拖曳線列陣流噪聲抑制實(shí)驗(yàn)

?！～I(xiàn)，葛輝良

拖曳線列陣流噪聲抑制實(shí)驗(yàn)

祝獻(xiàn)，葛輝良

（杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所 聲納技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310023）

拖曳流噪聲主要由流激纜陣振動(dòng)和湍流邊界層起伏壓力引起的兩大類(lèi)噪聲組成。已有研究表明當(dāng)拖曳線列陣聲納達(dá)到一定拖速后，流噪聲是限制低頻拖曳線列陣聲納探測(cè)性能的主要因素，因此，研究流噪聲抑制方法對(duì)提高低頻拖曳線列陣聲納探測(cè)能力具有重要的意義。通過(guò)設(shè)計(jì)不同測(cè)量陣段構(gòu)建流噪聲測(cè)量系統(tǒng)，利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)研究流噪聲空間相關(guān)性和流噪聲抑制方法。通過(guò)研究表明，利用4～20個(gè)密排水聽(tīng)器構(gòu)成水聽(tīng)器組較單個(gè)水聽(tīng)器在500 Hz以下可提高8 dB～15 dB左右的流噪聲抑制能力，同時(shí)也可通過(guò)柔性的水聽(tīng)器安裝結(jié)構(gòu)達(dá)到抑制流激振動(dòng)流噪聲效果。

聲學(xué)；聲納探測(cè)；流噪聲；噪聲抑制；試驗(yàn)研究；拖曳線列陣聲納

拖曳線列陣聲納具有孔徑大、探測(cè)頻率低、可變深、受本艦噪聲干擾小和適裝性強(qiáng)等特點(diǎn)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家都在積極研究，并裝備于各種大小艦艇。然而，拖曳線列陣聲納低頻探測(cè)性能的提高，在很大程度上受到了流噪聲的限制，有研究表明［1］當(dāng)拖曳線列陣聲納拖速大于10節(jié)時(shí)，流噪聲已經(jīng)成為限制低頻段聲納探測(cè)性能的主要因素之一，因此，研究流噪聲抑制方法對(duì)提高低頻拖曳線列陣聲納探測(cè)能力具有重要的意義。

拖曳線列陣流噪聲主要由流激纜陣振動(dòng)和湍流邊界層（TBL）起伏壓力引起的兩大類(lèi)噪聲組成。振動(dòng)流噪聲的抑制國(guó)內(nèi)外主要通過(guò)設(shè)計(jì)隔振段、改進(jìn)水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)和安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)［2-4］。對(duì)湍流噪聲的研究國(guó)外主要集中在理論建模［5］和實(shí)驗(yàn)測(cè)量［6］上，這些理論模型和測(cè)量方法為流噪聲抑制方法的研究提供了分析途徑，具有重要的參考意義。國(guó)內(nèi)對(duì)拖曳線列陣湍流噪聲場(chǎng)預(yù)報(bào)和建模也做了相應(yīng)研究，分析了影響流噪聲的主要因素［7-8］，這些研究對(duì)我國(guó)拖曳線列陣流噪聲抑制技術(shù)發(fā)展都具有重要的指導(dǎo)意義。

本文主要通過(guò)設(shè)計(jì)三條不同的測(cè)量陣段來(lái)進(jìn)行流噪聲抑制實(shí)驗(yàn)研究。首先通過(guò)一條14 mm間距的30元密排陣段測(cè)量的流噪聲來(lái)研究流噪聲空間相關(guān)性，指導(dǎo)用于流噪聲抑制的水聽(tīng)器組內(nèi)陣元間距的設(shè)計(jì)；其次通過(guò)一條10 cm間距的28元密排陣段測(cè)量的流噪聲來(lái)研究多個(gè)密排水聽(tīng)器構(gòu)成水聽(tīng)器組抑制流噪聲的效果；最后通過(guò)一條具有不同安裝結(jié)構(gòu)水聽(tīng)器的測(cè)量陣段來(lái)研究振動(dòng)流噪聲的抑制效果。

1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

整個(gè)拖曳流噪聲測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，包括高速絞車(chē)、牽引繩、無(wú)動(dòng)力船、拖纜、隔振段、測(cè)量陣段、尾繩和浮塊組成，其中拖纜長(zhǎng)度為24 m，前（后）隔振段長(zhǎng)度為24 m，拖纜比重為1.6，測(cè)量陣段根據(jù)測(cè)量?jī)?nèi)容選擇，分為測(cè)量陣段1、測(cè)量陣段2和測(cè)量陣段3，其陣元布置見(jiàn)圖2示意圖，每條陣段由水聽(tīng)器、前置放大器、深度傳感器和數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)等器件組成，其中測(cè)量陣段1是間距14 mm的30元密排陣段，用于研究流噪聲空間相關(guān)性，測(cè)量陣段2是間距10 cm的28元密排陣段，用于研究密排水聽(tīng)器構(gòu)成水聽(tīng)器組抑制流噪聲的效果，測(cè)量陣段3是間距20 cm的16元具有不同安裝結(jié)構(gòu)水聽(tīng)器的測(cè)量陣段，用于研究不同安裝結(jié)構(gòu)水聽(tīng)器對(duì)振動(dòng)流噪聲的抑制效果。測(cè)量系統(tǒng)所用的隔振段和測(cè)量陣段均為零浮力設(shè)計(jì)。利用試驗(yàn)平臺(tái)的高速絞車(chē)按速度v拖曳無(wú)動(dòng)力小船，當(dāng)高速絞車(chē)拖曳穩(wěn)定后，利用錄音設(shè)備錄制水聽(tīng)器的數(shù)據(jù)，選取深度傳感器相對(duì)穩(wěn)定時(shí)間段的數(shù)據(jù)作為速度v下測(cè)量的流噪聲數(shù)據(jù)。

圖1　拖曳流噪聲測(cè)量系統(tǒng)

圖2　3條測(cè)量陣段陣元布置示意圖

2　實(shí)驗(yàn)研究

2.1流噪聲空間相關(guān)特性分析

利用測(cè)量陣段1設(shè)計(jì)的30元密排陣（實(shí)際有效陣元29個(gè)），在7 m/s的拖曳速度下測(cè)量流噪聲，通過(guò)各陣元相關(guān)性來(lái)分析流噪聲空間相關(guān)特性。對(duì)于相距為L(zhǎng)的兩個(gè)水聽(tīng)器在［fl，fh］頻段上的流噪聲空間相關(guān)性可表示為

其中‘*'表示共軛。圖3是在［200，400］Hz、［250，500］Hz、［300，600］Hz頻帶內(nèi)的空間相關(guān)系數(shù)。從圖中可以看出，流噪聲空間相關(guān)系數(shù)隨距離下降很快，但當(dāng)下降到一個(gè)固定值后就下降很慢，基本趨于一致，如圖3中在10 cm距離以上的噪聲空間相關(guān)系數(shù)就下降很慢，基本趨于一致。因此，以10 cm間距設(shè)計(jì)水聽(tīng)器陣列構(gòu)成的水聽(tīng)器組來(lái)抑制流噪聲比較合適。

圖3　流噪聲空間相關(guān)特性分析

2.2流噪聲抑制方法

這里設(shè)計(jì)兩條測(cè)量陣來(lái)研究流噪聲抑制效果，首先通過(guò)一條10 cm間距的28元密排陣段（測(cè)量陣段2）測(cè)量的流噪聲來(lái)研究多個(gè)密排水聽(tīng)器構(gòu)成水聽(tīng)器組抑制噪聲的效果；其次通過(guò)一條具有不同安裝結(jié)構(gòu)水聽(tīng)器的測(cè)量陣段（測(cè)量陣段3）來(lái)研究流激纜陣振動(dòng)流噪聲的抑制效果。

從流噪聲空間相關(guān)特性分析可以看出，在［200，400］Hz、［250，500］Hz、［300，600］Hz上的流噪聲相關(guān)長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于按對(duì)應(yīng)頻段最高頻率半波長(zhǎng)設(shè)計(jì)的探測(cè)陣元間距，這在安裝空間上為利用密排水聽(tīng)器陣列構(gòu)成水聽(tīng)器組抑制流噪聲提供了可能。

首先利用測(cè)量陣段2設(shè)計(jì)的密排水聽(tīng)器陣測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證水聽(tīng)器組抑制流噪聲的效果。在7 m/s的拖曳速度下測(cè)量的流噪聲，圖4給出了不同陣元數(shù)的水聽(tīng)器組在100 Hz頻點(diǎn)上相對(duì)于單個(gè)水聽(tīng)器的流噪聲抑制能力的4次實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，圖5給出了不同陣元數(shù)的水聽(tīng)器組在［20，500］Hz頻段內(nèi)相對(duì)于單個(gè)水聽(tīng)器的流噪聲抑制能力的4次實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，從圖中可以看出，隨著陣元數(shù)增加，流噪聲抑制能力增強(qiáng)，在100 Hz頻點(diǎn)上，4元水聽(tīng)器抑制流噪聲能力就可達(dá)到12 dB～13 dB，10元水聽(tīng)器抑制流噪聲能力可達(dá)到12 dB～15 dB，20元水聽(tīng)器抑制流噪聲能力可達(dá)到18 dB左右，在［20，500］Hz頻段內(nèi)，4元水聽(tīng)器抑制流噪聲能力就可達(dá)到8 dB～10 dB，10元水聽(tīng)器抑制流噪聲能力可達(dá)到10 dB～12 dB，20元水聽(tīng)器抑制流噪聲能力可達(dá)到14 dB～15 dB，效果十分明顯。考慮到低頻探測(cè)陣段陣元間距較大，如按400 Hz、500 Hz和600 Hz半波長(zhǎng)布陣的探測(cè)陣元間距為1.875 m、1.5 m和1.25 m，其空間足夠用于安裝多個(gè)密排水聽(tīng)器構(gòu)成的水聽(tīng)器組，并以此來(lái)實(shí)現(xiàn)流噪聲抑制。當(dāng)然，水聽(tīng)器組內(nèi)水聽(tīng)器個(gè)數(shù)需根據(jù)探測(cè)陣段布陣間距和實(shí)際硬件代價(jià)綜合考慮，理論上水聽(tīng)器個(gè)數(shù)越多，流噪聲抑制效果越好。

圖4　在100 Hz頻點(diǎn)上流噪聲抑制能力

圖5　在［20，500］Hz頻段內(nèi)流噪聲抑制能力

其次利用測(cè)量陣段3設(shè)計(jì)的兩種安裝方式水聽(tīng)器測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)研究流激振動(dòng)流噪聲的抑制效果。一種是柔性安裝結(jié)構(gòu)，采用海綿包裹水聽(tīng)器的形式，另一種是剛性安裝結(jié)構(gòu)，采用塑料骨架固定水聽(tīng)器的形式。在7 m/s的拖曳速度下測(cè)量流噪聲，圖6是兩種安裝方式水聽(tīng)器流噪聲的相對(duì)譜級(jí)比較圖，可以看出在200 Hz以下范圍內(nèi)，“海綿包裹”安裝方式水聽(tīng)器流噪聲明顯比“塑料骨架固定”安裝方式水聽(tīng)器流噪聲小，在200 Hz以下頻段內(nèi)大約有2 dB～6 dB的抑制效果，但在200 Hz以上兩種安裝方式水聽(tīng)器流噪聲基本相當(dāng)；這說(shuō)明采用“海綿包裹”的柔性安裝結(jié)構(gòu)對(duì)流激纜陣振動(dòng)具有一定的減振作用，而流激纜陣振動(dòng)引起的噪聲頻段較低，因而對(duì)200 Hz以下噪聲抑制效果明顯，對(duì)200 Hz以上噪聲抑制效果并不明顯。

圖6　兩種安裝方式水聽(tīng)器流噪聲的相對(duì)譜級(jí)比較圖

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)拖曳線列陣流噪聲空間相關(guān)特性和流噪聲抑制效果的實(shí)驗(yàn)研究，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）拖曳線列陣流噪聲空間相關(guān)長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于按對(duì)應(yīng)頻段最高頻率半波長(zhǎng)設(shè)計(jì)的探測(cè)陣元間距，這在安裝空間上為利用多個(gè)密排水聽(tīng)器構(gòu)成的水聽(tīng)器組來(lái)實(shí)現(xiàn)流噪聲抑制提供了可能。

（2）利用多個(gè)密排水聽(tīng)器構(gòu)成的水聽(tīng)器組具有較好的流噪聲抑制能力，由4～20個(gè)水聽(tīng)器構(gòu)成的水聽(tīng)器組流噪聲抑制能力較單個(gè)水聽(tīng)器在500 Hz以下可提高8 dB～15 dB，水聽(tīng)器個(gè)數(shù)越多，流噪聲抑制效果越好。

（3）通過(guò)比較“海綿包裹”安裝方式水聽(tīng)器和“塑料骨架固定”安裝方式水聽(tīng)器流噪聲，發(fā)現(xiàn)采用“海綿包裹”的柔性安裝結(jié)構(gòu)對(duì)流激纜陣振動(dòng)引起的噪聲具有2 dB～6 dB的抑制效果。

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Experimental Study on Flow Noise Suppression of TowedArrays

ZHUXian，GE Hui-liang
（Key Sonar Laboratory，HangzhouAppliedAcoustics Research Institute，Hangzhou 310023，China）

Flow noise mainly consists of two kinds of vibration noises induced by flow-excited cable vibration and pressure fluctuation in the turbulence boundary respectively.Current studies show that flow noise is a major factor to restrict the towed array sonar detection in low-frequency range when the towing speed exceeds a certain value.In this paper，an experimental system with different measure modules is constructed to study the spatial correlation and noise suppression method of low frequency flow noise.Through the analysis of the experimental data，it is shown that the hydrophone group consisting of 4-20 closely arranged hydrophones can reduce the noise by 8 dB-15 dB in comparison with a single hydrophone.It is also shown that the hydrophone with a flexible structure has good flow noise suppression effects.

acoustics；sonar detection；flow noise；noise suppression；experimental study；towed array sonar

O422.8

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.045

1006-1355（2016）03-0219-03

2016-01-25

祝獻(xiàn)（1979-），男，浙江省蘭溪市人，博士生，主要研究方向?yàn)橥弦吩肼曇种婆c水聲信號(hào)處理。E-mail：sklzhuxian@163.com

葛輝良，男，博士生導(dǎo)師。E-mail：sklghl@yahoo.com.cn