基于NAH的水下航行體噪聲源定位仿真研究

高 峰，姬 慶，肖大為

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基于NAH的水下航行體噪聲源定位仿真研究

高 峰1，姬 慶2，肖大為2

（1. 91439部隊(duì) 遼寧大連 116041；2.海軍工程大學(xué)兵器工程系，武漢430033）

準(zhǔn)確地對(duì)魚、水雷等水下航行體式武器裝備進(jìn)行噪聲源定位是減振降噪的前提。本文利用近場(chǎng)聲全息技術(shù)對(duì)水下雙聲源和多聲源目標(biāo)進(jìn)行仿真研究，對(duì)比研究目標(biāo)聲源的理論聲壓與重構(gòu)聲壓的分布，準(zhǔn)確對(duì)聲源中心位置進(jìn)行定位。取得了很好的重建效果，可見將近場(chǎng)聲全息技術(shù)應(yīng)用于水下噪聲源定位是可行的，可為降低水下航行體式裝備噪聲特性提供技術(shù)支撐。

水下航行體 近場(chǎng)聲全息 聲源定位 輻射噪聲

0 引言

在上世紀(jì)的80年代，近場(chǎng)聲全息技術(shù)(NAH，Near-field Acoustical Holography)的成功提出對(duì)于噪聲源的檢測(cè)與定位研究有著劃時(shí)代的意義。NAH技術(shù)是對(duì)聲源附近的一個(gè)平面進(jìn)行聲壓分布的采集，然后依據(jù)重構(gòu)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)聲源的整個(gè)輻射聲場(chǎng)進(jìn)行重構(gòu)[3]?？梢姡琋AH技術(shù)對(duì)噪聲源的定位、聲場(chǎng)可視化、聲源特性研究等都有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。將近場(chǎng)聲全息技術(shù)應(yīng)用于水下航行的噪聲源檢測(cè)與定位是十分必要的，有著積極的意義[4]。而且NAH技術(shù)，全息面聲壓獲取采用近場(chǎng)掃描測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)在相對(duì)小空間的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、停泊泊位、維修泊位進(jìn)行檢測(cè)、分析并實(shí)現(xiàn)水下航行體主要噪聲源的定位。本文利用近場(chǎng)聲全息技術(shù)通過(guò)仿真重構(gòu)靠近聲源附近的平面聲壓分布，通過(guò)找出聲壓主峰位置從而判斷聲源中心位置。

1 水下航行體噪聲源分析

水下航行體的噪聲源的組成較為復(fù)雜，往往存在多個(gè)聲源同時(shí)振動(dòng)，且產(chǎn)生機(jī)理也不盡相同。不過(guò)水下航行體輻射噪聲按產(chǎn)生原因可分為三類：流體動(dòng)力噪聲、推進(jìn)噪聲、機(jī)械噪聲，在不同的航行狀態(tài)下，不同頻段的噪聲源在整個(gè)輻射聲場(chǎng)中貢獻(xiàn)比不是恒定的[5]。

1）在淺水航行時(shí)，水下航行體的推進(jìn)噪聲為水下輻射聲場(chǎng)的主要來(lái)源。這部分噪聲主要是由航行體的螺旋槳周期轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生，其噪聲譜主要成分為高頻噪聲。

2）航行體內(nèi)機(jī)械部件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)、不規(guī)則運(yùn)動(dòng)及管道中的氣、液的流動(dòng)產(chǎn)生了機(jī)械噪聲。而且隨著航行體的不斷下潛，機(jī)械噪聲強(qiáng)度將高于其它聲源，成為主要輻射源。機(jī)械噪聲的頻譜結(jié)構(gòu)主要為由強(qiáng)線譜和弱連續(xù)譜的疊加組成，主要成分為低頻信號(hào)。

3）航行體的流體動(dòng)力噪聲是水流動(dòng)力與殼體間相互作用的結(jié)果。一般情況下，水動(dòng)力噪聲與航行速度有密切關(guān)系，且其聲級(jí)強(qiáng)度不高于機(jī)械噪聲與推進(jìn)噪聲。但有時(shí)，航行體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)度線譜噪聲成分，此時(shí)流體動(dòng)力噪聲就成了水下聲場(chǎng)的主要聲源。

從以上分析可見，但水下航行體的主要噪聲部位是螺旋槳、殼體、主機(jī)和螺旋槳逆轉(zhuǎn)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。目前對(duì)水下航行體的探測(cè)多依賴于對(duì)其水下的輻射聲場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。一般考察水下航行體的噪聲譜特性主要數(shù)字參量有：能量分布頻帶、噪聲總能級(jí)大小、線譜數(shù)量和線譜頻率特征。這些數(shù)據(jù)都是極為保密的技術(shù)指標(biāo)[6-7]。魚雷的噪聲頻譜帶寬都比較寬，范圍常在40Hz-40 kHz，不過(guò)暴露魚雷位置的聲場(chǎng)信息一般以低頻為主，一般認(rèn)為可作為主要探測(cè)目標(biāo)的頻率不超過(guò)2KHz。

2 近場(chǎng)聲全息定位原理

在狄里克利（Dirichlet）邊界條件下，對(duì)于在z>0的空間自由聲場(chǎng)，已知聲源（）附近的某一平面上聲壓分布，稱為全息面（）聲壓，圖1為聲場(chǎng)中聲壓面的位置示意圖[8]。利用式（1）可以計(jì)算預(yù)測(cè)面（）區(qū)域的聲壓分布為：

對(duì)于某一固定的角頻率ω，k=ω/c=2π/λ，是一固定值。而定義域?yàn)?。所以與的關(guān)系為

結(jié)合式（1）、（2）、（3），在Dirichlet條件下的近場(chǎng)聲全息聲場(chǎng)正向重建公式為：

對(duì)式（3）兩邊同時(shí)做二維Fourier逆變換，可以將波數(shù)域中的聲壓轉(zhuǎn)換到空域中，即所求的聲場(chǎng)聲壓分布：

則式（1）的重建公式變形如下：

以上是在Dirichlet邊界條件下，利用全息面的聲壓分布進(jìn)行正向、逆向的聲場(chǎng)重建，其算法原理可以總結(jié)為如圖2所示。

可見，利用NAH進(jìn)行逆向重構(gòu)，可以求得聲源面的附近一側(cè)平面的聲壓分布，從而判斷聲場(chǎng)中聲源中心的位置，完成對(duì)水下航行體主要噪聲源的定位。

3 仿真結(jié)果及分析

實(shí)際上，由于水下航行體的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，內(nèi)部有電機(jī)，螺旋槳，傳動(dòng)齒輪等等部件，這些部件都是潛在的噪聲源。如何從多個(gè)聲源之中成功分別不同強(qiáng)度的聲源位置也是現(xiàn)實(shí)中所必須的面對(duì)的問題。所以文中重點(diǎn)利用近場(chǎng)聲全息技術(shù)對(duì)兩個(gè)及兩個(gè)以上的聲源目標(biāo)進(jìn)行逆向定位進(jìn)行研究，以驗(yàn)證近場(chǎng)聲全息基于應(yīng)用于水下聲源定位的可行性。

3.1 雙聲源重構(gòu)定位

由圖4中可知，左側(cè)圖為雙聲源聲場(chǎng)理論聲壓的三維分布圖，右側(cè)圖為利用近場(chǎng)聲全息技術(shù)逆向重構(gòu)的聲壓幅值分布。通過(guò)比較兩圖可知，利用全息平面的聲壓分布和逆向傳遞函數(shù)可以確定聲場(chǎng)中聲壓主峰的位置，從而確定主要聲源中心位置。

圖5為重構(gòu)聲壓的分布云圖，從圖中，可以清晰發(fā)現(xiàn)重構(gòu)的兩聲源的主峰位置誤差不超過(guò)5cm，可以說(shuō)聲源定位精度非常高。而且經(jīng)過(guò)全息重構(gòu)后，聲源Q1的主峰聲壓值較Q2的也是成比例對(duì)稱。表明近場(chǎng)聲全息技術(shù)應(yīng)用于水下雙聲源定位研究是可行的。

3.2 多聲源重構(gòu)定位

水下航行體作為一個(gè)復(fù)雜的體聲源，其輻射噪聲源個(gè)數(shù)往往超過(guò)兩個(gè)，多聲源的定位分析此時(shí)更顯得更要?，F(xiàn)假設(shè)水下空間有九個(gè)非等幅的點(diǎn)目標(biāo)聲源，兩兩聲源之間間隔2m，均勻分布在空間中，聲源分布如在圖6所示。其中，聲源強(qiáng)度，，其它聲源的源強(qiáng)度都為，現(xiàn)利用近場(chǎng)聲全息技術(shù)對(duì)聲場(chǎng)中的非等幅多聲源進(jìn)行聲源逆向仿真定位研究。

圖7、圖8是對(duì)空間中存在的非等幅聲源進(jìn)行逆向重建，得到聲源面的重建結(jié)果。由對(duì)等幅的多聲源的逆向重構(gòu)結(jié)果可以看出，對(duì)聲源面進(jìn)行逆向重構(gòu)時(shí)，根據(jù)主峰的位置，可明確判定聲源的空間位置，從而完成對(duì)噪聲源的定位，位置誤差較小幾乎可以忽略不計(jì)。而且Q1、Q2的聲源強(qiáng)度與其它聲源強(qiáng)度相比較，幅值與預(yù)設(shè)的基本對(duì)應(yīng)，只是由于濾波作用致使逆向重構(gòu)結(jié)構(gòu)相比較與理論值偏小?？梢娎媒鼒?chǎng)聲全息技術(shù)對(duì)水下聲場(chǎng)的目標(biāo)聲源進(jìn)行定位研究是可行的。

小結(jié)

本文利用近場(chǎng)技術(shù)通過(guò)對(duì)水下雙聲源和多聲源進(jìn)行逆向定位研究，辨別聲場(chǎng)中主峰位置的分布從而完成了對(duì)水下聲源目標(biāo)的準(zhǔn)確定位。結(jié)果與預(yù)測(cè)設(shè)參數(shù)一致，重建精度較高，也論證了近場(chǎng)聲全息技術(shù)應(yīng)用于水下航行體的噪聲源定位的可行性。

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NAH-based Simulation Research on Location of Underwater Vehicles’ Noise Source

Gao Feng1, Ji Qing2, Xiao Dawei2

(1. Unit 91439 of the PLA ,Dalian 116041, Liaoning, China;2. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033，China)

Accurately location of underwater vehicles’ noise source, such as torpedo and mine is the precondition of vibration and noise reduction. In this paper, through simulation research on the underwater double sound source and multiple source target based on Near-field Acoustic Holography, and then comparative study on distribution of theory sound pressure and reconstruction sound pressure of target sound source, can find the center position of sound source. From the result, it can be found that good results of reconstruction are achieved, and near-field acoustic holography technique is feasible to be applied to localization of underwater vehicles’ noise source, which can provide technical support for reducing the noise characteristics of underwater vehicles equipment.

underwater vehicles; near-field acoustical holography; location of sound source; radiation noise

U666

A

1003-4862（2016）03-0041-04

2016-01-15

高峰（1970-），男，工程師。研究方向：噪聲理論。