分別為滿足有效測量條件時目標(biāo)機(jī)動的初始坐標(biāo)位置和結(jié)束位置，其由測距定位等輔助方式確定，而|xe－xb|為有效機(jī)動距離;目標(biāo)縱向長度為l，目標(biāo)體整體對應(yīng)縱軸上的空間點(diǎn)的坐標(biāo)x取值范圍為 －l/2≤x≤l/2;Qn，m為測量陣第n個陣元對應(yīng)的縱向通過直線上的第m個空間位置點(diǎn)，n=1，2，……，N;m=0，1，2，……，M;M=(xe－ xb)/(v·ΔT);pn，m(t)為測量陣第 n個陣元在Qn，m點(diǎn)的有效測量時間ΔT內(nèi)獲取的t時刻的瞬時聲壓。

由以上數(shù)學(xué)模型及主要條件，即可通過實(shí)測數(shù)據(jù)的處理與分析，給出測量工況下被測目標(biāo)一側(cè)陣體通過平面的輻射聲壓分布 Lp(Qn，m)(n=1，2，……，N，m=0，1，2，……，M)和相應(yīng)的輻射噪聲的等聲壓分布。

圖1 被測目標(biāo)左舷側(cè)水平面輻射噪聲空間特性分布數(shù)學(xué)模型示意圖Fig.1 Mathematical model for spatial distribution of target's underwater radiated noise in left broadside and horizontal plane

1.2 水平等聲壓分布分析方法

在上述模型及主要條件的基礎(chǔ)上，針對單一平面的水中目標(biāo)輻射噪聲等聲壓分布分析方法的具體原理及步驟如下:

1)對獲取到的所有接收陣元的有效分析數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射聲壓計算，給出不同頻率和頻帶 (如線譜、窄帶和寬帶等)聲壓級的時頻分布，如圖1所示。輻射聲壓計算主要是給出水平測量陣第n個陣元在有效測量時間ΔT內(nèi)獲取的Qn，m點(diǎn)位置的有效聲 壓 pQn，m，e(tn，m，ΔT)及相應(yīng)的輻射聲壓級 Lp(Qn，m):

式中:tn，m為由空間分辨率決定的水平測量陣第n個陣元在位置 (即點(diǎn)Qn，m)有效測量時間ΔT內(nèi)的初始時刻，n=1，2，……，N，m=0，1，2，……，M;pref為水聲學(xué)中的參考聲壓值。

2)根據(jù)被測目標(biāo)的航跡、航速及其與測量直線陣的相對位置關(guān)系和各接收陣元的間距等，計算出被測目標(biāo)在不同的通過時刻相對于測量陣的空間距離，即給出測量陣第n個陣元對應(yīng)的縱向通過直線上的第m個空間位置點(diǎn)Qn，m的坐標(biāo):

3)在上述工作的基礎(chǔ)上，繪出有效被測平面內(nèi)的空間分布的三維聲壓譜群，對其進(jìn)行擬合和插值等處理，并利用不同量值的等聲壓剖面對其進(jìn)行截取，繪出相應(yīng)量值的等聲壓分布曲線 (見圖2)，得出等聲壓各點(diǎn)的空間分布規(guī)律。

2 海上實(shí)測研究

利用上述模型及分析方法對一種小型水面船舶目標(biāo)輻射噪聲特性開展了海上實(shí)測及分析研究。被測目標(biāo)為小型水面船舶，數(shù)據(jù)獲取濕端為4元水平聲壓陣，陣元間距如圖3所示。測量時，目標(biāo)勻速直線通過陣體一側(cè)，航跡與陣體所在直線垂直，且與最近陣元距離為100 m。圖3為被測目標(biāo)機(jī)動時與測量陣的相對空間位置關(guān)系示意圖。

圖2 被測目標(biāo)單一平面輻射噪聲等聲壓分布分析示意圖Fig.2 The sketch map for spatial distribution of equivalent sound pressure in single plane

圖3 系統(tǒng)布放及目標(biāo)機(jī)動方式示意圖Fig.3 Geometrical configuration of tested target and measurement array

由譜分析結(jié)果可知，該水面船在被測工況下輻射噪聲的能量主要集中于5 kHz以下頻率范圍內(nèi)。線譜成分較為豐富，其中104 Hz線譜幅度較為突出。由此，利用前述分析方法對該目標(biāo)在有效測量平面內(nèi)的連續(xù)譜、總聲級、1/3oct譜和線譜輻射噪聲分布進(jìn)行分析，如圖4～圖7所示。

由圖4～圖7可知，在被測工況下，該目標(biāo)的輻射噪聲在1～5 kHz頻率范圍內(nèi)連續(xù)譜能量主要對應(yīng)于尾部位置，螺旋槳輻射噪聲占據(jù)主導(dǎo)地位，而104 Hz線譜及中心頻率為100 Hz的1/3oct譜的能量則主要分布在目標(biāo)中部和尾部位置，線譜尤為如此，這表明該頻率附近主、輔機(jī)等機(jī)械噪聲源的作用更為突出。

圖4 1～5 kHz連續(xù)譜的等聲壓分布曲線及三維圖譜Fig.4 Spatial equivalent sound pressure distribution and threedimensional spectrum measured for sound pressure level of underwater radiated noise in the frequency range of 1～5kHz originated from tested target

圖5 Fc=100 Hz－1/3oct譜的等聲壓分布曲線及三維圖譜Fig.5 Spatial equivalent sound pressure distribution and threedimensional spectrum measured for sound pressure level of underwater radiated noise in the 1/3oct frequency Fc=100 Hz originated from tested target

圖6 104 Hz線譜的等聲壓分布曲線及三維圖譜Fig.6 Spatial equivalent sound pressure distribution and threedimensional spectrum measured for sound pressure level of underwater radiated noise in the linear spectrum frequency 104Hz originated from tested target

圖7 總聲級的等聲壓分布曲線及三維圖譜Fig.7 Spatial equivalent sound pressure distribution and threedimensional spectrum measured for total sound pressure level of underwater radiated noise originated from tested target

3 結(jié)語

本文主要在單一平面水平等聲壓分布模型及分析方法的基礎(chǔ)上，對一種小型水面船舶的輻射噪聲空間分布特性開展了海上實(shí)測研究，并分析了該類目標(biāo)在水下產(chǎn)生的輻射噪聲的水平分布特性。對于該小目標(biāo)而言，由分析結(jié)果可得到其輻射噪聲具有如下特點(diǎn):

1)在被測工況下，其輻射噪聲水平相對較低，這與目標(biāo)的性質(zhì)有關(guān);聲輻射的能量主要集中于5kHz以下頻段，而且線譜成分較為豐富;

2)從水平空間分布來講，以尾部及其臨近區(qū)域?yàn)樽顝?qiáng)，這與螺旋槳聲輻射在中、高頻段和機(jī)械聲輻射在低頻段分別處于支配地位密切相關(guān)。

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